基于CDIO模式的材料力学实践教学研究与探索1)

周双喜 韩 震 黄 强

(华东交通大学土木建筑学院，南昌330013)

基于CDIO模式的材料力学实践教学研究与探索1)

周双喜2)韩 震 黄 强

(华东交通大学土木建筑学院，南昌330013)

为解决当前国内对培养 “创新--应用”型人才的高等教育要求同滞后的材料力学实验教学条件、方法间的矛盾，通过引进国际先进的“CDIO”工程教育理念，依托土木工程专业特色，对材料力学实验教学模式进行了创新改革.“电阻应变片的接桥方法”实验的具体实践表明该模式能够有力地提高学生自主学习能力、动手实践能力和创新创造能力，具有很强的可操作性，对促进国内高校 “创新 — 应用”型人才培养具有重要意义.

材料力学实验,教学改革,CDIO模式,自主学习

当前，我国正处于由工程大国走向工程强国的攻坚时期，对具备科技创新和实践应用能力的 “创新–应用”型人才需求日益迫切,“一带一路”的推进和 “八纵八横”的建设更是加大了我国工程技术人才的缺口.根据人社部就业司所公布的2017年第一季度人力资源统计数据显示，与2016年相比,建筑业和制造业对新型技术人才的需求增长率分别为27%和 38.3%[1].在高校工科背景学生的培养过程中，材料力学实验教学对提高学生的动手能力、团队协作精神、问题处理能力具有巨大的作用，其质量直接关系到我国新型技术人才的培育.而今我国高校材料力学实验教学现状却不容乐观，存在较多与培养要求不协调的问题，迫切需要进行深入改革.近年来各高校对材料力学实验教学内容和方法等进行了深入的探索.吴新如等[2]在材料力学实验课程中加入更多内容,并与学生互动,清楚阐述课程内容的同时多方面培养学生的科学研究素养.吴艾辉[3]将同伴教学法引入材料力学的教学课程中，提高了学生上课的兴趣，尤其是独立思考的积极性.此法的有效前提是需要学生课前花费大量时间进行预习工作，对学生自我控制能力有较高要求.柴维斯等[4]建立了“引导--设计--实验--掌握”的新教学模式，激发了学生的实验兴趣，进一步提高了教学质量;但是这种新的教学模式加大了理论薄弱学生的实验完成难度，一定程度上限制了其推广发展.刘小蛮等[5]认为材料力学实验的教学不应仅仅让学生“会做”，还要 “会用”和 “会意”，引导学生培养严谨的思维方式和发明创造的意识.遗憾的是目前还未形成一整套完善的实施方法.

鉴于此，华东交通大学土木工程实验教学中心(以下简称“中心”)以参评国家实验教学示范中心为契机,引进国际先进“CDIO”工程教育理念，对材料力学实验教学模式积极探索，取得了良好的教学效果.

1 传统材料力学实验教学的局限

材料力学(mechanics of materials)是一门研究材料的应变、应力、强度、刚度、稳定性等问题的课程，是高等工科院校土木类等专业的技术基础课，是学生将所学基础理论联系具体专业知识的重要过渡，直接影响后续结构力学、桥梁工程等专业课的学习[67].而材料力学实验教学具有直观、实践性强等特点，有助于增强学生独立思考和科研能力，是材料力学教学重要延伸补充，而当前材料力学实验教学面临的问题是：

(1)实验内容单一，与工程实际脱节.目前国内高校材料力学实验内容多是杆件的拉压、扭转、弯曲正应力测定等单元性、基础性、验证性实验，在实验过程中，学生只需按照老师的演示或指导书上实验步骤操作，便可得到实验数据，完成实验报告.

(2)师资力量薄弱，实验设备老旧.高校的扩招给材料力学实验教学带来了巨大压力.学生只能以分组的形式进行实验，多人共同完成一个实验，有时甚至一个组10多个人.

(3)实验课时较少，重视程度不高.在重视学生综合素质发展和“厚基础、宽口径、强能力、重特色”的人才培养目标的“指挥棒”下，材料力学课时被不断地压缩，实验课时更是被压缩至6～8个课时，有时还被理论课占用，在如此实验条件和短时间下根本无法达到预定的教学目标.

2 材料力学实验“CDIO”工程理念教学模式构建思路

“CDIO”即为构思 (conceive)、设计 (design)、实现(implement)和运作(operate)的缩写.该教育理念由麻省理工学院等四家单位研究创立,是现今国际上新起的先进培养理念，其实现是以项目为载体,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，以培养其工程专业知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力[89].材料力学实验教学引进“CDIO”工程教育理念，能够克服当前存在的重理论、轻实践、教学课时短、实验内容与工程实际脱节等问题，提高学生积极性，有利于学生创新意识和综合素质的发展.

“CDIO”工程教学理念要求学生将实验以项目的形式按照构思、设计、实现和运作四个阶段完成，充分发挥学生自主学习的积极性和教师的导学作用，由 “要我学”转变为 “我要学”，保证学生做到“三会”，即会做、会用、会意，增强学生建模能力，提高学生的工程专业素质和综合素质[5].中心以建立“学科基础实验平台+学科专业实验平台+科技创新实践平台”的教学体系，在教学、科研和社会服务上提供优质的服务为总目标，从教学内容、教学条件、教学方法等方面对当下教学模式进行梳理改革，确保该教育理念的落地.

2.1 推陈出新，设计多层次、创新型实验内容

首先，在满足基本要求的基础上，力求减少单元性、验证性实验，增加电阻应变片的粘贴、电阻应变片的接桥等设计性实验，新型材料(如塑料、有色金属、复合材料)的弹性模量、泊松比测试等拓展性实验以及“钢--砼”组合结构设计探究等创新性实验，避免了实验步骤和结果千篇一律，有利于激发学生的创造思维和解决问题的能力.其次，结合土木工程专业特色，将工程背景引入实验，如杆件的拉伸、压缩实验，引入桁架桥工程结构，此举不仅可以使晦涩难懂的概念形象化，加深学生学习印象，形成深刻的记忆，促进教学效率的提高，也有利于增强学生工程意识，将理论与实际进行结合，激发学习兴趣，树立起成为一名卓越工程师的自信心.最后，鼓励学有余力且有志于在本专业继续深造的同学，参加老师科研活动及 “周培源大学生力学竞赛”“挑战杯”等科技创新赛事，以科研和赛事活动为载体，结合学院导师制的实施，以研促学，以赛促学，帮助学生学有所用，开阔视野，掌握最前沿的专业发展动态！

2.2 外引内造，构建现代化、开放式实验平台

随着我国工业化进程的持续推进，许多新型结构材料被投入使用，新型材料力学性质如何，需要我们进行材料力学实验测试，而材料力学实验的物质条件是实验设备，实验设备是材料力学实验开展的基石，是撬动材料力学实验的杠杆，因此材料力学实验设备必须“与时俱进”.硬件方面，面对材料力学设备不足和资金紧张问题，中心一方面购买引进了如微机控制电子式扭转试验机、冲击试验机、高频疲劳试验机等先进设备；另一方面，自主研发了DZST-3C型材料力学多功能试验台和HD-16A型静态电阻应变仪，前者可进行切变模量的测定、复合梁的实验以及根据需要可扩充三铰拱、应力集中、T形梁和工字钢弯曲正应力实验等共17个实验项目，且转换简单，占地面积小，目前实验室共有该组合实验台40座，可以同时容纳一个班同学实验.HD-16A型静态电阻应变仪为测力仪和应变仪二合一的组合产品，具有16个通道，可以同时对16个测点同时进行测试，在综合性、设计性实验中使用极其方便，在配合多媒体教学的情况下，学生可独立完成实验操作，不需要老师示范教学，减轻了老师的负担.目前上述两个设备已经推广至20多家高等院校，受到一致好评.软件方面，中心以国家实验教学示范中心评审指标体系为标准，努力将中心建设成为现代化的材料力学科学实验中心.面对课时压缩问题，实验室实行开放式管理，实验时间不再局限于课堂，学生可自行协调实验时间，并通过实验预约系统预约实验.

2.3 标新立异，搭建网络型、自主化教学体系

针对传统材料力学实验教学模式重理论，轻实践、学生积极性和动手能力不足等问题，实验中心紧紧围绕学生为主、教师为辅的教学主旨，从教学手段、教学方法和考核指标三个方面探索创新，搭建起网络型、自主化教学体系.在教学手段上，充分利用当前的多媒体技术传播信息量大、展示直观的特点.多媒体的加入，提高了课堂的效率，缓解了课时和师资不足的问题，且多媒体展示直观生动，有利于丰富教学过程，活跃课堂氛围，提高教学质量.此外，中心还引入MOOC(大规模开放式网络课程)，增加学习渠道，提高学生自学能力，为课堂减负.在教学方法上，采取启发式教学，学生围绕项目进行构思、设计，对存在的问题通过资料检索和观看网络视频等手段寻找解决方案.老师就方案进行指导，学生的主体作用贯穿始终，此举不光调动学生学习积极性，还培养了其解决问题的能力.针对重理论、轻实践的问题，中心将实验纳入考核体系，实验成绩占学科期末成绩的30%～50%，而考核的指标主要是“CDIO”理念所要求实验设计的新颖性、完成度以及后续实验项目成果展示综合表现等，以加强材料力学在课程中的地位，培养创新能力强、专业基础实、综合素质高的人才.

3 基于CDIO模式的“电阻应变片的接桥方法”教学设计与实践

以电阻应变片的接桥方法实验为例，介绍基于“CDIO”工程理念的材料力学实验模式.电阻应变片的接桥方法实验主要研究电阻应变片与被测构件、被测点的相互关系，即何种不同位置、不同方向的应变片的组合连接，以同时测量此组应变的相互关系的方式，达到解出不同的终极力学量的目的.此实验的测量手段和方法较多，采取不同的方法所得的实验结果和精度不一样，可以很好地锻炼学生的发散思维和实验能力.实验时间设定为一周，其中实验操作3个课时，以小组的形式完成，每组2∼3名成员.实验完成后学生需提交相关的实验设计报告、实验分析报告，以及实验的总结,最后各组组员在课堂上以 PPT的形式对整个实验的完成情况及得失进行报告，锻炼表达能力和团队协作能力.

3.1 构思阶段

学生在接到教师布置的实验任务后，首先，通过资料检索或者MOOC等方式查找包括测试原理、测试方法等实验知识;然后，选定实验测试方法，在分析报告上列出实验所需的技术支持等;最后,征求指导老师意见，老师检查实验的科学正确性，并结合现有条件提出指导意见.比如，若选定的应变测量方式为光学装置测量，而实验室没有该实验设备，学生需要改用电阻应变仪测量.方案初步拟定后，进行实验的具体设计.

3.2 设计阶段

学生需要在设计报告上对实验的步骤进行详细而科学的设计，并注释出设备支持、计算理论等.如该实验若是以等强度梁进行设计，则至少需要等强度梁实验装置一套;若是以弯扭变形设计则需要弯扭变形装置.另外，电阻应变片采用半桥外补偿、半桥自补偿和全桥自补偿的连接方式所计算的方法也不一样，这些都需要认真区别.

3.3 实现阶段

在等强度梁实验中，我们分别采用半桥外补偿、半桥自补偿和全桥自补偿的接桥方法，实验过程如下：

(1)应变片的粘贴流程如图1.

图1 应变片粘贴流程图

(2)半桥及全桥的接桥方法.

等强度梁为一端固定，另一端自由的变截面悬臂梁，其任何界面上的正应力均相等，该装置受力情况及应变片粘贴方位如图2.

图2 等强度梁实验装置的受力简图及应变片粘贴方位

当在悬臂砝码盘上加上砝码后，等强度梁的上表面的应变片RA和RB产生的应变值为εbe+εt,下表面的应变片和产生的应变值为εt，其中 εbe,εt分别代表弯曲导致的线应变、温度引起的线应变.图中RCO是补偿片电阻.

其基本原理是：电阻应变片组合构成的电阻电路符合一般电路规则，其应变仪读数与测量桥路所测应变存在下列关系：εr=εAB−εBC+εCD−εDA,由此可知，若将应变值各个独立、互不相关的4个测点的电阻应变片分别接入测量桥路的4个桥臂，则电阻应变仪的读数只是这四个测点应变值的和差结果，无法从中分离出任一点的应变值，因此，往往采用半桥零补偿接法分别测量各点应变值，但若某些测点之间有确定的关系，就可以利用电桥的加减特性，将他们组成适当的电路，一方面可以提高测量精度；另一方面还可以将组合变形进行分解，消除某些不需要测出的应变，而测取单一基本变形时的相应的应变.此处我们采用以下方法：

(1)半桥外补偿(如图3)

εf为仪器固定电阻的应变.

图3 半桥外补偿

(2)半桥自补偿(如图4)

图4 半桥自补偿

(3)全桥自补偿(如图5)

图5 全桥自补偿

可见，接法(2)将弯曲应变放大2倍显示，接法(3)则将弯曲应变放大至 4倍显示，提高了测量精度.可见采用不同的接线方法，所得的实验精度也不同，此外该实验也能在弯扭组合变形的受力状态下进行，灵活性较大，极大地激发了学生的创新思维.

3.4 运作阶段

实验操作完成后，学生对实验数据进行分析处理，撰写总结报告，并比较各个方式的优劣，总结得失，将实验的感悟、体会和取得的成就制作为PPT,在验收课上进行答辩.

调查发现，该模式确实能够提高同学的动手积极性、解决问题的能力和口头表达能力，之前上台就紧张说不出话的同学，现在变得更加自信、沉稳.

4 实践教学实施效果

我校土建学院材料力学实验教学体系满足行业需要，培养了学生的创新意识和团队协作精神，提高了学生的动手实践能力、创新能力和工程能力，拓展了学生的综合素质.实践证明，将 “CDIO”工程培养理念引进材料力学实验教学，能够改善以往材料力学教学存在的问题，较大程度上提高材料力学的教学质量.中心自实施该举措以来，在参评国家实验教学示范中心中，从全国120个参评的实验教学中心中脱颖而出被评为国家级教学示范中心，这是我校首次获得实验教学建设项目.此外，在全国各类力学竞赛中，共有29人次获省级及以上殊荣，创我院历史之最.

5 结语

将“CDIO”工程培养理念应用到材料力学实验教学中，能够有效地解决当前高校实验教学普遍存在的矛盾，改变我国以往的重理论、偏离实际的问题，激发了学生参加课外科技创新活动和学科竞赛的兴趣，增强了学生创新创业的积极性，提高了我校土木工程专业学生的实践创新能力，有利于培养“创新--应用”型人才，同时，也为类似课程群的实践教学改革起到示范和辐射作用.

1中华人民共和国人力资源和社会保障部.2017年第一季度部分城市公共就业服务机构市场供求状况分析.2017-05-10

2吴新如,王习术.激发大学生材料力学实验动手与分析的能动性.力学与实践,2006,28(6):81-83

3吴艾辉.同伴教学法在基础力学教学的应用.力学与实践,2016,38(6):673-675

4柴维斯,谢灵.高等院校材料力学实验教学新模式.力学与实践,2008,30(5):101-102

5刘小蛮,杜国君.材料力学实验教学思考 –– 会做、会用、会意.力学与实践,2013,35(4):74-77

6李建华，乔箭，陈亮亮.材料力学实验“互动式”教学模式探索.实验技术与管理,2013，30(12)：181-183

7孙峙华.基于CDIO理念的应用型本科《材料力学》课程教学改革初探.武汉商学院学报,2016，30(5):94-96

8王硕旺，洪成文．CDIO：美国麻省理工学院工程教育的经典模式––基于对CDIO课程大纲的解读．理工高教研究，2009，(4)：39-44

9金丹青.基于CDIO模式的卓越专业大学物理实验的教改实践.浙江工商职业技术学院学报，2015，14(4)：71-75

G642.0

A

10.6052/1000-0879-17-173

2017–05–25收到第1稿，2017–07–20 收到修改稿.

1)国家自然科学基金(51662008)和江西省高等学校教学改革研究重点项目(JX-JG-16-5-3)资助.

2)周双喜，副教授，主要研究方向为材料力学及土木工程材料.E-mail：green.55@163.com

周双喜,韩震,黄强.基于CDIO模式的材料力学实践教学研究与探索.力学与实践,2017,39(6):623-627

Zhou Shuangxi,Han Zhen,Huang Qiang.The teaching reform and practice of experimental of material mechanics based on CDIO pattern.Mechanics in Engineering,2017,39(6):623-627

(责任编辑:周冬冬)