基于CDIO模式的材料力學實驗課程改革探索與實踐

1、基于CDIO模式的材料力學實驗課程改革探索與實踐【摘要】本文針對傳統(tǒng)教學模式下材料力學實驗課程難以適應創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求的問題，開展基于CDIO模式的“材 料力學實驗”課程改革探索。將傳統(tǒng)材料力學實驗與虛擬仿真實驗相結合，融合可靠性設計理論、有限元二次開發(fā)技 術、軟件開發(fā)技術，幫助學生建立現(xiàn)代化工程分析方法的理論體系。豐富課程內容，完善課程體系，重視學生理論學 習與實驗技能的培養(yǎng)，更好地發(fā)揮材料力學實驗課程的實訓作用。通過對傳統(tǒng)實驗課程的教學模式的改革，以更好地 適應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.【關鍵詞】CDIO模式；材料力學實驗；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)新體系建設的原動力，重 視并發(fā)揮高校在國家創(chuàng)新體系建設中的作用，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，課程環(huán)節(jié)的有效執(zhí)行關鍵是應用恰當?shù)慕虒W 模式。目前理工類專業(yè)課大多采用傳統(tǒng)教學模式，但傳 統(tǒng)教學模式無論從教學內容、教學方法、教學效果上都 難以

6、完全適應社會對工程科技人才的要求，難以全面提 高教學質量。因此，在教學環(huán)節(jié)中，以創(chuàng)新型人才培養(yǎng) 為導向，研究探索一種促進大多數(shù)學生主動學習、合作 學習、積極探索的教學模式尤為必要。材料力學實驗是材料力學課程的重要組成部分，是 理論形成和發(fā)展的基礎，也是解決工程實際問題的依據(jù)。 隨著我國實驗教學改革的不斷深入，材料力學實驗教學 的內容與教學方式也應不斷更新發(fā)展，以便能夠更好地 培養(yǎng)適應經濟社會發(fā)展需要的創(chuàng)新型高質量工程技術人 才。但目前國內高校在材料力學實驗課程的教學方式和 內容普遍缺乏創(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方法：課 堂中老師介紹實驗相關理

7、論和試驗機相關操作規(guī)程一 學生動手操作試驗機進行實驗一記錄實驗結果并撰寫 實驗報告。這種傳統(tǒng)的教學方法難以適應當前國家對創(chuàng) 新型人才培養(yǎng)的需要，主要表現(xiàn)為以下幾個方面。教學設備臺套數(shù)量少，學生參與度底。在一些如 材料拉伸和扭轉破壞實驗中，由于學生人數(shù)過多，試驗 機數(shù)量有限，學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)的教學方式，使得學生 產生依賴性，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，更不會總結和提問。這樣就嚴重束縛了 學生的自主性，阻礙了學生大膽探索和勇于創(chuàng)新的能力。教學方式單一，教學效果不明顯。目前很多院校 的材料力學實驗教學采用“講演式”“演示式”及

8、“包辦式” 的固定教學模式，課堂上的一切教學活動都由老師主宰， 學生易產生依賴情緒，學生課前沒有預習，課堂上老師 直接為大家講解實驗內容，然后按照實驗步驟依次操作 演示，導致只有少部分學生能在老師的引導下仔細觀察 實驗現(xiàn)象，大部分學生只是按部就班完成實驗，降低了 學生對實驗課程的學習熱情，阻礙了對學生創(chuàng)新創(chuàng)造能 力的培養(yǎng)，導致教學效果不明顯。沒有充分利用現(xiàn)代化工程方法和教學資源。在實 驗教學過程中，實驗內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生講解，整個教學過程沒有 充分利用現(xiàn)代化教輔工具，例如PPT課件、教學視頻、 虛擬仿真

9、方法等。且教學內容陳舊，沒有充分引入現(xiàn)代 化的工程設計理論和方法?？己朔绞竭^于簡單形式化。由于材料力學實驗課 程是材料力學理論課程的支撐課，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生的課堂表現(xiàn)，演示結束 之后，通常只有12名學生有機會在老師的指導下親自體 驗實驗過程，得出實驗結論，其他同學為了完成實驗報 告往往相互抄襲，結果大多數(shù)學生數(shù)據(jù)雷同，過程考核 難以落實，無法對每個學生對知識的掌握程度做到客觀、 公正的評價?；诂F(xiàn)有的教學方法和教學內容上的不足，為了更 好地發(fā)揮材料力學實驗課程的實訓作用，以材料力學實 驗為例，通過開展多學科交叉

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

11、 提倡學生將理論與實踐相結合的工程人才培養(yǎng)模式。 CDIO模式由美國麻省理工學院（MIT）為主導，聯(lián)合 瑞典的皇家技術學院（Royal Institute of Technology）、 林雪平大學（Linkopin University）和查爾姆斯工業(yè)大學 （Chalmers University of Technology）于 2000 年提出，經 過專家學者多年的不斷完善，被認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科融合的教學模式探索與實踐，按 照CDIO工程教育模式的思路將材料力學實驗課程的整體 內容分為如圖1所示的四個部分。材料力學

12、實驗目的、有限元軟件分析原理實驗原理與方法/實驗設備與儀器實驗數(shù)據(jù)分析/材料力 學實驗/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)可靠性設計/.不確定的數(shù)學描述/ 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實驗研究內容及研究思路圖1中四個部分之間是以對事物認識逐層遞進的， 也是沿著CDIO中的基本原理，構思-設計-實現(xiàn)-運 行的基本原則，逐步讓學生認識到現(xiàn)代化工程設計方法 的基本原理和思路，從而構建完整的知識體系，并熟悉 必要的工程設計方法和分析工具。針對上

13、述四個部分分 別進行闡述。1.材料力學實驗：第一部分屬于傳統(tǒng)材料力學實驗 課程的內容，以材料力學中的拉壓、剪、扭、彎四種基 本變形為主線，按照傳統(tǒng)材料力學性能測試實驗和原理 驗證性實驗的特點，介紹相關實驗原理和方法。教師除 了采用傳統(tǒng)的教學方法在課堂上進行相關實驗內容的講 解外，在該軟件平臺上還嵌入材料力學實驗課程的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。學生可通過軟件平臺，隨時觀看實驗相關理 論及實驗設備操作方法，這對于幫助學生加深的實驗過 程的理解和熟悉設備操作方法，課前預習和課后復習相 關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)值模擬技術是提升產品質量、縮短設計周期、 提高產品競爭力的一項有效手段。所以，隨著計算機技 術和計算方法的發(fā)展，有限元法在工程設計和科研領域 得到了越來越廣泛的重視和應用，一些大型商業(yè)有限元 分析軟件（如ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等）已經 成為解決復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、機械制造和科學研究 等各個

15、領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)技術的原理與方法，這對于 拓展學生的學術視野和加深材料失效過程分析都具有重 要意義?？煽啃栽O計：可靠性設計和優(yōu)化設計作為現(xiàn)代的 設計方法，在機械工程中得到了廣泛應用，并日益受到 工程界的重視。可靠性設計將機械產品的基本設計參數(shù)， 如應力、強度以及尺寸等作為隨機變量，應用概率論和 數(shù)理統(tǒng)計方法，在一定條件下和一定時間內機械產品不 發(fā)生失效的概率進行強度和剛度設計。與傳統(tǒng)的機械設

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，是機械設計理論的進步。因此，在第三部分介紹材 料力學中靜強度理論的局限性，介紹可靠性設計理論的 提出背景、研究現(xiàn)狀與分析方法。給學生介紹現(xiàn)代化的 結構設計理論和可靠性設計的發(fā)展趨勢與前景。通過可 靠性分析方法原理和可靠性設計流程的介紹，給學生呈 現(xiàn)現(xiàn)代化結構設計流程和技術方案。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 方法，演示軟件運行界面操作過程。該軟件提供了工程 結構強度設計的現(xiàn)代化工程設計方法的基本原理和思路。 以圓棒、壓縮、扭轉等學生熟悉的實驗內容開展有限元 仿真方

17、法和可靠性理論的講解，可以加深學生的現(xiàn)代化 工程設計方法的理論體系，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科融合的教 學模式的優(yōu)勢材料力學實驗課程是一門理論性較強、緊密聯(lián)系實 際工程實踐的技術基礎學科。教師必須擁有較深的工程 應用背景，教學內容應盡量與工程實際相結合，這樣既 能達到教學的目的，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，由于學生無法返校, 通過相關試驗設備開展材料力學實驗無法實施，在教育 部“聽課不停學”的原則指引下，針對材料力學實驗課程, 如何在學生無法進行現(xiàn)場實驗的情況下，激發(fā)學生學習 興趣，督促學生充分掌握實驗課程的

18、相關內容，并拓展 學生的學術視野，讓學生了解現(xiàn)代工程設計方法，是每 一位材料力學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)給學生后， 每個學生通過軟件平臺上的PPT和相關實驗視頻，了解 和掌握實驗課程的相關內容，可以更加靈活安排時間預 習和復習。在線教學時，通過直播授課的方式將材料力 學實驗課程基礎原理及操作流程進行講解，讓學生根據(jù) 自己的時間靈活安排虛擬仿真實驗，自主安排學習內容， 可有效提高授課質量，在網絡實驗教學過程中，引導學 生學會發(fā)散思維，培養(yǎng)其創(chuàng)新創(chuàng)造能力，讓學生在實驗 中自主發(fā)現(xiàn)問題與解決問題。通過該課程四個部分內容的設置，使力學相關專業(yè) 的學生系統(tǒng)掌握現(xiàn)代工程問題的構思、設計、實施和運 作的完整生命周期，使得其所學知識能有的放矢地解決 工程實際問題。西北工業(yè)大學開發(fā)的材料力學實驗有限 元仿真分析軟件平臺，如圖2所示。等多個學科。選取典型研究對象，通過高效的教學設計 和合理的教學模式，利用較少的學時向同學介紹現(xiàn)代化 工程設計方法的基本原理