基于CDIO模式的材料力學(xué)實驗課程改革探索與實踐

1、基于CDIO模式的材料力學(xué)實驗課程改革探索與實踐【摘要】本文針對傳統(tǒng)教學(xué)模式下材料力學(xué)實驗課程難以適應(yīng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求的問題，開展基于CDIO模式的“材 料力學(xué)實驗”課程改革探索。將傳統(tǒng)材料力學(xué)實驗與虛擬仿真實驗相結(jié)合，融合可靠性設(shè)計理論、有限元二次開發(fā)技 術(shù)、軟件開發(fā)技術(shù)，幫助學(xué)生建立現(xiàn)代化工程分析方法的理論體系。豐富課程內(nèi)容，完善課程體系，重視學(xué)生理論學(xué) 習(xí)與實驗技能的培養(yǎng)，更好地發(fā)揮材料力學(xué)實驗課程的實訓(xùn)作用。通過對傳統(tǒng)實驗課程的教學(xué)模式的改革，以更好地 適應(yīng)新時代背景下國家對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。Abstract In view of the traditional teaching

2、 mode of material mechanics experiment curriculum is difficult to meet the needs of training innovative talents, this paper carries out the exploration of “material mechanics experiment curriculum reform based on CDIO mode. Combining traditional material mechanics experiment with virtual simulation

3、experiment, combining reliability design theory, secondary development technology of finite element and software development technology, helping students establish a theoretical system of modern engineering analysis method. Enriching the contents of curriculum, perfecting the curriculum system, payi

4、ng attention to cultivate students theoretical and experimental skills, and better play the practical role of material mechanics experiment curriculum. Through the reform the teaching mode of traditional experimental curriculum, better adapt to national requirement of cultivating innovative personne

5、l in the background of new era.【關(guān)鍵詞】CDIO模式；材料力學(xué)實驗；課程改革；虛擬仿真Keywords CDIO mode; material mechanics experiment; curriculum reform; virtual simulation、引言高等教育的創(chuàng)新是國家創(chuàng)新體系建設(shè)的原動力，重 視并發(fā)揮高校在國家創(chuàng)新體系建設(shè)中的作用，有助于國 家創(chuàng)新能力的提升。高校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的核心是課程 體系建設(shè)，課程環(huán)節(jié)的有效執(zhí)行關(guān)鍵是應(yīng)用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué) 模式。目前理工類專業(yè)課大多采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，但傳 統(tǒng)教學(xué)模式無論從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)效果上都 難以

6、完全適應(yīng)社會對工程科技人才的要求，難以全面提 高教學(xué)質(zhì)量。因此，在教學(xué)環(huán)節(jié)中，以創(chuàng)新型人才培養(yǎng) 為導(dǎo)向，研究探索一種促進大多數(shù)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、合作 學(xué)習(xí)、積極探索的教學(xué)模式尤為必要。材料力學(xué)實驗是材料力學(xué)課程的重要組成部分，是 理論形成和發(fā)展的基礎(chǔ)，也是解決工程實際問題的依據(jù)。 隨著我國實驗教學(xué)改革的不斷深入，材料力學(xué)實驗教學(xué) 的內(nèi)容與教學(xué)方式也應(yīng)不斷更新發(fā)展，以便能夠更好地 培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的創(chuàng)新型高質(zhì)量工程技術(shù)人 才。但目前國內(nèi)高校在材料力學(xué)實驗課程的教學(xué)方式和 內(nèi)容普遍缺乏創(chuàng)新和與時俱進，沒有吸納最新的科研成 果，在實驗過程中依然采用沿用幾十年的教學(xué)方法：課 堂中老師介紹實驗相關(guān)理

7、論和試驗機相關(guān)操作規(guī)程一 學(xué)生動手操作試驗機進行實驗一記錄實驗結(jié)果并撰寫 實驗報告。這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法難以適應(yīng)當(dāng)前國家對創(chuàng) 新型人才培養(yǎng)的需要，主要表現(xiàn)為以下幾個方面。教學(xué)設(shè)備臺套數(shù)量少，學(xué)生參與度底。在一些如 材料拉伸和扭轉(zhuǎn)破壞實驗中，由于學(xué)生人數(shù)過多，試驗 機數(shù)量有限，學(xué)生只能以分組為單位進行實驗，往往不 能人人親自操作。而且這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式，使得學(xué)生 產(chǎn)生依賴性，對在實驗過程中出現(xiàn)的其他實驗現(xiàn)象和數(shù) 據(jù)不記錄分析，更不會總結(jié)和提問。這樣就嚴(yán)重束縛了 學(xué)生的自主性，阻礙了學(xué)生大膽探索和勇于創(chuàng)新的能力。教學(xué)方式單一，教學(xué)效果不明顯。目前很多院校 的材料力學(xué)實驗教學(xué)采用“講演式”“演示式”及

8、“包辦式” 的固定教學(xué)模式，課堂上的一切教學(xué)活動都由老師主宰， 學(xué)生易產(chǎn)生依賴情緒，學(xué)生課前沒有預(yù)習(xí)，課堂上老師 直接為大家講解實驗內(nèi)容，然后按照實驗步驟依次操作 演示，導(dǎo)致只有少部分學(xué)生能在老師的引導(dǎo)下仔細(xì)觀察 實驗現(xiàn)象，大部分學(xué)生只是按部就班完成實驗，降低了 學(xué)生對實驗課程的學(xué)習(xí)熱情，阻礙了對學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能 力的培養(yǎng)，導(dǎo)致教學(xué)效果不明顯。沒有充分利用現(xiàn)代化工程方法和教學(xué)資源。在實 驗教學(xué)過程中，實驗內(nèi)容和實驗步驟等老師可直接講解， 但實驗試件在各個階段形狀變化的情況和失效過程分析 只能通過在黑板上畫圖給學(xué)生講解，整個教學(xué)過程沒有 充分利用現(xiàn)代化教輔工具，例如PPT課件、教學(xué)視頻、 虛擬仿真

9、方法等。且教學(xué)內(nèi)容陳舊，沒有充分引入現(xiàn)代 化的工程設(shè)計理論和方法。考核方式過于簡單形式化。由于材料力學(xué)實驗課 程是材料力學(xué)理論課程的支撐課，一般不進行閉卷考試， 成績分為報告成績和實驗過程成績兩部分。教師在授課 過程中，很多時候無暇顧及學(xué)生的課堂表現(xiàn)，演示結(jié)束 之后，通常只有12名學(xué)生有機會在老師的指導(dǎo)下親自體 驗實驗過程，得出實驗結(jié)論，其他同學(xué)為了完成實驗報 告往往相互抄襲，結(jié)果大多數(shù)學(xué)生數(shù)據(jù)雷同，過程考核 難以落實，無法對每個學(xué)生對知識的掌握程度做到客觀、 公正的評價?；诂F(xiàn)有的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容上的不足，為了更 好地發(fā)揮材料力學(xué)實驗課程的實訓(xùn)作用，以材料力學(xué)實 驗為例，通過開展多學(xué)科交叉

10、融合教學(xué)模式研究，將傳 統(tǒng)材料力學(xué)實驗與虛擬仿真實驗相結(jié)合，并在教學(xué)過程 中融合可靠性設(shè)計理論、有限元二次開發(fā)技術(shù)、軟件開 發(fā)技術(shù)等，最大限度地發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)造潛能，幫助學(xué)生自 主學(xué)習(xí)、獨立思考，激發(fā)學(xué)生的探索精神，培養(yǎng)學(xué)生的 科學(xué)精神和創(chuàng)新思維，提升學(xué)生分析問題和解決問題的 能力。通過對傳統(tǒng)實驗課程的教學(xué)模式進行改革，以更 好地適應(yīng)新時期創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。二、CDIO工程教育模式下的多學(xué)科融合的教學(xué)模式 探索與實踐CDIO，即構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實 現(xiàn)（Implement）和運行（Operate），它包含工程活動的 整個生命周期，強調(diào)工程活動來源于實際的工程環(huán)境，

11、 提倡學(xué)生將理論與實踐相結(jié)合的工程人才培養(yǎng)模式。 CDIO模式由美國麻省理工學(xué)院（MIT）為主導(dǎo)，聯(lián)合 瑞典的皇家技術(shù)學(xué)院（Royal Institute of Technology）、 林雪平大學(xué)（Linkopin University）和查爾姆斯工業(yè)大學(xué) （Chalmers University of Technology）于 2000 年提出，經(jīng) 過專家學(xué)者多年的不斷完善，被認(rèn)為是如今國際工程教 育改革中十分成功的典范。本研究借鑒CDIO工程教育 模式的思路開展多學(xué)科融合的教學(xué)模式探索與實踐，按 照CDIO工程教育模式的思路將材料力學(xué)實驗課程的整體 內(nèi)容分為如圖1所示的四個部分。材料力學(xué)

12、實驗?zāi)康摹⒂邢拊浖治鲈韺嶒炘砼c方法/實驗設(shè)備與儀器實驗數(shù)據(jù)分析/材料力 學(xué)實驗/有限元靜強度分析及強度校核有限元軟件二次開發(fā) 參數(shù)化建模與仿真分勘r廠Visual Basic語言 軟件開發(fā)的基本流知軟件功能及實現(xiàn)方法軟件平 臺開發(fā)可靠性設(shè)計/.不確定的數(shù)學(xué)描述/ 可靠性分析原理與方法可靠性方法編程圖1基于CDIO工程教育模式的材料力學(xué)實驗研究內(nèi)容及研究思路圖1中四個部分之間是以對事物認(rèn)識逐層遞進的， 也是沿著CDIO中的基本原理，構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運 行的基本原則，逐步讓學(xué)生認(rèn)識到現(xiàn)代化工程設(shè)計方法 的基本原理和思路，從而構(gòu)建完整的知識體系，并熟悉 必要的工程設(shè)計方法和分析工具。針對上

13、述四個部分分 別進行闡述。1.材料力學(xué)實驗：第一部分屬于傳統(tǒng)材料力學(xué)實驗 課程的內(nèi)容，以材料力學(xué)中的拉壓、剪、扭、彎四種基 本變形為主線，按照傳統(tǒng)材料力學(xué)性能測試實驗和原理 驗證性實驗的特點，介紹相關(guān)實驗原理和方法。教師除 了采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法在課堂上進行相關(guān)實驗內(nèi)容的講 解外，在該軟件平臺上還嵌入材料力學(xué)實驗課程的PPT 用于介紹實驗課程的理論部分及實驗步驟和實驗原理， 嵌入視頻資料用于完整演示實驗整個操作過程和實驗機 使用方法。學(xué)生可通過軟件平臺，隨時觀看實驗相關(guān)理 論及實驗設(shè)備操作方法，這對于幫助學(xué)生加深的實驗過 程的理解和熟悉設(shè)備操作方法，課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)相 關(guān)知識都起到極大的促進作

14、用。有限元仿真：第二部分屬于有限元仿真部分，有 限元分析（FEA, Finite Element Analysis）是利用數(shù)學(xué)近 似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。 有限元數(shù)值模擬技術(shù)是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計周期、 提高產(chǎn)品競爭力的一項有效手段。所以，隨著計算機技 術(shù)和計算方法的發(fā)展，有限元法在工程設(shè)計和科研領(lǐng)域 得到了越來越廣泛的重視和應(yīng)用，一些大型商業(yè)有限元 分析軟件（如ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等）已經(jīng) 成為解決復(fù)雜工程分析計算問題的有效途徑，從汽車到 航天飛機幾乎所有的設(shè)計制造都已離不開有限元分析計 算，其在航空航天、船舶、汽車、機械制造和科學(xué)研究 等各個

15、領(lǐng)域都得到了廣泛使用。因此在第二部分，主要 介紹有限元仿真分析的特點及發(fā)展現(xiàn)狀，借助ABAQUS 有限元分析軟件，以圓棒拉壓、扭轉(zhuǎn)的仿真分析，介紹 有限元建模及分析方法基本過程，介紹有限元參數(shù)化建 模的思路、有限元二次開發(fā)技術(shù)的原理與方法，這對于 拓展學(xué)生的學(xué)術(shù)視野和加深材料失效過程分析都具有重 要意義。可靠性設(shè)計：可靠性設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計作為現(xiàn)代的 設(shè)計方法，在機械工程中得到了廣泛應(yīng)用，并日益受到 工程界的重視?？煽啃栽O(shè)計將機械產(chǎn)品的基本設(shè)計參數(shù)， 如應(yīng)力、強度以及尺寸等作為隨機變量，應(yīng)用概率論和 數(shù)理統(tǒng)計方法，在一定條件下和一定時間內(nèi)機械產(chǎn)品不 發(fā)生失效的概率進行強度和剛度設(shè)計。與傳統(tǒng)的機械設(shè)

16、 計方法相比，它較為真實地反映了載荷和強度的實際情 況，是機械設(shè)計理論的進步。因此，在第三部分介紹材 料力學(xué)中靜強度理論的局限性，介紹可靠性設(shè)計理論的 提出背景、研究現(xiàn)狀與分析方法。給學(xué)生介紹現(xiàn)代化的 結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和可靠性設(shè)計的發(fā)展趨勢與前景。通過可 靠性分析方法原理和可靠性設(shè)計流程的介紹，給學(xué)生呈 現(xiàn)現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)設(shè)計流程和技術(shù)方案。軟件平臺開發(fā)。第四部分基于Visual Basic語言， 介紹軟件平臺開發(fā)的特點和軟件開發(fā)的基本步驟和相關(guān) 方法，演示軟件運行界面操作過程。該軟件提供了工程 結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的現(xiàn)代化工程設(shè)計方法的基本原理和思路。 以圓棒、壓縮、扭轉(zhuǎn)等學(xué)生熟悉的實驗內(nèi)容開展有限元 仿真方

17、法和可靠性理論的講解，可以加深學(xué)生的現(xiàn)代化 工程設(shè)計方法的理論體系，并形成軟件開發(fā)過程的完整 思路。三、采用CDIO工程教育模式下的多學(xué)科融合的教 學(xué)模式的優(yōu)勢材料力學(xué)實驗課程是一門理論性較強、緊密聯(lián)系實 際工程實踐的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科。教師必須擁有較深的工程 應(yīng)用背景，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)盡量與工程實際相結(jié)合，這樣既 能達到教學(xué)的目的，又能增加實驗課程的趣味性與實用 性。特別是在2020年初疫情防控期間，由于學(xué)生無法返校, 通過相關(guān)試驗設(shè)備開展材料力學(xué)實驗無法實施，在教育 部“聽課不停學(xué)”的原則指引下，針對材料力學(xué)實驗課程, 如何在學(xué)生無法進行現(xiàn)場實驗的情況下，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí) 興趣，督促學(xué)生充分掌握實驗課程的

18、相關(guān)內(nèi)容，并拓展 學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，讓學(xué)生了解現(xiàn)代工程設(shè)計方法，是每 一位材料力學(xué)實驗課程老師都需要面臨的問題。虛擬仿 真軟件平臺很好地解決了這一問題。該軟件發(fā)給學(xué)生后， 每個學(xué)生通過軟件平臺上的PPT和相關(guān)實驗視頻，了解 和掌握實驗課程的相關(guān)內(nèi)容，可以更加靈活安排時間預(yù) 習(xí)和復(fù)習(xí)。在線教學(xué)時，通過直播授課的方式將材料力 學(xué)實驗課程基礎(chǔ)原理及操作流程進行講解，讓學(xué)生根據(jù) 自己的時間靈活安排虛擬仿真實驗，自主安排學(xué)習(xí)內(nèi)容， 可有效提高授課質(zhì)量，在網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué) 生學(xué)會發(fā)散思維，培養(yǎng)其創(chuàng)新創(chuàng)造能力，讓學(xué)生在實驗 中自主發(fā)現(xiàn)問題與解決問題。通過該課程四個部分內(nèi)容的設(shè)置，使力學(xué)相關(guān)專業(yè) 的學(xué)生系統(tǒng)掌握現(xiàn)代工程問題的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運 作的完整生命周期，使得其所學(xué)知識能有的放矢地解決 工程實際問題。西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)的材料力學(xué)實驗有限 元仿真分析軟件平臺，如圖2所示。等多個學(xué)科。選取典型研究對象，通過高效的教學(xué)設(shè)計 和合理的教學(xué)模式，利用較少的學(xué)時向同學(xué)介紹現(xiàn)代化 工程設(shè)計方法的基本原理