基于结构设计竞赛的应用型本科院校土木类专业力学课程体系的CDIO教学改革实践

封焱杰，付旭，刘晓立，张友恒，白俊峰，卢嘉轩，于金贝，游业刚，刘思尧

一 前言

自2005年起由浙江大学倡导的全国大学生结构设计竞赛至今已举办12届，逐渐形成了土木类专业全国 性知名学科竞赛，并取得了丰硕的成果。结构设计竞赛从选型、制作、计算、答辩到加载多环节考察参赛选手的能力水平，赛题也越来越趋近实际工况，该赛事不仅可以为应用型本科院校搭建工程实践能力训练平台，还可 以培养大学生的创新精神、团队协作意识等工程师基本素养，是提高应用型本科人才培养质量重要手段之一[1-3]。

近年来，由麻省理工学院所倡导建立的CDIO工程教育模式为全面、系统地培养适应时代需求的应用型本科工程人才提供了一套可行的理念、方法论和操作指 南[4]。CDIO代表构思、设计、实施、操作，将其核心理念应用到土木类专业可以理解为以工程项目开发到工程项目运营的全生命周期为载体，以项目为驱动，以学生为中心，构建实践与理论知识有机结合的方式来培养学生解决复杂工程问题的能力。目前，CDIO工程教育理念在国际范围内已逐步得到推广，也引起了我国众多高校的积极响应[5]。

结构设计竞赛整个流程与CDIO工程教育模式相吻合。将结构设计竞赛与CDIO工程教育理念相结合，不仅能够促进学生对工程项目全生命周期内所涉及的专业知识的学习，更能够做到创新与实践能力的培养。

二 课程改革背景

随着时代与科学的快速发展，我国目前的土木类专业教育模式已出现了严重的弊端，已不能满足现代工业和社会生活的需要。首先，对于人才的培养模式单一化，制约了人才的全面发展；其次，现有的实践教学环节比较薄弱，这与土木类专业实践性强的特点恰恰相反；最后，土木类专业缺乏对探索性与创新性人才的培养。

2008年，汕头大学首次将一门独立的工程伦理课纳入到了本科课程教育体系来解决中国工程伦理教育的稀缺问题。课程内容选择了与当代问题相对应的三个主题：工程师的社会责任、知识产权和工程安全标准。案例教学和小组讨论等一系列流行的教学方法应用于伦理教学。

丹麦理工大学自2008年起开始实施CDIO工程教育改革。在制定的CDIO教育手册中，明确了大学生在毕业时应掌握的职业所需要的技能。在遵循CDIO标准的过程中，不同的项目记录了教育过程中的连贯性与进步，包括学生的实习。学生分组制作产品的方式对于培养工程师团队协作意识来说非常的重要，同时也让学生们学到了很多课堂知识[6]。

鉴于目前土木类专业教育模式所存在的不足和国内外大学CDIO教育模式的实施情况，2017年起我院将大学生结构设计竞赛纳入到了土木类专业的CDIO教学改革中，希望可以培养出具备解决复杂工程问题能力的优秀应用型本科人才。

三 教改实施路径与内容

我院的土木类专业力学课程CDIO教学改革基本思路为：遵循土木类专业实践性比较强的学科特点，秉承兼顾知识的覆盖面与创新意识的培养及帮助学生形成工程概念的原则，将结构设计竞赛逐步融于大学课堂，减少复杂的理论讲述，将应用型的内容作为教学重点，加强实践性教学环节，提高动手制作能力，培养创新意识。

对于应用型本科院校土木类专业，力学课程属于基础学科内容，并与专业课紧密结合在一起贯穿于整个大学期间。随着力学知识体系学习的一步步深入，将力学课程分为三级，每一级别课程对应相应难度的实践项目加以训练，将结构设计竞赛备战全过程融入到力学课程教学中。力学课程体系CDIO教学改革实施路径如图1所示。

图1 力学课程体系CDIO教改实施路径图

（一）三级项目实施内容

三级项目属于最基本的项目，对应的是土木类专业最基础的力学课程即理论力学。该课程要求学生具有将工程问题抽象为理论力学模型并采用静力学、运动学或动力学理论进行分析与计算的能力。在该环节中，教师通过向学生展示历届比赛的获奖作品，从力学角度对不同的荷载形式和多种结构形式进行讲解。然后，采用头脑风暴的模式，让学生提出他们设计结构模型的新想法，使学生了解要解决的问题与已有的知识的联系，同时了解学生在学习中的困惑与难题，并运用探究式学习方式进行新知识的学习与运用。 如图2为课堂展示用渡槽支撑结构和图3为课堂展示用大跨度屋盖结构均已应用于桁架结构的教学中。不仅激发了学生的学习兴趣，而且使学生深入认识工程对象中静力学、运动学、动力学相关问题的解决过程与方法。

图2 课堂展示用渡槽支撑结构

图3 课堂展示用大跨度屋盖结构

（二）二级项目实施内容

二级项目属于中等复杂程度项目，对应于材料力学和结构力学Ⅰ课程。由于这两门课程主要学习杆件和杆件系统的内力、应力、变形、强度、刚度、稳定性等知识，因此实践性与理论性均较强。在三级项目感性认识及基础理论学习的基础上，学生已经对结构的基本形式和原理有了一定的了解，在此阶段教师可以将学生分为若干学习小组进行分组讨论，并采用课上所学的新知识和查阅资料相结合的方式在课下对新型结构进行构思与制作。所制作的结构模型不宜过于复杂，但是要有一定的有益价值，教师需要留给学生充分的思索空间，仅参与方案论证和在复杂问题上提供指导。该级项目贯穿于整个第二学年上学期。学生在该项目实施过程中掌握结构设计的流程和问题解决的方法，培养学生系统思维能力[7]。

（三）一级项目实施内容

一级项目是最复杂的项目，也是与结构设计竞赛结合最紧密的项目。该项目对应结构力学Ⅱ课程，并在课下在本院建立的创新实践工作坊内实施。该项目是在三级和二级项目训练的基础上，开始有针对性设计和制作结构设计竞赛题目所要求的结构模型。一级项目制作过程包括：结构构思（已在三级项目中进行过训练）、构型设计（已在二级项目中进行过训练）、模型制作（需在创新实践工作坊内制作，已在二级项目中进行过基础训练）和结构优化（需要自学数值模拟软件，对已设计好的结构进行三维模拟分析）。在该级项目实施过程中，学生根据所学的理论知识，重新认知复杂工程问题和复杂系统，并获得分析、解决和设计的能力，最终通过行动达成复杂问题的解决和系统实现。

本院近年来通过上述CDIO教学改革实施计划所制作的实物模型如图4所示。整个过程不仅使学生由简到繁，由单一到综合，达到将工程推理、解决问题、团队协作、交流能力和专业知识进行有机融合，融汇贯通和掌握本专业核心知识的目的。

图4 学生制作的结构模型

（四）考核方法

为了衡量在CDIO工程教育改革中学生们的学习效果，需要对学生的学习成绩进行评估。本院从笔试、创新想法、课堂讨论、产品审查、学习过程五个评估指标来对学生的学习效果进行评价。设评估指标集合为U={u1（笔试），u2（创新想法），u3（课堂讨论），u4（作品审查），u5（学习过程）}，相应的指标权重A=[a1, a2, a3, a4, a5]，各权重ai满足a1+a2+a3+a4+a5=1, ai≥0, i=1, 2, 3, 4, 5。

式中，ui表示第i项指标得分值，u表示学生的综合得分。

综合以上的计算结果，为了更加直观地显示一个学生五大指标的达成程度，引入蛛网模型图来对学生进行整体分析，如图5所示。圆心至圆上各点成递增趋势，其中圆心处I=0，圆上I=1。且每个指标在红色区域内为不及格，表明学生在这一方面的能力未达到要求，需加强练习。在青色区域为优秀，越接近圆最外侧表明学生在这一方面有潜在的能力。

图5 蛛网评估图

四 改革效果

（一）调研方案

根据CDIO大纲所确定的工程师能力要求设计了调查问卷，主要调研了学生的知识与技能的掌握程度。问卷采用评分形式，分值为1～5，分别对应{非常差、很差、一般、很好、非常满意}五个标准。

本次调查主要针对学生在CDIO模式实施过程中知识与技能的掌握程度，同时也要包含认可教师的观点，因此本次的调查对象包括在校学生与教师。在校生选择大三学生，考虑到学生经历丰富，懂得就业所需要的技能与知识。共计收到有效问卷104份，涉及90名大三学生和14名教师。

（二）问卷分析

本文采用Microsoft office excel 2007对学生的调查问卷进行数据处理，通过饼图的形式显示学生知识与技能的掌握程度，如图6所示。

图6 学生知识与技能的掌握程度

通过调查问卷所得到的结果来分析，大多数人在CDIO教学模式下掌握了基本知识与技能，仅有少数人掌握不好。以此为依据，结合老师与学生的反馈意见，分析得出学生的不适应与教学模式的不完善导致学生对知识与技能的掌握程度不够。因此优化CDIO教学模式，让更多的学生通过CDIO教学模式学到更多的知识与技能是目前最要紧的事。这样不仅提高学生的学习能力，而且对学生的全面发展也有很大的帮助。

五 结语

目前，越来越多的高校采用CDIO工程教育理念来指导工科专业的教学改革，也取得了许多富有成效的成果。基于大学生结构设计竞赛对力学课程体系进行“项目制”设计，符合当代土木类专业本科人才的培养方略。将CDIO工程教育理念应用于土木类专业本科教学中，不仅改变了重理论、偏实际的问题，也激发了学生参加课外科技创新活动和学科竞赛的兴趣，提高了我院土木类专业学生的实践创新能力，后续工作将在调研的基础上对CDIO教育模式进一步优化改善。