基于CDIO工程教育大綱的理論力學教學改革論文
【摘要】在工程師的培養和職業發展面臨國際化挑戰的大環境下，深入貫徹教育部、財政部實施本科教學質量工程的精神，全面推行基于cdio工程教育大綱的創新型人才培養模式改革，并將其運用于實際的《理論力學》教學，從而培養學生發現問題、分析問題及解決實際問題的能力，切實提高人才培養的質量和水平。本文提出了《理論力學》課程教學改革的目標及課程改革的基本思路和方法。
【關鍵詞】cdio工程教育大綱； 理論力學； 教學改革
1引言
面對經濟全球化和知識經濟時代，工程師的培養和職業發展面臨國際化的挑戰。我國現行的工程教育模式與現代工業實踐對高級工程人才的要求不相適應,其存在的問題主要有以下幾點:一是重理論輕實踐。學科教育與工業實踐脫節是我國當前高等教育面臨的一個重大問題,有報告顯示,我國2005 年畢業的約60 萬工程類畢業生中不足10%的人能適應國際化公司的工作,產生這種現象的原因之一在于我國當前的工程教育重理論輕實踐,學生接受到項目和團隊工作的實際訓練較少。二是專業設置口徑窄。長期以來,專業的定向型培養體制及學生重授課輕自學的思想造成了學生的知識面窄,專業口徑狹窄使得學生的學習能力、自主性和創造性難以得到充分的發揮,培養出來的學生缺乏很強的適應性和競爭力。三是工程教育缺乏系統規劃。因此，我國高等工科教育的迫切任務是盡快培養與國際接軌的中國工程師，應按照國際工程教育大綱改革現有的人才培養模式，逐步解決目前工程教育中存在的重課程輕實踐、強調個人學術能力而忽視團隊協作能力、重視知識學習而輕視創新能力培養等問題，滿足全球化經濟環境下對創新型人才的需求。
cdio工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。cdio 是由麻省理工學院連同瑞典三所頂尖工業大學共同倡導,集多國工程教育精英耗資數百萬美元所建立的一整套工程教育理念和實施體系,這種模式注重培養學生掌握扎實的工程基礎理論和專業知識,在此基礎上通過貫穿于整個人才培養過程的團隊設計和創新實踐環節的訓練,培養既有過硬的專業技能,又有良好的職業道德的國際化工程師[1]。cdio國際工程教育組織提出的新型的工程教育大綱在美國麻省理工學院等前沿的工程大學得到了很好的檢驗和應用[2-3]。國內外的經驗都表明cdio“做中學”的理念和方法是先進可行的，適合工科教育教學過程各個環節的改革。
《理論力學》研究物體機械運動的一般規律，是高等院校工科專業的一門核心技術基礎課程之一，是與工程實際緊密聯系的課程。教學內容是以伽利略和牛頓總結的基本定律為基礎，系統介紹靜力學、運動學與動力學的基本概念、基本原理以及處理問題的基本方法，屬于古典力學的范疇。不僅為《材料力學》、《機械原理》、《機械設計》、《彈性力學》、《塑性力學》等后續課程的學習打下基礎，更在于培養學生邏輯思維、抽象思維的能力[4-7]。因此，近年來對于它的教學改革和教學研究引起了學術界的廣泛關注。為了培養與國際接軌的創新型人才，我們引入cdio工程教育大綱，并據此進行理論力學的教學改革與實踐。
2將cdio工程教育大綱應用于理論力學教學改革
cdio代表構思（conceive）、設計（design）、實現（implement）和運作（operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、 實踐的、 課程之間有機聯系的方式學習工程。cdio培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、 個人能力、 人際團隊能力和工程系統能力四個層面,大綱要求以綜合的培養方式使學生在這四個層面達到預定目標。
就理論力學課程本身而言，具有一些對激發學習興趣和培養創新人才不利的因素。其一，理論力學的發展歷史悠久，傳統性知識所占比例極大，內容大多幾代沿襲，知識陳舊，力學模型過于抽象，工程背景不夠明顯，和學生普遍覺得它枯燥、乏味，又難以掌握。其二，受傳統觀念的束縛和影響，與其它基礎課程一樣，無論是教材還是教學內容，都重理論，輕應用。其三，理論力學的一般研究方法多為演繹法，反映在教材和教學中均是從已知的基本公理或定律出發，進行理論分析，導出一些定理和推論，由此來對力學問題做出預示[8-10]。這樣，學生在課程中很少接觸歸納法和發散性思維的訓練，這對學生創新思維的培養極為不利。理論力學課程的教學創新迫在眉睫。
改革目標是通過注重培養學生系統工程技術能力，尤其是項目的構思、設計、開發和實施能力，以及較強的自學能力、組織溝通能力和協調能力，吸收世界先進的工程教育理念，建立符合國際工程教育共識的課程體系。培養目標是使學生具有：較強的項目開發、設計和建造的能力；較強的創新能力；較強的團隊精神和領導能力；較強的溝通能力；較強的、英語語言表達能力。
3理論力學教學改革的主要內容
主要包括以下幾個方面：
（1）革新教學手段，提高教學質量：依據cdio教學大綱，教學內容上注重先進性、科學性，力求與工程實際相結合，借助多媒體視聽素材，集文字、聲音、圖片、動畫等信息于一體，進行圖文并茂、生動形象的課堂教育。如利用動畫技術，顯示各種機構的運動過程，讓學生在感性認識的基礎上加深對基本概念的理解，提高條理性分析問題的能力。開創新的教學模式，給學生營造一種立體的、全面的、動態的學習情境，使一些抽象的概念、理論變得直觀明了；使一些難以言傳的知識形象化，使學生對教學內容吸收得快，理解得深,激發他們學習的興趣和積極性，增強教學效果。
（2）注重實驗教學：《理論力學》實驗課是讓學生通過實驗掌握某種測試方法或研究某類具體工程結構的實驗方法。長期以來，對實驗課不夠重視。因此，開設緊密聯系科技新動態的力學實驗，是培養學生實際動手能力和綜合素質的重要手段之一。結合學科的具體情況實施再創造，對理論力學的靜力學、運動學及動力學三大部分分別安排相關的實驗，切實抓好學生實驗報告的完成質量，對于加強學生對理論知識的深入理解有很大的幫助，同時，對于他們的動手能力、創新能力及團隊協作能力的培養也非常重要。
通過理論教學與實驗操作相結合的教學模式，提高學生的綜合能力，培養學生運用課程知識分析和解決實際問題的能力。在這里，教師不再是傳統教學的“傳道授業解惑”角色，而是在引導、幫助學生了解解決問題的基本思路，鼓勵學生自己探究解決問題。
（3）研究型力學建模綜合實踐（3-4人團隊完成）：建模能力是cdio工程教育大綱中的重要內容。建立力學模型是用力學知識分析新的工程實際問題的第一步。基于理論力學課程的力學建模與分析從選題開始，然后進行考察、查閱資料、分析研究、到寫結題報告，此過程就是進行科學研究的過程。參加這樣的實踐不僅使學生對科學研究的全過程有了初步的感受和認識，還能培養學生研究分析問題的能力，提高學生電子文稿的表達與溝通能力。開展基于理論力學課程的建模與分析實踐教學活動，具體要求和內容如下：
1）從身邊的生活和工程實際問題中，提煉、抽象出一個力學模型，確定約束鏈接方式，并畫出力學模型的簡圖；
2）對力學模型進行受力分析，包括對主動力的簡化和約束力的分析計算；
3）對力學模型進行運動分析，確定自由度，建立坐標系等；
4）根據力學模型的受力情況和運動情況選擇動力學定理，建立動力學方程；
5）選定若干個參數進行分析；
6）有條件的可對分析的結果進行實驗測量分析；
7）完成并提交電子版的小論文。
通過學生主動實踐，發現問題，提出解決問題的方法，進行討論與交流，培養學生分析歸納、溝通與交流等方面的能力。通過上述訓練，引導學生在團隊協作的環境里,通過與人有效地溝通、交流,體驗合作開發產品/系統的“構想-設計-實施-操作”的全過程的學習,把“高智能型學生”轉化為“高創造型學生”,培養具備一定專業級別的知識、能力和素質協調發展的創新型工科畢業生,使他們具備在現代工程環境下賴以生存和成長的團隊協作精神、交流溝通能力和多學科、大系統掌控能力。
(4）評價方法的改革：學生學習《理論力學》的效果如何，傳統的檢查方法主要是基于期末考試學生的成績，這也從很大程度上影響了學生參與實踐學習的積極性，造成了學生平時不學習，臨考前搞突擊的學習態度，更無法保證與國際接軌的高層次、創新型人才的培養。要改變這種狀態，只有改革考核方法。把作業成績、實驗成績、小論文的成績作為課程最終成績的一部分， 作業成績（10%）、實驗成績（10%）、小論文的成績（20%）、考試成績（60%），這種考核機制可幫助提高作業、實驗及小論文的完成質量，充分調動學生學習的主動性和積極性，培養學生解決實際問題的能力及團隊協作能力。
（5）人文精神的熏陶：在理論力學教學中滲透物理學史料，既可以增加教學內容的親和力。又可以對學生進行人文教育。因為物理學史中充滿了唯物論與辯證法的思想，充滿了科學家們追求真理、獻身科學的事例與典范，體現了物理學家求實、求真、開拓創新精神，揭示了解決問題的途徑和方法。通過介紹牛頓、伽利略、開普勒、傅科、拉格朗日、達朗貝爾、哈密頓等科學家的研究歷程、研究方法、科學貢獻等史料，可以滲透物理知識和理論的產生、發展背景，把物理學家的創造過程展示給學生，能使學生獲得科學思想、科學精神、科學觀念和創新精神的熏陶和培養，避免學生對物理概念、規律的絕對化和模式化理解。樹立正確的科學價值觀。
同時，在基于cdio進行教學改革的同時，強調職業道德的重要性，注重職業道德與構思－設計－實現－運作進行有機結合、并在培養過程中注重人文精神的熏陶，從而使培養出的工程師具備優秀的職業道德。
4結束語
本文提出了基于cdio工程教育大綱的理論力學教學改革的思想，并就如何實現這一思想提出了具體的改革內容和方法，通過引入cdio工程教育大綱，推行研究型教學等先進教學模式，強調基礎教育應同與工程實際相結合，以培養工科大學生自主創新、溝通、協調及團隊合作的能力。
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