基于前沿CDIO 理念的材料力学课程教学改革方法研究

冯万辉 唐昀超

（仲恺农业工程学院城乡建设学院 广东广州 510000）

CDIO 理念的推行，为工程专业课程的教学改革指明了方向。若能推动材料力学课程教学与CDIO 理念的融合，意味着材料力学课程教学再上一层楼，吻合工程领域专业人才的实际要求。鉴于CDIO 理念的重要价值，有必要探讨在材料力学课程教学改革中的具体应用方式。

一、CDIO 理念概述

（一）CDIO 理念含义

CDIO 理念是一种专注于培养学生工程能力的教育路径，涵盖工程教育中常见的构思、设计、实施、运作等环节。CDIO理念覆盖工程产品从研发到最终应用的全部环节，引导学生主动参与到工程学习中，借助课程中的实践模式完成课程学习。CDIO 理念强调社会环境适应与创新能力培养之间的融合与协调，强调工程实践的作用并提升学生的实践应用能力。在CDIO 理念背景下，强调产业要求与课程教学的对接，确保专业人才培养吻合产业发展要求。在此基础上细分人员能力要求，具体包括基础知识掌握程度，个人能力、协作能力以及工程系统意识。CDIO 理念融合了工程类课程教学改革的成果与精华，为培养学生能力提出了新的要求和思路，确保学生培养过程的可操作性。结合CDIO 理念的要求，逐步拟定有关课程实施和考评的具体标准，吻合全球范围内对工程教育的共识，也为我国工程类专业教育改革指明了方向。

（二）与材料力学教学改革的联系

借助CDIO 理念推动材料力学教学，有效解决材料力学教学中的问题，在CDIO 理念指导下，重新梳理并整合材料力学知识要素并确立全新的知识框架。结合CDIO 理念中的“四要素”确定具体的教学内容形式，在巩固材料力学基础知识的同时，强调实践与应用的重要性，并推动材料力学教学创新。换言之，就是在材料力学教学中秉承“理论与实践相结合”理念，以材料力学课程问题为线索，引导学生思考分析课程问题，找到解决问题的思路。在材料力学教学中注重实践创新，强调课程教学中的应用能力导向，逐步强化学生的实际应用能力。在材料力学教学中要发挥实验操作和工程案例的独到作用，将其作为材料力学课程的“第二课堂”，重视案例分析的作用。以“一个材料力学课堂”为依托，融合多个层次的教学环节，逐步构建灵活有机的材料力学课程体系，吻合CDIO 理念的要求，全面锻炼学生的学科能力，为培养更多、更优质的工程技术人才打牢基础。

（三）材料力学教学改革基本思路

在充分理解CDIO 理念的前提下，定位CDIO 理念的要求和标准，确定具体的能力体现形式。关于CDIO 背景下的人才培养构架，应当涵盖构思、设计、开发与运行四个阶段，并将其作为培养专业人才能力的重要载体，拓展学生的知识面并建立学生的大工程意识。定位材料力学课程的工程能力要求后，将其细化为多种能力点，并与材料力学课程教学相融合。与此同时结合我国在工程类人才培养方面的具体要求，设定合理可靠的材料力学教学安排。设置材料力学教学改革纲要时，要注意大纲要求的目标深度并设置多条能力标准，逐步形成适应材料力学课程以及专业特征的评价指标。

1.基础知识目标

这一目标涵盖的能力点有基本概念原理、核心工程基础知识以及高等工程的基础知识，对应的能力点包括分析问题的方法以及解题技能。

2.个人能力目标

涵盖的能力点包括“实验中探索知识”“借助工程建模方式解决问题”以及“建立系统思维”，对应的能力体现方式包括分析问题的方法、动手能力与创新能力。

3.协作能力目标

能力点具体包括“个人技能与道德”“职业能力与道德”“团队合作与沟通”，对应的能力体现方式是软件应用能力与合作交流。

4.工程系统目标

涵盖“工程环境”“构思工程系统”“设计实施运行”等能力点，着重强调学生的“自学创新能力”。

二、材料力学教学改革落脚点

（一）课程设置

材料力学课程与工程领域紧密相关，具有较高的应用价值。由于材料力学课程中涵盖了很多知识点和理论基础，课程内容相对抽象，很多知识点需要花费较多时间讲解，意味着材料力学课程教学的难度较大。在课程教学改革不断深入的背景下，以材料力学为代表的理论类课程的课时被逐步压缩，进一步导致材料力学教学中的课时紧张局面。如何通过优化材料力学课程教学实现课程中的补偿效应成为重要课题，对材料力学课程设置提出较高要求。教师在掌握材料力学课程编排的基础上，将培养学生能力、提升学生的工程素养摆在非常重要的位置，巧妙解决材料力学理论教学与培养工程素质之间的矛盾，帮助学生在巩固材料力学基础知识的前提下，在实践能力领域有所收获和提升，为适应更复杂的工程应用环境打好基础。换言之，通过材料力学教学改革，让学生利用更少的课时获得更好的材料力学理论知识学习效果，认识到材料力学课程的核心，还能灵活应用材料力学课程中的概念和知识解决实际问题，最终在潜移默化中形成属于学生的工程素质。

（二）实践设置

当前“工匠精神”已经成为工程类专业教学的重要指导思想，在培养学生“工匠精神”的基础上推动教学创新，强化学生的创新意识。在材料力学课程教学全过程中，都要将创新能力的培养摆在非常关键的位置，强调实践教学在材料力学课程中的重要地位。传统材料力学教学中，注重课程理论知识的传授，对实践教学的重视力度不够。由于材料力学实践课时难以保障，学生运用材料力学知识参与实践的机会可谓少之又少。教师拟订的材料力学实践方案未必与课程知识吻合，甚至导致材料力学理论与实践教学脱节，无法建立基于材料力学课程的整体感知思维。CDIO 理念强调“大工程”理念，意味着材料力学课程教学必须紧扣“大工程”要求，将大工程背景作为材料力学课程教学背景，拓展课程教学辐射范围，确保材料力学教学与工程背景顺利对接，逐步形成属于学生的大工程素养。CDIO 理念融合在材料力学教学中，构建优质的材料力学教学模式，与工程教育模式的要求吻合。

（三）考核模式设置

材料力学教学改革要有考核模式的支撑，课程考核点应当全面，涵盖知识、主体与时间三个维度。教师首先关注到学生通过学习材料力学课程获得何种能力，在此基础上从学生的角度出发，不断激发学生主动参与材料力学学习的潜力，并将学生的积极性与创新意识作为材料力学考核的重要指标。时间维度对考核模式的灵活性有较高要求，教师根据材料力学课程时间节点的要求安排不同的考核模式。传统的材料力学课程考核采用“期末考试+考勤+实验”的三段法，虽然覆盖材料力学课程全过程，但实际执行过程形式化明显，不能起到应有的考核效果。而且传统的考核模式指标设置简单，也不能真实反映学生参与材料力学课程的实际情况。在CDIO 理念引导下，教师要逐步优化材料力学课程评价过程，将更容易调动学生主观能动性的因素纳入考评模式中，引导学生在材料力学课程中勇于创新，积极推动理论与实际的结合，促进材料力学课程知识的转化应用。

三、材料力学教学改革思路

（一）重视基础知识的教学

在工程背景与课程教学融合的背景下，将工程背景作为讲授知识的重要载体，加强材料力学理论知识与计算方法的讲解与推演，让学生“知其然更知其所以然”，并引导学生利用材料力学的基本知识解决实际工程问题，培养学生的运用能力。借助上述方式，学生对工程问题到模型的转换方式理解更加深刻，掌握模型的建立方式和求解过程，真正认识到材料力学课程的价值。在材料力学各个章节的教学过程中，应当结合多种构件与载荷形式，秉承“由简及繁”的原则，逐步强化学生的建模意识和能力。传统材料力学教学中侧重于使用计算简图，在力学分析中存在短板。采用建模方式分析材料力学问题，有效提升学生的职业能力。

在讲授材料力学中的拉伸、压缩等课程内容时，可以将活塞杆引入课程内容中，了解在油压和工作阻力的影响下发生拉伸变形的情况。力学课程中可以引入的工程实例还有很多，教师要善于利用工程实例中的力学因素，以常见的工程实例作为传授知识的载体，对“拉伸变形”的认识更加深刻，由此得到拉伸变形的力学模型。在引入液压传动机构活塞杆的实例时，引导学生注意到外载种类与构件之间的关系。如果外载荷作用线与构件纵轴线相同，但是力作用在构件内部，则会导致压缩变形的情况，将其作为力学模型。借助力学模型，明确模型与构件载荷的受力点方向有关。在此基础上延展压缩变形的场景，引入内燃机连杆燃气爆发冲程场景，进一步展示压缩变形的特征。通过引入工程实例，不难看出构件与载荷之间的相对位置与方向直接影响压缩变形的形态，并对应不同的力学模型，逐步形成属于学生的工程思维。此前展示的力学模型，存在外载荷作用方向与纵轴线共线的特征。但是很多工程场景中，两者并不是共线的关系，而是呈现出相互垂直的状态，意味着压缩变形呈现出弯曲的状态，这种情况下需要创建新的力学模型，反映压缩变形的弯曲状态。另外，载荷的种类也会影响力学模型的建立，在教学中选择并展示反映载荷种类变化对力学模型影响的工程案例。

在上述材料力学的教学过程中，采用了层层推进的方式，并融合诸多工程背景。借助工程背景载体，学生意识到力学模型的建立取决于多种因素的影响，对工程实例到实际模型的转换认识更加深刻，自身的建模能力也在潜移默化中提升，推动材料力学知识与实际情况的有效结合。

教师引入工程实例时，注意结合多媒体手段，全面展示工程实例的实际情况。例如教师将图片、微视频等融合在工程实例的展示阶段，评价工程实例可能引发的安全事故以及理论发展过程，帮助学生从多个角度理解材料力学知识，更好地定位理论与技术之间的关系，对工程技术的认识更深一层，同时扩展了学生的视野，认识到材料力学知识的应用价值。多媒体方式的应用，还能简化教师的知识讲授过程，课时资源应用效率更高，充分适应材料力学课程改革要求，获得更优质的课程教学效果。

（二）重视个人能力培养

工程类专业人才的能力包括思维能力与动手能力。在个人能力培养过程中，结合材料力学课程教学进程融合专题知识竞赛，教师根据材料力学的某个知识点提出工程问题并作为探究作业，学生根据教师提供的主题检索相关资料和文献，总结处理工程问题的思路和方式，并对拟订的方案进行可行性论证，最终以实验报告或者小论文的方式提交给教师，由教师评选优胜者。专题知识竞赛与材料力学教学的融合，帮助学生尽快将材料力学理论知识转化为实际应用的成果。以专题知识竞赛为载体，在解决问题的过程中，加深对材料力学知识的理解，并强化个人的运用能力，潜移默化中形成学生的思维能力。

材料力学知识的价值要通过应用方可实现，在培养学生思维能力的同时，也要重视动手能力的培养，意味着材料力学实验在课程教学中扮演关键角色。在材料力学教学中，一定要保证思维与动手能力的平衡，避免出现材料力学学科内的“偏科”现象。由于实验课在材料力学教学中居于重要地位，可以将开放实验室融合在材料力学教学中。将开放实验室作为材料力学实验教学的载体，设置多级别的实验课程，在吻合教学进阶特征的同时，满足不同类型的学生需求。关于材料力学的基本实验，以材料力学课程大纲中要求的实验内容为主要内容。材料力学自选实验则根据学生和项目的实际情况，合理安排自选项目的具体方案。学生独立完成材料力学的自选项目可能比较困难，教师可以协助学生完成实验器材的安装与调试任务，但是不能包办过多的事项。学生在亲自安排实验方案、动手调试实验设备的过程中，真正掌握实验设备的操作方式，对材料力学知识原理的理解也更加深刻。借助材料力学实验教学，对传感器、测试技术有更加到位的认识，对于学生进入职场大有裨益。对于学有余力的学生，可以进一步提升材料力学实验的深度和难度，以力学模型为基础，将计算机仿真技术融入其中，引导学生利用更先进的技术完成更复杂的材料力学实验任务，并将实验成果与心得写成电子版的论文。

（三）重视协作意识培养

材料力学课程中利用到的工程模型规模庞大，意味着任何教学任务都要由多名人员共同完成。与此同时，有关材料力学的工程知识涵盖多个学科，意味着人员及部门之间的合作与协调也成为重要课题。在编制材料力学的工程教学方案时，要充分考虑部门之间任务分工与资源分配的情况，确保工程中的资源合理分配。在材料力学教学中，一定要有团队意识，融合现代工程实际特征，提升材料力学的教学标准。在落实材料力学课程任务的同时，还要注重学生人际关系能力的培养，推动学生综合素养全面提升。协作意识的培养应当结合材料力学课程的特征，由于材料力学知识体系相对复杂，人际关系层面的培养必须对接课程要求。

以材料力学课程中的力学分析教学为例，结合材料力学的课程知识提出相关的课题，由学生分组完成教师布置的课题。学生拿到材料力学课题后，将其分解为多项任务，例如建模、实验验证、撰写报告等，小组团队中的每一名成员都有各自的分工，团队人员之间的合作至关重要。而且分解后的材料力学任务涉及多门学科，意味着相关的小组成员需要与对应的学科人员交流。例如完成电算任务时，需要与计算机专业人员交流编程的技巧和经验。在撰写实验报告时，需要听取小组全部成员的意见和建议，最终方可定稿。在力学分析的主题任务中，融合了很多人员之间的交流任务，反复强化小组成员之间的协作交流意识，显著提升人员的协作配合能力。在此基础上推动材料力学教学与工厂实地环境的对接，将参观工厂的任务融合在材料力学课程中，为学生提供更多接触实际环境的机会。学生在工程环境中，对工程实践环境的认识更加深刻，有效扩展学生的视野和观察能力。在与工厂人员的交流过程中，还能强化个人的人际交往能力。

（四）强化工程系统认识

材料力学课程知识的运用，与工程系统环境关系密切。强化学生的工程系统认识，引导学生站在更高的层次理解材料力学知识，促进能力的全面提升。材料力学虽然是一门独立的课程，但是学科知识与诸多专业课程密切相关，在实际的工程环境中扮演关键角色。从安全角度出发，反复观察工程结构并定位其中的力学问题，并借助反复的思考与验证，确定解决材料力学问题的思路和方法。由此可见，若要真正认识到材料力学课程的重要性，必须有工程系统的认识，引导学生在工程系统环境中运用材料力学知识，体会到材料力学知识的独到价值。在材料力学教学中充分发挥工程实例的关键作用，探讨实际工程中全部构件的载荷状态与力学性能，总结解决力学问题的有效思路和方法，列出处理问题的计算公式，保证工程系统的绝对安全。在材料力学教学中，注重构件与工程系统的联系，并将传感器、计算机等技术融合在材料力学教学中，引导学生真正认识到工程系统的特征，从多个角度看待工程系统的问题，并形成属于自己的学科习惯。另外，教师可以将各类研讨会、展会等因素融合在材料力学课程中，带领学生接触医疗器械、工业机器人、工程机械等高端装备的研究成果，探讨其中的材料力学知识，使得学生领悟到材料力学知识的巨大价值，为材料力学知识储备奠定基础。

（五）考核模式设置

关于材料力学考核模式，秉承“以学生为中心”的原则，结合CDIO 理念的要求细化考核的要求并分配权重，全面衡量学生的材料力学课程学习成果。考核模式要适应学生的实际情况，推动教学反馈与实施过程的结合，多角度保证考核结果的科学性，准确反馈学生在材料力学课程中的表现。例如教师编制材料力学课程的“综合试卷”，考查学生对基本概念、理论和技能的掌握情况。将角色扮演方式融合在汇报答辩考核模式中，每个小组利用多媒体手段展示本小组的研究成果。另外将选题调研、产品开发、交流等环节融入材料力学考核中，确保考核过程的全面性。

结语

CDIO 理念覆盖工程专业教学的全部过程，吻合专业课程教学改革的实际需求。在今后的教学过程中，在更广阔的范围内探索课程教学与CDIO 理念的融合路径，推动专业课程教学取得新的突破，更好地适应全社会对工程人才的最新要求，保证工程专业人才的培养质量。