周雙喜， 韓 震， 黃 強(qiáng)

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,南昌 330013)

0 引 言

隨著我國“一帶一路”倡議的不斷推進(jìn)和“八縱八橫”高鐵網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)，提升我國建設(shè)科技水平對增強(qiáng)我國基建企業(yè)的國際競爭力和高鐵事業(yè)的科學(xué)持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。近年來，我國啟動了“卓越計劃”“2011計劃”等一系列國家重大改革項(xiàng)目，以培養(yǎng)具備科技創(chuàng)新能力和實(shí)踐應(yīng)用能力的“創(chuàng)新—應(yīng)用”型人才，但我國目前工程技術(shù)人才缺口依然十分巨大。人社部就業(yè)司公布的2017年第一季度人力資源統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，建筑業(yè)和制造業(yè)對新型技術(shù)人才的需求與2016年相比同比增長27%和38.3%[1]。材料力學(xué)是土木工程、機(jī)械設(shè)計等專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課，學(xué)生對其掌握與否直接影響到后續(xù)專業(yè)技術(shù)課的學(xué)習(xí)。而材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)作為材料力學(xué)教學(xué)的重要實(shí)踐部分，能夠加深學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生動手實(shí)踐、分析解決問題以及團(tuán)隊協(xié)作的能力，其授課質(zhì)量的提高對促進(jìn)我國新型技術(shù)人才的培育事業(yè)發(fā)展具有重要意義。而現(xiàn)今我國高校材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)卻普遍存在與培養(yǎng)要求不協(xié)調(diào)的問題，亟待進(jìn)行深入改革。因此，近年來各高校對材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行了深入的探索，吳新如等[2]通過豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和與學(xué)生互動教學(xué)的方式傳授課程內(nèi)容的同時多方面培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究素養(yǎng)；鄧輝等[3]將研討式案例教學(xué)法引入材料力學(xué)中，極大提高了學(xué)生思維能力、研討能力以及分析解決問題能力的培養(yǎng),但此種教學(xué)方法對教師的知識儲備、組織能力和反應(yīng)應(yīng)變能力有極高要求，推廣難度較大；吳艾輝[4]將同伴教學(xué)法引入到材料力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性，但囿于學(xué)生需具備較強(qiáng)的自控能力和花費(fèi)大量的課余時間預(yù)習(xí)；柒維斯等[5]建立了“引導(dǎo)-設(shè)計-實(shí)驗(yàn)-掌握”的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，極大地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，以提高教學(xué)質(zhì)量，但該模式加大了理論基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)完成實(shí)驗(yàn)的難度，存在一定的局限性；劉小蠻等[6]認(rèn)為材料力學(xué)教學(xué)要求不應(yīng)局限于“會做”，提出了“會做、會意、會用”的新要求，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴季S和創(chuàng)新意識，卻未形成一套完善的教學(xué)實(shí)施方法。

鑒于此，我校土建學(xué)院積極探索材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式,引進(jìn)國外先進(jìn)的CDIO-OBE工程教育模式，取得了良好的教學(xué)效果，為參評國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心打下了良好的基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的局限性

材料力學(xué)作為一門研究固體材料在外力作用下強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等問題的課程，蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)思想和科學(xué)方法，對于學(xué)生工程思維的養(yǎng)成具有重要意義[8-9]。而材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭鷮W(xué)生在更好掌握理論課知識的同時培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，逐步使學(xué)生具有一定獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的能力[10]。但傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在很多不足之處，嚴(yán)重制約了我國人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高，其主要體現(xiàn)為：

(1) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，形式老套，工程背景不強(qiáng)。當(dāng)前國內(nèi)高校材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容多為金屬材料的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等單元性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容單一。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時基本按照實(shí)驗(yàn)書給定的步驟順序完成，形式一成不變，且工程背景薄弱，極大地束縛了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。

(2) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備老舊，更新滯后，配套師資薄弱。高校的擴(kuò)招，科技的飛速發(fā)展與實(shí)驗(yàn)室?guī)熧Y力量的更新滯后構(gòu)成巨大矛盾，表現(xiàn)為：①以往的實(shí)驗(yàn)場所與設(shè)備難以滿足激增的學(xué)生需求，形成實(shí)驗(yàn)由個別人操作，其他人觀摩的現(xiàn)象，難以保證每個同學(xué)都能獲得實(shí)驗(yàn)操作的機(jī)會，同學(xué)敷衍了事；②實(shí)驗(yàn)室設(shè)備老舊，已不能滿足新時代、新規(guī)范的使用要求。

(3) 重視程度不夠，課時較少，考核方式落后。在傳統(tǒng)“重理論，輕實(shí)踐”以及現(xiàn)今“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力、重特色”教學(xué)觀念下，材料力學(xué)的課時被不斷的壓縮，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)僅安排了6～8個課時，甚至還被理論課占用，且有時僅把期末考試成績作為考核的唯一標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)不納入考核，其地位可見一斑！

2 CDIO—OBE工程教育模式材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建思路

基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式(Outcomes Based Education,OBE)最早出現(xiàn)于美國和澳大利亞的基礎(chǔ)教育改革，其核心思想是教育者對學(xué)生畢業(yè)時應(yīng)達(dá)到的能力及其水平有清楚的構(gòu)想，然后尋求設(shè)計適宜的教育結(jié)構(gòu)來保證學(xué)生達(dá)到這些預(yù)期目標(biāo)，即注重的不是學(xué)生了解什么，知道什么，而是關(guān)心學(xué)生能做什么[11-12]。CDIO即為構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate)的縮寫，CDIO工程教育理念由麻省理工學(xué)院等4家單位研究創(chuàng)立,是現(xiàn)今國際上新起的先進(jìn)培養(yǎng)理念，該培養(yǎng)理念是指以項(xiàng)目為載體,學(xué)生以主動、實(shí)踐、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程，以培養(yǎng)其工程專業(yè)知識、個人能力、團(tuán)隊協(xié)作能力和工程系統(tǒng)能力[13-14]。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)引進(jìn)CDIO—OBE工程教育模式，能夠克服當(dāng)前存在的重理論、輕實(shí)踐、教學(xué)課時短、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與工程實(shí)際脫節(jié)以及考核方式落后等問題，提高學(xué)生積極主動性，有利于學(xué)生創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)的發(fā)展。

2.1 CDIO—OBE人才培養(yǎng)模式

CDIO—OBE工程教育模式由CDIO和OBE兩個部分組成，其中OBE是目標(biāo)，CDIO是手段，兩者相輔相成。OBE根據(jù)國際上對畢業(yè)生所應(yīng)具備的11條能力對課程內(nèi)容進(jìn)行“逆向設(shè)計”，即實(shí)現(xiàn)每一課程內(nèi)容與所要求的能力矩陣相匹配，否則，必須對其重新設(shè)計；CDIO是對OBE所設(shè)立的目標(biāo)的具體實(shí)踐，其與傳統(tǒng)教學(xué)法相比主要有三大轉(zhuǎn)變：①學(xué)生由圍繞課本學(xué)習(xí)到圍繞項(xiàng)目學(xué)習(xí)；②學(xué)習(xí)過程由教師講授為主到以學(xué)生學(xué)習(xí)為主；③由記憶理解知識點(diǎn)到內(nèi)化應(yīng)用知識點(diǎn)[12]。故為保證該模式的順利落地，教育者必須對當(dāng)前教學(xué)模式進(jìn)行從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)條件、教學(xué)方法等方面進(jìn)行全面梳理改革。

2.2 建立多層次、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

中心在緊貼當(dāng)前培養(yǎng)要求的基礎(chǔ)上，調(diào)整更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。①力求減少驗(yàn)證性、單元性實(shí)驗(yàn)，增加電阻應(yīng)變片的粘貼實(shí)驗(yàn)、電阻應(yīng)變片的接橋?qū)嶒?yàn)等設(shè)計性、拓展性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，激發(fā)其創(chuàng)新思維；②結(jié)合土木工程專業(yè)交通特色，將工程背景引入實(shí)驗(yàn)，比如鋼、砼彈性模量及泊松比的測試實(shí)驗(yàn)，引入當(dāng)前橋梁工程中廣泛使用的“鋼-砼”組合結(jié)構(gòu)。通過將所學(xué)理論知識與工程實(shí)踐的結(jié)合，不僅能夠加深學(xué)生對理論知識的掌握理解，更能增強(qiáng)同學(xué)的工程應(yīng)用意識。③鼓勵有志于在該領(lǐng)域繼續(xù)深造的同學(xué)，參加“周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”“挑戰(zhàn)杯”等科技賽事，并進(jìn)一步參與教師的課題研究，以科研和賽事活動為載體，結(jié)合學(xué)院導(dǎo)師制的實(shí)施，以研促學(xué)，以賽促學(xué)，幫助學(xué)生學(xué)有所用，開闊視野，掌握專業(yè)前沿發(fā)展動態(tài)。

2.3 構(gòu)建現(xiàn)代化、開放式實(shí)驗(yàn)平臺

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，許多新近投入使用的新型材料需進(jìn)行力學(xué)性能測試，而該項(xiàng)工作的實(shí)施離不開先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，因此材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備必須與時俱進(jìn)。硬件方面，面對材料力學(xué)設(shè)備不足和資金緊張的難題，中心先是購買引進(jìn)了如微機(jī)控制電子式扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)、高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)等先進(jìn)設(shè)備；此外，自主研發(fā)了DZST-3C型材料力學(xué)多功能試驗(yàn)臺和HD-16A型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，前者可進(jìn)行切變模量的測定、復(fù)合梁的實(shí)驗(yàn)以及根據(jù)需要可擴(kuò)充三鉸拱、應(yīng)力集中、T形梁和工字鋼彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)等共17個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，且轉(zhuǎn)換簡單，占地面積小，目前實(shí)驗(yàn)室共有該組合實(shí)驗(yàn)臺共40座，可以同時容納一個班同學(xué)實(shí)驗(yàn)。HD-16A型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀為測力儀和應(yīng)變儀二合一的組合產(chǎn)品，具有16個通道，可以同時對16個測點(diǎn)同時進(jìn)行測試，在綜合性、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)中使用極其方便，尤其是在配合多媒體教學(xué)的情況下，學(xué)生可獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作，大大減輕了老師的負(fù)擔(dān)。目前上述兩設(shè)備已在20余家高等院校得到推廣，反饋效果良好。軟件方面，中心以國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心評審指標(biāo)體系為標(biāo)準(zhǔn)，努力將中心建設(shè)成為現(xiàn)代化的材料力學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心。面對課時壓縮問題，實(shí)驗(yàn)室實(shí)行開放式管理，實(shí)驗(yàn)時間不再局限于課堂，學(xué)生可自行協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)時間，并通過實(shí)驗(yàn)預(yù)約系統(tǒng)預(yù)約實(shí)驗(yàn)。

2.4 搭建網(wǎng)絡(luò)型、自主化教學(xué)體系

針對以往教學(xué)中存在的重理論，輕實(shí)踐、學(xué)生積極性和動手能力不足等問題，中心緊緊圍繞學(xué)生為主、教師為輔的教學(xué)主旨，從教學(xué)手段、教學(xué)方法和考核指標(biāo)3個方面探索創(chuàng)新，搭建起網(wǎng)絡(luò)型、自主化教學(xué)體系。在教學(xué)手段上，有機(jī)的采用多媒體進(jìn)行教學(xué)，借助其展示直觀，信息豐富的特點(diǎn)，活化課堂，提高課堂效率，解決課時和師資不足的問題。此外，為拓展學(xué)習(xí)渠道，增強(qiáng)學(xué)生自學(xué)能力，緩解課時壓縮的壓力，中心還增添了MOOC(大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程)。在教學(xué)方法上，結(jié)合CDIO—OBE工程教學(xué)模式特點(diǎn)，采用啟發(fā)式教學(xué)，將“授人于魚變?yōu)槭谥跐O”的教育理念貫穿全過程，充分發(fā)揮學(xué)生主體作用，提高其解決問題的能力。針對重理論、輕實(shí)踐的問題，中心將實(shí)驗(yàn)納入考核，實(shí)驗(yàn)成績占學(xué)科期末成績的30%～50%，而考核的指標(biāo)主要是CDIO—OBE工程教育模式定義的“學(xué)習(xí)成果”的達(dá)成度，包括學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中的協(xié)作能力，項(xiàng)目最終的質(zhì)量及創(chuàng)新性等，從而加強(qiáng)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)地位，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的工程技術(shù)人才。

3 基于CDIO-OBE模式的組合梁彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計與實(shí)踐

以組合梁彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)為例，介紹基于CDIO—OBE工程教育理念的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｔ搶?shí)驗(yàn)以工程中常見的由兩種材料的兩根梁以簡單疊合形式的復(fù)合加強(qiáng)梁為背景，研究上述組合梁受力后的應(yīng)力分布。由于本實(shí)驗(yàn)具有鋼—鋼疊梁、鋼—鋁疊梁、鋼—鋁膠黏疊梁等多種形式，靈活多變，可以很好地鍛煉學(xué)生的發(fā)散思維和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。設(shè)定實(shí)驗(yàn)以小組的形式完成，每組2或3名成員，實(shí)驗(yàn)時間設(shè)定4課時，其中實(shí)驗(yàn)操作3個課時，實(shí)驗(yàn)完成后學(xué)生需提交相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計報告、實(shí)驗(yàn)分析報告以及實(shí)驗(yàn)的總結(jié)且組員須以PPT的形式對整個實(shí)驗(yàn)的完成情況及得失演示報告，考驗(yàn)的是學(xué)生的表達(dá)能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。

3.1 構(gòu)思階段

學(xué)生選做該實(shí)驗(yàn)后，通過資料檢索或者M(jìn)OOC等方式查找包括測試原理、測試方法等實(shí)驗(yàn)知識，并選定實(shí)驗(yàn)測試方法，在分析報告上列出實(shí)驗(yàn)所需的技術(shù)支持等，隨后征求指導(dǎo)老師意見，老師檢查實(shí)驗(yàn)的科學(xué)正確性，并對關(guān)鍵點(diǎn)提出指導(dǎo)意見，如：本實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)變片的粘貼布置和理論計算公式的推算等。

3.2 設(shè)計階段

實(shí)驗(yàn)的初步構(gòu)思通過后，學(xué)生須進(jìn)行科學(xué)詳盡的實(shí)驗(yàn)設(shè)計，并注明設(shè)備支持、計算理論等。如若該實(shí)驗(yàn)以“鋼—鋁膠黏疊梁”進(jìn)行設(shè)計，則至少需要多功能組合試驗(yàn)臺和特制“鋼—鋁膠黏疊梁”一套，若是想研究鋼筋混凝土中鋼筋與澆混凝土的變形協(xié)調(diào)則需要提前預(yù)制該梁以及協(xié)調(diào)萬能材料試驗(yàn)機(jī)等。

3.3 實(shí)現(xiàn)階段

按照設(shè)計的步驟實(shí)驗(yàn)操作，收集數(shù)據(jù)，這里包括應(yīng)變片的粘貼和搭橋，尤其是注意應(yīng)變片粘貼位置必須平整、光滑以及絲柵與構(gòu)件特征尺寸的交角關(guān)系準(zhǔn)確，搭橋要熟悉電路原理，必要時尋求指導(dǎo)老師幫助。

3.4 運(yùn)作階段

實(shí)驗(yàn)操作完成后，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，撰寫總結(jié)報告，并比較各個方式的優(yōu)劣，總結(jié)得失，將實(shí)驗(yàn)的感悟、體會和取得的成就制作為PPT,在實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)收課上進(jìn)行答辯。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該模式確實(shí)能夠提高同學(xué)的動手積極性、解決問題的能力和口頭表達(dá)能力，之前上臺就緊張說不出話的同學(xué)，現(xiàn)在變得更加自信、沉穩(wěn)。

4 實(shí)踐教學(xué)實(shí)施效果

我校土建學(xué)院材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系滿足行業(yè)需要，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和團(tuán)隊協(xié)作精神，提高了學(xué)生的動手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和工程能力，拓展了學(xué)生的綜合素質(zhì)。實(shí)踐證明，將CDIO-OBE工程培養(yǎng)理念引進(jìn)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠改善以往材料力學(xué)教學(xué)存在的問題，較大程度上提高材料力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量?！巴聊竟こ虒?shí)驗(yàn)教學(xué)中心”自實(shí)施該舉措以來，取得了一系列喜人的成績：在參評國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心中，從全國120個參評的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心中脫穎而出被評為國家級教學(xué)示范中心，這是我校首次獲得國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目；此外，在全國各類力學(xué)競賽中，專業(yè)共有29人次獲省級及以上殊榮，創(chuàng)我院歷史之最?；诖?，2015年，我院土木工程專業(yè)順利通過了住建部專業(yè)評估；根據(jù)艾瑞深中國校友會網(wǎng)“2017中國大學(xué)評價研究報告”最新發(fā)布2017中國大學(xué)本科專業(yè)排行榜，我校土木工程專業(yè)躍升至全國第17位。

5 推進(jìn)CDIO-OBE工程教育模式的思考

在當(dāng)前高?！爸乜蒲?，輕教學(xué)”的背景下，盡管CDIO—OBE工程教育模式存在較多優(yōu)點(diǎn)，但由于其推進(jìn),教師需投入較多的精力去預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)目標(biāo)及制定實(shí)施細(xì)則，無形中增加了不少教師的工作壓力,故難以調(diào)動教師積極性；此外，該模式也對教師的教育理論素養(yǎng)提出了較高的要求，包括教師要善于利用各類的教育資源，實(shí)時監(jiān)測學(xué)生的知識、能力以及態(tài)度的發(fā)展水平，做到因材施教，促進(jìn)學(xué)生的個性化發(fā)展[15-16]。故為促使該模式得到更廣泛有效的推廣，一定要改善現(xiàn)有教育模式，營造出重教學(xué)的校園文化，并增加對外學(xué)習(xí)交流的機(jī)會，不斷提高教師的教育理論水平與業(yè)務(wù)水平。

6 結(jié) 語

將“CDIO—OBE”工程教育模式應(yīng)用到材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能夠有效地解決當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍存在的矛盾，改變我國以往的重理論、偏離實(shí)際的問題，激發(fā)了學(xué)生參加課外科技創(chuàng)新活動和學(xué)科競賽的興趣，增強(qiáng)了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的積極性，提高了我校土木工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，有利于培養(yǎng)“創(chuàng)新—應(yīng)用”型人才。