CDIO工程教育理念的结构力学课程教学改革研究

莫春美 黄君 黄家聪

摘  要：为提高结构力学教学效果，培养学生解决实际工程问题能力和创新能力，文章在对当前结构力学课程教学存在问题进行剖析的基础上，探索CDIO工程教育模式在结构力学课程教学过程中的设计和应用，以项目为载体，对结构力学课堂教学内容进行项目设计化，实施“四层阶梯式”结构力学实践教学模式改革，注重理论知识工程应用化，加强综合实践能力和创新能力的培养。实践证明，CDIO的教学模式能激发学生学习兴趣，让学生更加清晰地认识结构力学与工程的密切关系，培养学生科学素养，启迪其工程思维，提高学生解决土木工程领域相关工程问题的能力和创新能力。

关键词：CDIO;工程教育;结构力学;课程改革

中图分类号：G642.0    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2022）17-0136-04

结构力学是土木工程专业的专业核心课，课程理论性强且与工程实践密切相关，为土木工程专业的学生将来工作解决实际工程中力学问题提供科学的思路和方法，在应用型人才培养计划中占着重要地位。

2004年由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学研究出了CDIO工程教育模式，代表着“构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operation）”，CDIO工程教育模式下以工程项目为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程知识，培养专业知识、个人能力和团队协作能力[1]。2005年CDIO模式最早由我国的汕头大学发起研究，在国内引起了强烈反响，在教育部的高度重视下，各高校纷纷将CDIO工程教育模式引入课程改革中，并取得不少研究成果[2-6]。

南宁学院是教育部首批应用科技大学改革试点高校之一，坚持地方性、应用型办学定位，努力为新时代区域经济社会发展培养高素质应用型人才。立足于办学定位和社会对土木工程专业人才需求情况，针对目前结构力学教学中存在的问题，学校将CDIO理念引进结构力学课程教学中，从教学方式、教学模式和教学内容等方面进行改革，优化考核评价机制，注重学生过程性培养，提高学生的专业性、实践性和创新性，为高校培养土木工程专业复合型人才助力。

一、教学现状

结构力学作为土木工程专业的一门重要专业课程，重点培养学生掌握结构的受力特点并学会进行综合分析的能力，在整个专业培养计划中占有重要的地位，然而在现有的培养模式下，一些院校对结构力学的学时进行了一定程度的压缩，这使得教学过程中既要保证最大信息量，又要保证教学效果，使学习过程变得更加困难，导致学生积极性不高，学习效率低，考试不理想、挂科现象严重等情况。当前在结构力学的教学中主要存在三个方面问题：教学形式比较局限;重教轻学、重理论轻实践;学生的团队协作意识较差，使得学生的测试和实习结果均不理想，不能达到教学目标的要求，亟待进行相应的教学改革。

（一）教学形式比较局限

结构力学课程理论性很强，涉及结构多样且计算量大，传统的教学方法大多是依靠板书和PPT进行讲述，教师通过口头讲述概念、演示计算和推导公式等形式将知识传授于学生，这种“填鸭式”的教学方法久而久之会让课堂显得沉闷乏味，使学生很难提起学习的兴趣。

（二）重教轻学、重理论轻实践

结构力学涉及的计算量多且课时有限，在传统的课堂教学中，教师花更多时间去讲授每道题的计算方法和步骤，理论知识的讲授占据了课程绝大多数甚至全部的时间，学生自主学习、思考的机会并不多，久而久之，学生只重视最终计算结果，并不能有效地將力学知识与实际工程问题相联系，积极性和主动性也渐渐降低，这种模式不利于培养学生的自主学习能力和实践能力，学生创新能力的培养也受到了制约。

（三）学生的团队协作意识较差

以往课堂教学内容偏重理论知识讲解，学生的学习任务大多是完成课后练习和期末考试，学生团队协作、共同解决问题环节很少，不利于培养学生的团队合作意识和提高交流沟通能力。

二、基于CDIO工程教育理念的教学改革

培养应用型高素质人才是结构力学课程的最终目标，如果一直按照传统的教学方式进行授课，不利于学生的实践创新能力的培养，而让学生以主动实践的方式学习工程知识的CDIO理念，从工程知识、个人和团队能力等层面进行培养，与应用型高校培养复合型人才目标一致，因此本研究基于CDIO工程教育理念，从结构力学课程教学方法、教学模式和教学内容等方面进行改革尝试，旨在提高学生的专业水平，提高学生的实践能力、团队协作能力和创新能力。

（一）调整教学方法和教学模式

将多元化教学方法引进结构力学课程中，提高学生的学习兴趣。

1. 案例教学法：培养毕业生具备工程专业技术能力是CDIO工程教育理念下的专业培养的目标之一，结构力学课程知识点与实际工程密不可分，教学过程应结合实际工程，突出专业性和前沿性。如讲授“桁架”章节时，教师可引导学生先进行文献、资料的查阅，使其了解工程背景，然后建立其力学简图，并进行内力分析，最后再回归到工程实际中。

2. 项目教学法：CDIO工程教育模式以工程项目为载体，因此将结构力学的教学内容重新整合，并进行项目化，如开展“结构设计”项目实践环节，可以以小组形式进行展开，学生通过团队协作，查找相关资料，共同构思设计方案、对结构进行设计、结构建模分析及优化，最后进行模型制作，整个项目完成过程中个人能力得以施展，团队协作能力创新能力也得到了提升。

3. 讨论法：在工程案例分析的基础上，教师依据学生的知识掌握程度设计1—2个的拓展性问题，组织学生分组讨论，注重学生的课堂教学参与度，以工程案例为背景激发学生的兴趣并调动其积极性，引导学生主动思考，进而提高学生应用工程知识解决实际问题的能力[7]。

合适的教学模式有利于课堂教学目标达成，主动的学习方式在众多现代学习方式中是学习效率最高的，“对分课堂”教学模式将课堂分成两部分，其中一部分就交给学生以讨论的形式进行互助学习，充分发挥学生的主体性。在结构力学课堂中采用“对分课堂”教学模式，教师不需事无巨细地讲授，需要学生了解学习的内容框架、重难点等，预留给学生一定空间，引导学生对教师预先设计好的问题进行自主思考、然后依托“亮考帮”开展小组合作学习，最后进行全班交流。“对分课堂”教学模式强调师生互动和生生互动，充分发挥学生的主体性[3-9]。

（二）教学内容改革

在CDIO教育理念指导下，本研究对结构力学课程涉及的结构几何组合分析、结构内力分析、结构位移分析等三个模块相关内容进行项目化设计，实施以项目为载体的“四层阶梯式”实践教学模式，具体见表1。

1. 夯实课程理论基础

打好扎实的理论基础是后续实践应用和创新的基石。该层次阶梯主要要求学生掌握结构的几何特征、计算简图的简化要点、约束类型等基本概念、原理，能根据实际结构特征，分析其几何构造并绘制正确的力学简图，在学习完该部分内容后，各小组学生根据教师布置的项目要求，制作一个几何不变体系的模型，最后以各小组展示、汇报的形式进行过程性考评，强化学生的工程素质，夯实理论基础，为提高学生实践技能提供必要条件。

2. 加强知识应用和课程拓展

教师应及时更新优化课堂教学内容，将梁、拱和桁架的相关内容进行项目化设计，引入工程背景，让学生自行分析各项目的工程结构背景，分析结构特点，绘制力学简图，选取合适方法进行内力分析，通过完成雨篷梁、公路桥梁、拱桥和钢屋架的受力分析等项目，能够将理论知识进行充分吸收及应用，培养学生严谨的工程思维逻辑和提高知识的应用能力。

3. 培养综合实践能力

加强综合实践能力的提升，将静定结构和超静定结构内力、位移分析相关内容进行项目化，利用工程实例强化学生结构力学与实际工程相结合的综合应用能力，各小组根据单层工业厂房和混凝土框架结构施工图，根据CDIO思想，首先对问题进行构思，从方便性和原结构特点的真实性方面考虑，对原结构的其中一榀框架进行分析。其次，对工程问题进行设计，结合混凝土结构原理、钢结构等专业课知识，对项目中各结构的梁、柱等构件进行截面设计。最后，对工程问题进行实施和运行，利用PKPM结构设计软件或者ABAQUS数值仿真软件对结构进行建模分析和优化。该环节注重学生综合能力的培养，提高学生的团队协作能力，促进结构力学与其他专业课知识的有效结合，使学生的专业知识更加系统化。

4. 提高学生创新能力

该教学层次是以创新能力培养为导向的实践层。大学生结构设计竞赛内容主要包括结构构思、结构类型设计、结构模型制作和结构分析等四大环节，CDIO与大学生结构设计竞赛流程相吻合。高校可开展结构设计竞赛，实现专业与创新教育有机融合，学生通过结构方案设计、分析及模型制作，巩固专业知识，加强实践动手和团队合作，突出创新能力，激发学生的科学研究兴趣。基于结构设计竞赛和CDIO理念的结构力学教学模式路径图如图1所示。

（三）优化课程评价考核机制

在CDIO工程教育模式下，不再采用以往的平时成绩和期末考试成绩各占30%和70%的考核形式，而是提高过程性考核比例，优化课程评价考核机制，更注重学生的课堂参与度和过程能力培养，具体考核评定方法见表2。

三、结语

CDIO工程教育理念代表当代工程教育的发展趋势，本研究基于CDIO工程教育理念，调整传统教学方法、模式，并对结构力学课堂教学内容进行项目化，以学生为中心，实施“四层阶梯式”结构力学实践教学。改革实践证明，通过项目设计化，课程不再枯燥乏味，学生学习兴趣高涨，有效实现了理论与实践相结合，学生分析问题、解决问题的能力和实践创新能力均有所提高，为推进高素质应用型人才的培养全过程提供了有效的方式。

参考文献：

[1] 顧佩华，胡文龙，陆小华，等. 从CDIO在中国到中国的CDIO发展路径产生的影响及其原因研究[J]. 高等工程教育研究，2017，1（01）：24-43.

[2] 刘哲，胡文龙. 基于CDIO理念及实践类项目的结构力学课程改革研究[J]. 高等建筑教育，2014，23（03）：52-57.

[3] 张文茹，汤重熹. CDIO视域下“项目驱动”教学模式研究——以工业设计工程专业为例[J]. 设计艺术研究，2021，11（04）：123-128.

[4] 乔金丽，刘金春，杜青，等. CDIO教育理念的结构力学课程教学实践研究[J]. 教育教学论坛，2020（11）：197-198.

[5] 封焱杰，付旭，刘晓立，等. 基于结构设计竞赛的应用型本科院校土木类专业力学课程体系的CDIO教学改革实践[J]. 教育现代化，2019，6（A4）：62-65.

[6] 刘勇健，管民生，梁仕华，等. 基于OBE-CDIO模式的工程地质教学改革探析[J]. 教育现代化，2019，6（86）：62-64.

[7] 孟玮，李十泉. CDIO工程教育理念在结构力学课程教学中的实践——以南京理工大学泰州科技学院为例[J]. 高等建筑教育，2015，24（03）：70-73.

[8] 魏科丰，陈凯，孔来稳. 独立学院结构力学课程分类教学的探索与实践——以长江大学工程技术学院为例[J]. 四川建材，20 13（05）：246-247+249.

[9] 于桂兰，曹艳梅，贾影，等. 工程化教学理念在《结构力学》课程中的实践[J]. 教育教学论坛，2018（07）：99-101.

（荐稿人：肖湘，南宁学院教授）

基金项目：广西高等教育本科教学改革工程项目“基于虚拟仿真技术的应用型本科《结构力学》教学改革研究与实践 ”（项目编号：2020JGB430）;南宁学院本科专业核心课程建设项目“结构力学”（项目编号：2019BKHXK02）;南宁学院校级教学团队“OBE+CDIO 教学团队”（项目编号：2021XJJXTD03）。

作者简介：莫春美（1990—），女，硕士，南宁学院土木工程教研室讲师，研究方向为土木工程、计算结构力学;黄君（1987—），女，博士，南宁学院土木工程教研室讲师，工程师，研究方向为结构工程、计算结构力学;黄家聪（1987—），男，硕士，南宁学院土木工程教研室讲师，研究方向为桥梁工程。