基于CDIO模式的材料力学实验课程改革探索与实践

1、基于CDIO模式的材料力学实验课程改革探索与实践【摘要】本文针对传统教学模式下材料力学实验课程难以适应创新型人才培养需求的问题，开展基于CDIO模式的“材 料力学实验”课程改革探索。将传统材料力学实验与虚拟仿真实验相结合，融合可靠性设计理论、有限元二次开发技 术、软件开发技术，帮助学生建立现代化工程分析方法的理论体系。丰富课程内容，完善课程体系，重视学生理论学 习与实验技能的培养，更好地发挥材料力学实验课程的实训作用。通过对传统实验课程的教学模式的改革，以更好地 适应新时代背景下国家对创新型人才培养的要求。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.【关键词】CDIO模式；材料力学实验；课程改革；虚拟仿真Keywords CDIO mode; material mechanics experiment; curriculum reform; virtual simulation、引言高等教育的创新是国家创新体系建设的原动力，重 视并发挥高校在国家创新体系建设中的作用，有助于国 家创新能力的提升。高校培养创新型人才的核心是课程 体系建设，课程环节的有效执行关键是应用恰当的教学 模式。目前理工类专业课大多采用传统教学模式，但传 统教学模式无论从教学内容、教学方法、教学效果上都 难以

6、完全适应社会对工程科技人才的要求，难以全面提 高教学质量。因此，在教学环节中，以创新型人才培养 为导向，研究探索一种促进大多数学生主动学习、合作 学习、积极探索的教学模式尤为必要。材料力学实验是材料力学课程的重要组成部分，是 理论形成和发展的基础，也是解决工程实际问题的依据。 随着我国实验教学改革的不断深入，材料力学实验教学 的内容与教学方式也应不断更新发展，以便能够更好地 培养适应经济社会发展需要的创新型高质量工程技术人 才。但目前国内高校在材料力学实验课程的教学方式和 内容普遍缺乏创新和与时俱进，没有吸纳最新的科研成 果，在实验过程中依然采用沿用几十年的教学方法：课 堂中老师介绍实验相关理

7、论和试验机相关操作规程一 学生动手操作试验机进行实验一记录实验结果并撰写 实验报告。这种传统的教学方法难以适应当前国家对创 新型人才培养的需要，主要表现为以下几个方面。教学设备台套数量少，学生参与度底。在一些如 材料拉伸和扭转破坏实验中，由于学生人数过多，试验 机数量有限，学生只能以分组为单位进行实验，往往不 能人人亲自操作。而且这种传统的教学方式，使得学生 产生依赖性，对在实验过程中出现的其他实验现象和数 据不记录分析，更不会总结和提问。这样就严重束缚了 学生的自主性，阻碍了学生大胆探索和勇于创新的能力。教学方式单一，教学效果不明显。目前很多院校 的材料力学实验教学采用“讲演式”“演示式”及

8、“包办式” 的固定教学模式，课堂上的一切教学活动都由老师主宰， 学生易产生依赖情绪，学生课前没有预习，课堂上老师 直接为大家讲解实验内容，然后按照实验步骤依次操作 演示，导致只有少部分学生能在老师的引导下仔细观察 实验现象，大部分学生只是按部就班完成实验，降低了 学生对实验课程的学习热情，阻碍了对学生创新创造能 力的培养，导致教学效果不明显。没有充分利用现代化工程方法和教学资源。在实 验教学过程中，实验内容和实验步骤等老师可直接讲解， 但实验试件在各个阶段形状变化的情况和失效过程分析 只能通过在黑板上画图给学生讲解，整个教学过程没有 充分利用现代化教辅工具，例如PPT课件、教学视频、 虚拟仿真

9、方法等。且教学内容陈旧，没有充分引入现代 化的工程设计理论和方法。考核方式过于简单形式化。由于材料力学实验课 程是材料力学理论课程的支撑课，一般不进行闭卷考试， 成绩分为报告成绩和实验过程成绩两部分。教师在授课 过程中，很多时候无暇顾及学生的课堂表现，演示结束 之后，通常只有12名学生有机会在老师的指导下亲自体 验实验过程，得出实验结论，其他同学为了完成实验报 告往往相互抄袭，结果大多数学生数据雷同，过程考核 难以落实，无法对每个学生对知识的掌握程度做到客观、 公正的评价。基于现有的教学方法和教学内容上的不足，为了更 好地发挥材料力学实验课程的实训作用，以材料力学实 验为例，通过开展多学科交叉

10、融合教学模式研究，将传 统材料力学实验与虚拟仿真实验相结合，并在教学过程 中融合可靠性设计理论、有限元二次开发技术、软件开 发技术等，最大限度地发挥学生创造潜能，帮助学生自 主学习、独立思考，激发学生的探索精神，培养学生的 科学精神和创新思维，提升学生分析问题和解决问题的 能力。通过对传统实验课程的教学模式进行改革，以更 好地适应新时期创新型人才培养的要求。二、CDIO工程教育模式下的多学科融合的教学模式 探索与实践CDIO，即构思（Conceive）、设计（Design）、实 现（Implement）和运行（Operate），它包含工程活动的 整个生命周期，强调工程活动来源于实际的工程环境，

11、 提倡学生将理论与实践相结合的工程人才培养模式。 CDIO模式由美国麻省理工学院（MIT）为主导，联合 瑞典的皇家技术学院（Royal Institute of Technology）、 林雪平大学（Linkopin University）和查尔姆斯工业大学 （Chalmers University of Technology）于 2000 年提出，经 过专家学者多年的不断完善，被认为是如今国际工程教 育改革中十分成功的典范。本研究借鉴CDIO工程教育 模式的思路开展多学科融合的教学模式探索与实践，按 照CDIO工程教育模式的思路将材料力学实验课程的整体 内容分为如图1所示的四个部分。材料力学

12、实验目的、有限元软件分析原理实验原理与方法/实验设备与仪器实验数据分析/材料力 学实验/有限元静强度分析及强度校核有限元软件二次开发 参数化建模与仿真分勘r厂Visual Basic语言 软件开发的基本流知软件功能及实现方法软件平 台开发可靠性设计/.不确定的数学描述/ 可靠性分析原理与方法可靠性方法编程图1基于CDIO工程教育模式的材料力学实验研究内容及研究思路图1中四个部分之间是以对事物认识逐层递进的， 也是沿着CDIO中的基本原理，构思-设计-实现-运 行的基本原则，逐步让学生认识到现代化工程设计方法 的基本原理和思路，从而构建完整的知识体系，并熟悉 必要的工程设计方法和分析工具。针对上

13、述四个部分分 别进行阐述。1.材料力学实验：第一部分属于传统材料力学实验 课程的内容，以材料力学中的拉压、剪、扭、弯四种基 本变形为主线，按照传统材料力学性能测试实验和原理 验证性实验的特点，介绍相关实验原理和方法。教师除 了采用传统的教学方法在课堂上进行相关实验内容的讲 解外，在该软件平台上还嵌入材料力学实验课程的PPT 用于介绍实验课程的理论部分及实验步骤和实验原理， 嵌入视频资料用于完整演示实验整个操作过程和实验机 使用方法。学生可通过软件平台，随时观看实验相关理 论及实验设备操作方法，这对于帮助学生加深的实验过 程的理解和熟悉设备操作方法，课前预习和课后复习相 关知识都起到极大的促进作

14、用。有限元仿真：第二部分属于有限元仿真部分，有 限元分析（FEA, Finite Element Analysis）是利用数学近 似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。 有限元数值模拟技术是提升产品质量、缩短设计周期、 提高产品竞争力的一项有效手段。所以，随着计算机技 术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域 得到了越来越广泛的重视和应用，一些大型商业有限元 分析软件（如ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等）已经 成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到 航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计 算，其在航空航天、船舶、汽车、机械制造和科学研究 等各个

15、领域都得到了广泛使用。因此在第二部分，主要 介绍有限元仿真分析的特点及发展现状，借助ABAQUS 有限元分析软件，以圆棒拉压、扭转的仿真分析，介绍 有限元建模及分析方法基本过程，介绍有限元参数化建 模的思路、有限元二次开发技术的原理与方法，这对于 拓展学生的学术视野和加深材料失效过程分析都具有重 要意义。可靠性设计：可靠性设计和优化设计作为现代的 设计方法，在机械工程中得到了广泛应用，并日益受到 工程界的重视。可靠性设计将机械产品的基本设计参数， 如应力、强度以及尺寸等作为随机变量，应用概率论和 数理统计方法，在一定条件下和一定时间内机械产品不 发生失效的概率进行强度和刚度设计。与传统的机械设

16、 计方法相比，它较为真实地反映了载荷和强度的实际情 况，是机械设计理论的进步。因此，在第三部分介绍材 料力学中静强度理论的局限性，介绍可靠性设计理论的 提出背景、研究现状与分析方法。给学生介绍现代化的 结构设计理论和可靠性设计的发展趋势与前景。通过可 靠性分析方法原理和可靠性设计流程的介绍，给学生呈 现现代化结构设计流程和技术方案。软件平台开发。第四部分基于Visual Basic语言， 介绍软件平台开发的特点和软件开发的基本步骤和相关 方法，演示软件运行界面操作过程。该软件提供了工程 结构强度设计的现代化工程设计方法的基本原理和思路。 以圆棒、压缩、扭转等学生熟悉的实验内容开展有限元 仿真方

17、法和可靠性理论的讲解，可以加深学生的现代化 工程设计方法的理论体系，并形成软件开发过程的完整 思路。三、采用CDIO工程教育模式下的多学科融合的教 学模式的优势材料力学实验课程是一门理论性较强、紧密联系实 际工程实践的技术基础学科。教师必须拥有较深的工程 应用背景，教学内容应尽量与工程实际相结合，这样既 能达到教学的目的，又能增加实验课程的趣味性与实用 性。特别是在2020年初疫情防控期间，由于学生无法返校, 通过相关试验设备开展材料力学实验无法实施，在教育 部“听课不停学”的原则指引下，针对材料力学实验课程, 如何在学生无法进行现场实验的情况下，激发学生学习 兴趣，督促学生充分掌握实验课程的

18、相关内容，并拓展 学生的学术视野，让学生了解现代工程设计方法，是每 一位材料力学实验课程老师都需要面临的问题。虚拟仿 真软件平台很好地解决了这一问题。该软件发给学生后， 每个学生通过软件平台上的PPT和相关实验视频，了解 和掌握实验课程的相关内容，可以更加灵活安排时间预 习和复习。在线教学时，通过直播授课的方式将材料力 学实验课程基础原理及操作流程进行讲解，让学生根据 自己的时间灵活安排虚拟仿真实验，自主安排学习内容， 可有效提高授课质量，在网络实验教学过程中，引导学 生学会发散思维，培养其创新创造能力，让学生在实验 中自主发现问题与解决问题。通过该课程四个部分内容的设置，使力学相关专业 的学生系统掌握现代工程问题的构思、设计、实施和运 作的完整生命周期，使得其所学知识能有的放矢地解决 工程实际问题。西北工业大学开发的材料力学实验有限 元仿真分析软件平台，如图2所示。等多个学科。选取典型研究对象，通过高效的教学设计 和合理的教学模式，利用较少的学时向同学介绍现代化 工程设计方法的基本原理