基于CDIO工程教育大綱的理論力學(xué)教學(xué)改革論文
【摘要】在工程師的培養(yǎng)和職業(yè)發(fā)展面臨國際化挑戰(zhàn)的大環(huán)境下，深入貫徹教育部、財(cái)政部實(shí)施本科教學(xué)質(zhì)量工程的精神，全面推行基于cdio工程教育大綱的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式改革，并將其運(yùn)用于實(shí)際的《理論力學(xué)》教學(xué)，從而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決實(shí)際問題的能力，切實(shí)提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量和水平。本文提出了《理論力學(xué)》課程教學(xué)改革的目標(biāo)及課程改革的基本思路和方法。
【關(guān)鍵詞】cdio工程教育大綱； 理論力學(xué)； 教學(xué)改革
1引言
面對經(jīng)濟(jì)全球化和知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，工程師的培養(yǎng)和職業(yè)發(fā)展面臨國際化的挑戰(zhàn)。我國現(xiàn)行的工程教育模式與現(xiàn)代工業(yè)實(shí)踐對高級工程人才的要求不相適應(yīng),其存在的問題主要有以下幾點(diǎn):一是重理論輕實(shí)踐。學(xué)科教育與工業(yè)實(shí)踐脫節(jié)是我國當(dāng)前高等教育面臨的一個(gè)重大問題,有報(bào)告顯示,我國2005 年畢業(yè)的約60 萬工程類畢業(yè)生中不足10%的人能適應(yīng)國際化公司的工作,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因之一在于我國當(dāng)前的工程教育重理論輕實(shí)踐,學(xué)生接受到項(xiàng)目和團(tuán)隊(duì)工作的實(shí)際訓(xùn)練較少。二是專業(yè)設(shè)置口徑窄。長期以來,專業(yè)的定向型培養(yǎng)體制及學(xué)生重授課輕自學(xué)的思想造成了學(xué)生的知識(shí)面窄,專業(yè)口徑狹窄使得學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、自主性和創(chuàng)造性難以得到充分的發(fā)揮,培養(yǎng)出來的學(xué)生缺乏很強(qiáng)的適應(yīng)性和競爭力。三是工程教育缺乏系統(tǒng)規(guī)劃。因此，我國高等工科教育的迫切任務(wù)是盡快培養(yǎng)與國際接軌的中國工程師，應(yīng)按照國際工程教育大綱改革現(xiàn)有的人才培養(yǎng)模式，逐步解決目前工程教育中存在的重課程輕實(shí)踐、強(qiáng)調(diào)個(gè)人學(xué)術(shù)能力而忽視團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、重視知識(shí)學(xué)習(xí)而輕視創(chuàng)新能力培養(yǎng)等問題，滿足全球化經(jīng)濟(jì)環(huán)境下對創(chuàng)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(xué)院連同瑞典三所頂尖工業(yè)大學(xué)共同倡導(dǎo),集多國工程教育精英耗資數(shù)百萬美元所建立的一整套工程教育理念和實(shí)施體系,這種模式注重培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實(shí)的工程基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí),在此基礎(chǔ)上通過貫穿于整個(gè)人才培養(yǎng)過程的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練,培養(yǎng)既有過硬的專業(yè)技能,又有良好的職業(yè)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(xué)院等前沿的工程大學(xué)得到了很好的檢驗(yàn)和應(yīng)用[2-3]。國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)都表明cdio“做中學(xué)”的理念和方法是先進(jìn)可行的，適合工科教育教學(xué)過程各個(gè)環(huán)節(jié)的改革。
《理論力學(xué)》研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律，是高等院校工科專業(yè)的一門核心技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，是與工程實(shí)際緊密聯(lián)系的課程。教學(xué)內(nèi)容是以伽利略和牛頓總結(jié)的基本定律為基礎(chǔ)，系統(tǒng)介紹靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)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(xué)的范疇。不僅為《材料力學(xué)》、《機(jī)械原理》、《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《彈性力學(xué)》、《塑性力學(xué)》等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，更在于培養(yǎng)學(xué)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(xué)改革和教學(xué)研究引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。為了培養(yǎng)與國際接軌的創(chuàng)新型人才，我們引入cdio工程教育大綱，并據(jù)此進(jìn)行理論力學(xué)的教學(xué)改革與實(shí)踐。
2將cdio工程教育大綱應(yīng)用于理論力學(xué)教學(xué)改革
cdio代表構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）、實(shí)現(xiàn)（implement）和運(yùn)作（operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、 實(shí)踐的、 課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。cdio培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、 個(gè)人能力、 人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面,大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。
就理論力學(xué)課程本身而言，具有一些對激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)創(chuàng)新人才不利的因素。其一，理論力學(xué)的發(fā)展歷史悠久，傳統(tǒng)性知識(shí)所占比例極大，內(nèi)容大多幾代沿襲，知識(shí)陳舊，力學(xué)模型過于抽象，工程背景不夠明顯，和學(xué)生普遍覺得它枯燥、乏味，又難以掌握。其二，受傳統(tǒng)觀念的束縛和影響，與其它基礎(chǔ)課程一樣，無論是教材還是教學(xué)內(nèi)容，都重理論，輕應(yīng)用。其三，理論力學(xué)的一般研究方法多為演繹法，反映在教材和教學(xué)中均是從已知的基本公理或定律出發(fā)，進(jìn)行理論分析，導(dǎo)出一些定理和推論，由此來對力學(xué)問題做出預(yù)示[8-10]。這樣，學(xué)生在課程中很少接觸歸納法和發(fā)散性思維的訓(xùn)練，這對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)極為不利。理論力學(xué)課程的教學(xué)創(chuàng)新迫在眉睫。
改革目標(biāo)是通過注重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)工程技術(shù)能力，尤其是項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施能力，以及較強(qiáng)的自學(xué)能力、組織溝通能力和協(xié)調(diào)能力，吸收世界先進(jìn)的工程教育理念，建立符合國際工程教育共識(shí)的課程體系。培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生具有：較強(qiáng)的項(xiàng)目開發(fā)、設(shè)計(jì)和建造的能力；較強(qiáng)的創(chuàng)新能力；較強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)精神和領(lǐng)導(dǎo)能力；較強(qiáng)的溝通能力；較強(qiáng)的、英語語言表達(dá)能力。
3理論力學(xué)教學(xué)改革的主要內(nèi)容
主要包括以下幾個(gè)方面：
�。�1）革新教學(xué)手段，提高教學(xué)質(zhì)量：依據(jù)cdio教學(xué)大綱，教學(xué)內(nèi)容上注重先進(jìn)性、科學(xué)性，力求與工程實(shí)際相結(jié)合，借助多媒體視聽素材，集文字、聲音、圖片、動(dòng)畫等信息于一體，進(jìn)行圖文并茂、生動(dòng)形象的課堂教育。如利用動(dòng)畫技術(shù)，顯示各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，讓學(xué)生在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)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(chuàng)新的教學(xué)模式，給學(xué)生營造一種立體的、全面的、動(dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)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(shí)形象化，使學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容吸收得快，理解得深,激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣和積極性，增強(qiáng)教學(xué)效果。
（2）注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)：《理論力學(xué)》實(shí)驗(yàn)課是讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)掌握某種測試方法或研究某類具體工程結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方法。長期以來，對實(shí)驗(yàn)課不夠重視。因此，開設(shè)緊密聯(lián)系科技新動(dòng)態(tài)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)的重要手段之一。結(jié)合學(xué)科的具體情況實(shí)施再創(chuàng)造，對理論力學(xué)的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)三大部分分別安排相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，切實(shí)抓好學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成質(zhì)量，對于加強(qiáng)學(xué)生對理論知識(shí)的深入理解有很大的幫助，同時(shí)，對于他們的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)也非常重要。
通過理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合的教學(xué)模式，提高學(xué)生的綜合能力，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用課程知識(shí)分析和解決實(shí)際問題的能力。在這里，教師不再是傳統(tǒng)教學(xué)的“傳道授業(yè)解惑”角色，而是在引導(dǎo)、幫助學(xué)生了解解決問題的基本思路，鼓勵(lì)學(xué)生自己探究解決問題。
�。�3）研究型力學(xué)建模綜合實(shí)踐（3-4人團(tuán)隊(duì)完成）：建模能力是cdio工程教育大綱中的重要內(nèi)容。建立力學(xué)模型是用力學(xué)知識(shí)分析新的工程實(shí)際問題的第一步。基于理論力學(xué)課程的力學(xué)建模與分析從選題開始，然后進(jìn)行考察、查閱資料、分析研究、到寫結(jié)題報(bào)告，此過程就是進(jìn)行科學(xué)研究的過程。參加這樣的實(shí)踐不僅使學(xué)生對科學(xué)研究的全過程有了初步的感受和認(rèn)識(shí)，還能培養(yǎng)學(xué)生研究分析問題的能力，提高學(xué)生電子文稿的表達(dá)與溝通能力。開展基于理論力學(xué)課程的建模與分析實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，具體要求和內(nèi)容如下：
1）從身邊的生活和工程實(shí)際問題中，提煉、抽象出一個(gè)力學(xué)模型，確定約束鏈接方式，并畫出力學(xué)模型的簡圖；
2）對力學(xué)模型進(jìn)行受力分析，包括對主動(dòng)力的簡化和約束力的分析計(jì)算；
3）對力學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，確定自由度，建立坐標(biāo)系等；
4）根據(jù)力學(xué)模型的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況選擇動(dòng)力學(xué)定理，建立動(dòng)力學(xué)方程；
5）選定若干個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析；
6）有條件的可對分析的結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量分析；
7）完成并提交電子版的小論文。
通過學(xué)生主動(dòng)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)問題，提出解決問題的方法，進(jìn)行討論與交流，培養(yǎng)學(xué)生分析歸納、溝通與交流等方面的能力。通過上述訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)協(xié)作的'環(huán)境里,通過與人有效地溝通、交流,體驗(yàn)合作開發(fā)產(chǎn)品/系統(tǒng)的“構(gòu)想-設(shè)計(jì)-實(shí)施-操作”的全過程的學(xué)習(xí),把“高智能型學(xué)生”轉(zhuǎn)化為“高創(chuàng)造型學(xué)生”,培養(yǎng)具備一定專業(yè)級別的知識(shí)、能力和素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的創(chuàng)新型工科畢業(yè)生,使他們具備在現(xiàn)代工程環(huán)境下賴以生存和成長的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、交流溝通能力和多學(xué)科、大系統(tǒng)掌控能力。
(4）評價(jià)方法的改革：學(xué)生學(xué)習(xí)《理論力學(xué)》的效果如何，傳統(tǒng)的檢查方法主要是基于期末考試學(xué)生的成績，這也從很大程度上影響了學(xué)生參與實(shí)踐學(xué)習(xí)的積極性，造成了學(xué)生平時(shí)不學(xué)習(xí)，臨考前搞突擊的學(xué)習(xí)態(tài)度，更無法保證與國際接軌的高層次、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。要改變這種狀態(tài)，只有改革考核方法。把作業(yè)成績、實(shí)驗(yàn)成績、小論文的成績作為課程最終成績的一部分， 作業(yè)成績（10%）、實(shí)驗(yàn)成績（10%）、小論文的成績（20%）、考試成績（60%），這種考核機(jī)制可幫助提高作業(yè)、實(shí)驗(yàn)及小論文的完成質(zhì)量，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。
�。�5）人文精神的熏陶：在理論力學(xué)教學(xué)中滲透物理學(xué)史料，既可以增加教學(xué)內(nèi)容的親和力。又可以對學(xué)生進(jìn)行人文教育。因?yàn)槲锢韺W(xué)史中充滿了唯物論與辯證法的思想，充滿了科學(xué)家們追求真理、獻(xiàn)身科學(xué)的事例與典范，體現(xiàn)了物理學(xué)家求實(shí)、求真、開拓創(chuàng)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(dá)朗貝爾、哈密頓等科學(xué)家的研究歷程、研究方法、科學(xué)貢獻(xiàn)等史料，可以滲透物理知識(shí)和理論的產(chǎn)生、發(fā)展背景，把物理學(xué)家的創(chuàng)造過程展示給學(xué)生，能使學(xué)生獲得科學(xué)思想、科學(xué)精神、科學(xué)觀念和創(chuàng)新精神的熏陶和培養(yǎng)，避免學(xué)生對物理概念、規(guī)律的絕對化和模式化理解。樹立正確的科學(xué)價(jià)值觀。
同時(shí)，在基于cdio進(jìn)行教學(xué)改革的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)職業(yè)道德的重要性，注重職業(yè)道德與構(gòu)思－設(shè)計(jì)－實(shí)現(xiàn)－運(yùn)作進(jìn)行有機(jī)結(jié)合、并在培養(yǎng)過程中注重人文精神的熏陶，從而使培養(yǎng)出的工程師具備優(yōu)秀的職業(yè)道德。
4結(jié)束語
本文提出了基于cdio工程教育大綱的理論力學(xué)教學(xué)改革的思想，并就如何實(shí)現(xiàn)這一思想提出了具體的改革內(nèi)容和方法，通過引入cdio工程教育大綱，推行研究型教學(xué)等先進(jìn)教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)教育應(yīng)同與工程實(shí)際相結(jié)合，以培養(yǎng)工科大學(xué)生自主創(chuàng)新、溝通、協(xié)調(diào)及團(tuán)隊(duì)合作的能力。
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