洪哲浩++丁智++李丹薇

基于國際先進的CDIO工程教育理念，在《理論力學(xué)》這門土木工程必修課的教學(xué)中，讓學(xué)生自由分組開展基于理論力學(xué)課程的CDIO項目的建模分析與實踐，教師通過學(xué)生課堂上的成果展示進行評價和指導(dǎo)，可以有效的提升學(xué)生對理論力學(xué)的理解，更利于學(xué)生團隊合作精神、科學(xué)探索思維、實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

教學(xué)創(chuàng)新理論力學(xué)CDIO項目一、引言

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。從2000年起，麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)組成的跨國研究獲得Knut and Alice Wallenberg基金會近2000萬美元巨額資助，經(jīng)過四年的探索研究，創(chuàng)立了 CDIO工程教育理念，并成立了以 CDIO命名的國際合作組織。

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），它改變了重理論輕視實踐的傳統(tǒng)教育模式，注重培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實的工程基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，在此基礎(chǔ)上通過貫穿于學(xué)生個人團隊設(shè)計和創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生以主動的、實踐的、與課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生達到預(yù)定目標(biāo)。

CDIO作為一種創(chuàng)新的教育模式，國內(nèi)外經(jīng)驗表明這一理念和方法是先進可行的，在工程領(lǐng)域教學(xué)改革創(chuàng)新方面得到了廣泛認同和大力推廣。浙江大學(xué)城市學(xué)院的土木工程和機械工程是教育部首批CDIO工程教育試點專業(yè)之一。在工程教育的大氛圍和大環(huán)境下《理論力學(xué)》中引入了CDIO項目，為本課程帶來改革創(chuàng)新，提高了課程教育質(zhì)量。本文將從CDIO項目對學(xué)習(xí)《理論力學(xué)》這門課程的理解及其對教學(xué)方法的啟迪進行論述。

二、理論力學(xué)課程介紹及教學(xué)現(xiàn)狀

1.課程介紹

《理論力學(xué)》研究物體機械運動的一般規(guī)律，是高等院校工科專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課程，是與工程實際緊密聯(lián)系的課程。系統(tǒng)介紹靜力學(xué)、運動學(xué)與動力學(xué)的基本概念、基本原理以及處理問題的基本方法，不僅為《材料力學(xué)》《結(jié)構(gòu)力學(xué)》《彈性力學(xué)》等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，更在于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、抽象思維能力。作為土木工程專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程，理論力學(xué)的課程學(xué)習(xí)效果將直接影響土木工程專業(yè)學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)能力和以后的發(fā)展。

2.教學(xué)現(xiàn)狀

（1）理論力學(xué)的發(fā)展歷史悠久，傳統(tǒng)性知識比例較大，內(nèi)容大多幾代沿襲，知識陳舊，力學(xué)模型過于抽象，工程背景不夠明顯，學(xué)生普遍覺得課程枯燥乏味、難以掌握；另一方面，課堂教學(xué)方法和手段過于單一，導(dǎo)致學(xué)生參與教學(xué)程度低。

（2）受傳統(tǒng)教育觀念的影響，與其他課程一樣，現(xiàn)階段的理論力學(xué)課程，無論教材還是教學(xué)內(nèi)容，都重理論，輕實踐應(yīng)用。

三、理論力學(xué)中CDIO項目的應(yīng)用及效果

1.CDIO項目在理論力學(xué)中的應(yīng)用

在理論力學(xué)的教學(xué)過程中，CDIO項目作為一個不可分割的存在，以一種不同于平時教學(xué)方法的形式，讓同學(xué)們自己對靜力學(xué)模型進行受力分析，得出結(jié)論，并進行展示來加深對理論力學(xué)的理解。

在開展CDIO項目之前，要求同學(xué)們先進行自由分組（3人以下包括3人），并將分組結(jié)果上傳至BB平臺。然后要求小組成員從身邊的生活和工程實際問題中選擇一個靜力學(xué)模型，確定其不同的約束類型并對其進行簡化。再對簡化之后的模型進行受力分析，列出力學(xué)方程，計算出所有約束力的大小和方向，受力分析之后要求小組成員制作成果匯報PPT和計算書對力學(xué)模型進行介紹和分析，所有分析和計算過程在PPT和計算書上必須有所體現(xiàn)。最后在課堂上進行小組展示，其他小組以及老師通過對展示的小組進行提問和指導(dǎo)以及他們所展示的內(nèi)容進行評分。在所有小組展示完畢后，每個小組需要將自己小組的成果文檔、小組自評分和對其他小組的評分上傳至BB平臺。CDIO項目的最終得分有小組自評、同學(xué)互評和老師的評分總和而成，并占期末總評的15%。

在這一過程中，學(xué)生獨立分析問題并對其他小組的展示進行提問，不僅鞏固了所學(xué)到的知識，還對理論力學(xué)這門課程有了更為深刻的理解，為日后的專業(yè)課學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

2.CDIO項目在理論力學(xué)教學(xué)中的效果

針對CDIO項目對理論力學(xué)教學(xué)效果、學(xué)生學(xué)習(xí)成效，本文選取本學(xué)期理論力學(xué)期末成績進行分析。

圖1中的期末成績是指期末的卷面成績，總評成績是指期末卷面成績與CDIO成績按比例相加之后的成績。圖1中將期末成績按高到低進行排序，再畫出其對應(yīng)的總評成績曲線。分析圖中曲線可知，CDIO項目對于期末成績較差的同學(xué)來說，對總成績的幫助很明顯。對于成績較為優(yōu)秀的同學(xué)來說，對總評成績的提高不是特別明顯，甚至還有一些同學(xué)雖然期末卷面成績很不錯，但是由于CDIO項目沒有做好，導(dǎo)致總評成績有所下降?？梢奀DIO項目的實施更有效地考察了學(xué)生的知識綜合運用水平。

圖2中的期末成績是學(xué)生的期末卷面成績，總評成績是學(xué)生的期末卷面成績和CDIO的成績按比例相加后的總成績。圖2的柱狀圖表示了期末成績和總評成績在不同的分數(shù)段分別所占的人數(shù)。從中可以看出，CDIO項目對于期末卷面成績相對較低的同學(xué)來說，對總成績的提高有比較大的幫助。對于卷面成績原本就比較高的同學(xué)的影響就不是很大。但還是能從圖中看出，CDIO項目的分數(shù)對于期末總評成績的提高還是有一定的幫助，尤其提高了80～89這個分數(shù)段人數(shù)所占的比例，降低了60分以下和60～69分數(shù)段的人數(shù)?？梢奀DIO項目的實施對學(xué)生期末知識掌握程度的考察更為全面，而不僅是停留在單一看卷面成績的階段。

四、理論力學(xué)中的優(yōu)秀CDIO項目成果展示

本學(xué)期理論力學(xué)CDIO項目進展順利，同學(xué)們分別對塔吊、升降起重機、龍門吊、橋梁、以及窗戶等身邊的生活和工程實際問題進行提煉、抽象出一個靜力學(xué)模型，并進行獨立的思考分析。在完成項目的過程中提升了對理論力學(xué)的學(xué)習(xí)認識，培養(yǎng)了學(xué)生團隊合作精神、科學(xué)探索思維和實踐創(chuàng)新能力。下面是一個小組的CDIO項目實例：endprint

Conceive（構(gòu)思階段）。該小組通過查找資料和觀察生活和工程實際問題，討論確立了基于工程背景下工程實際中的剪叉式液壓升降起重機為小組CDIO項目的力學(xué)模型。考慮到理論力學(xué)主要是對靜力學(xué)的分析，可以先制作出簡易的剪叉式液壓升降機的模型，使得受力分析變得更加簡單和直觀。再對其進行簡化的受力分析。在成果匯報階段便于同學(xué)們理解。

Design（設(shè)計階段）。根據(jù)構(gòu)思階段的構(gòu)思確立所有任務(wù)后，根據(jù)小組成員個人特長，進行合理分工，以及根據(jù)項目成果要求和組員課余時間，確立工作分配與時間安排表。

Implement（實現(xiàn)階段）。首先制作出剪叉式液壓升降機的簡化模型，在對模型進行了觀察和分析后，運用木材在上下兩個底面制作了簡易的凹槽，使其能實現(xiàn)升降的功能。再運用少量的木材在中間支撐整個模型，同時也模擬了液壓器的原理和功能。再畫出它的簡化模型，進行受力分析，得到所有約束力。將結(jié)果和分析方式融合制作成果匯報PPT和計算書。

Operate（運作階段，即成果展示）。先由小組長上臺介紹剪叉式液壓升降機，并通過所制作的模型更加形象的向同學(xué)們解釋其原理。之后再結(jié)合PPT講解受力分析過程，同時組員通過將模型在同學(xué)之間相互傳閱的方式，加強臺下同學(xué)們對該組模型的理解。

該小組的成果展示，讓同學(xué)們對剪叉式液壓升降機的工作原理，以及受力分析和力學(xué)計算過程都有了一個較為全面系統(tǒng)的理解。它極大的激發(fā)了同學(xué)對理論力學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，也能幫助同學(xué)對力學(xué)分析的理解，對同學(xué)集中課堂注意力也起到了良好的作用。在項目展示課堂上，不同小組之間的互相交流更是讓同學(xué)們對許多工程、生活中的理論力學(xué)應(yīng)用有了廣泛的了解，將理論課堂延伸拓展到實際運用。

五、CDIO項目對教學(xué)的啟示

理論力學(xué)一直是學(xué)生認為的較為枯燥又難理解的課程，如果老師在教學(xué)時能將模型與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，能將簡易模型在受力分析時展示給同學(xué)，并演示其動態(tài)過程，能較大的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論力學(xué)的積極性。

此外，將做模型作為一種課后作業(yè)或者期末總評分標(biāo)準(zhǔn)，讓同學(xué)們根據(jù)課上所要分析的模型或者知識點，自己動手制作簡化模型。同學(xué)們在制作的過程中掌握了理論力學(xué)知識，同時也提高了結(jié)合理論力學(xué)與實踐的能力，更鍛煉了自主學(xué)習(xí)能力、組織協(xié)調(diào)能力和團隊合作精神，提高了上課的進度和效率。

六、結(jié)語

CDIO工程教育模式是直接按照業(yè)界要求建立的一整套工程教育實施體系，它從“培養(yǎng)什么人”和“怎樣培養(yǎng)人”這兩個根本問題出發(fā)探索工程教育問題。而理論力學(xué)課程是土木工程專業(yè)的重點必修課程，相信在引入CDIO的理念后，將能更好的把實踐與理論相結(jié)合，使其更便于理解，并提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究、分析的能力，為課堂教與學(xué)改革帶來了的積極意義。本文的項目實例可為CDIO理念運用于更多的工程課程提供參考，相信以后會有更多類似項目開展，使大學(xué)課堂成為一個綜合運用知識的樂學(xué)善用平臺。

參考文獻：

[1]李紅霞，張淑佳，李樂.基于CDIO工程教育大綱的理論力學(xué)教學(xué)改革[J].神州，2011，（05）：14-15.

[2]孟祥勃，丁智，沈旭棟.模型加載實驗在《材料力學(xué)》中的應(yīng)用[J].文藝生活，2014，（06）：248.

本文系2015年浙江省課堂教學(xué)改革項目（Kg2015510）、浙江大學(xué)城市學(xué)院第七期重點課程建設(shè)項目（CD1401）。endprint