基于CDIO理念的新機(jī)械制圖教學(xué)模式研究

王偉冰 張東梅 李玉菊 高 偉（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春，130022）

如何培養(yǎng)具有一定專(zhuān)業(yè)級(jí)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)代化工程環(huán)境下賴(lài)以生存和成長(zhǎng)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，已成為我國(guó)高等工程教育的改革熱點(diǎn)，更是時(shí)代賦予高等院校的歷史重任。眾多國(guó)外學(xué)者也紛紛展開(kāi)相關(guān)的研究，研究表明盡管今天的工科畢業(yè)生具有技術(shù)能力，但在發(fā)揮工程師作用前，通常需要12年的培訓(xùn)。在交流能力上都存在共同的弱點(diǎn)，包括圖表交流、團(tuán)隊(duì)合作能力和設(shè)計(jì)技能。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的工程技術(shù)人才培養(yǎng)也存在一定的問(wèn)題。畢業(yè)生缺乏對(duì)現(xiàn)代工程所必須具備的相關(guān)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)知識(shí)的了解，缺乏參與現(xiàn)代工程的決策、協(xié)作、交流和掌控能力。因此，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、交流溝通能力是高等工程教育亟待解決的問(wèn)題。

一、傳統(tǒng)的機(jī)械制圖教學(xué)模式

圖1 傳統(tǒng)機(jī)械制圖教學(xué)模式

傳統(tǒng)的機(jī)械制圖教學(xué)模式由三部分組成，如圖1所示。工程圖學(xué)基礎(chǔ)部分主要學(xué)習(xí)正投影理論，培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力、分析能力及圖解空間幾何問(wèn)題的能力。專(zhuān)業(yè)繪圖基礎(chǔ)部分學(xué)習(xí)目的在于培養(yǎng)學(xué)生具有繪制和閱讀機(jī)械圖樣的能力。實(shí)踐教學(xué)側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生徒手繪圖、尺規(guī)繪圖和利用 AUTOCAD軟件繪制二維圖樣。在教學(xué)方法和手段上，充分利用多媒體課件、模型和黑板教學(xué)相結(jié)合?；旧蠈?shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)方式，理論課和基本技能訓(xùn)練交互進(jìn)行，做到了講練結(jié)合。

二、基于CDIO理念的新機(jī)械制圖教學(xué)

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate），即“構(gòu)想—設(shè)計(jì)—實(shí)施—操作”。這四個(gè)過(guò)程來(lái)源于產(chǎn)品/系統(tǒng)的生命周期過(guò)程，涵蓋了絕大多數(shù)的工程師必要的專(zhuān)業(yè)活動(dòng)?；贑DIO理念，美國(guó)麻省理工學(xué)院、瑞典查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典林克平大學(xué)、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院四所工程大學(xué)發(fā)起，全球23所大學(xué)參與，合作開(kāi)發(fā)了一個(gè)國(guó)際工程教育合作項(xiàng)目，建立了一種新型的工程教育模式。CDIO教學(xué)大綱的內(nèi)容可以概述為培養(yǎng)工程師的工程，明確了工程師的培養(yǎng)目標(biāo)是為人類(lèi)生活的美好而制造出更多方便于大眾的產(chǎn)品和系統(tǒng)。構(gòu)想階段，包括定義客戶需要、考慮工藝、經(jīng)營(yíng)策略和調(diào)節(jié)方法，并且發(fā)展概念的、技術(shù)的商業(yè)方案；設(shè)計(jì)階段，主要是產(chǎn)生計(jì)劃、草圖和算法流程，以及描述需要實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品、生產(chǎn)流程以及系統(tǒng)；實(shí)施階段，將設(shè)計(jì)成品化，包括硬件生產(chǎn)、軟件編碼、測(cè)試和驗(yàn)證；操作階段，指用實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品、生產(chǎn)流程和系統(tǒng)傳遞內(nèi)在的價(jià)值，以進(jìn)化更新現(xiàn)有的系統(tǒng)。CDIO理念從一個(gè)新的角度，即培養(yǎng)的工程技術(shù)人才必須適應(yīng)日益擴(kuò)大的國(guó)際交流和工程競(jìng)爭(zhēng)的全球化的要求出發(fā)，提出了高等工程教育的創(chuàng)新和發(fā)展，促使教育工作者們進(jìn)行思考。

圖2 基于CDIO的機(jī)械制圖教學(xué)模式

機(jī)械制圖是工科院校機(jī)械類(lèi)、近機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)中既有理論又有實(shí)踐的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。旨在培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力、實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識(shí)，以適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造、現(xiàn)代信息科技的發(fā)展，為培養(yǎng)高層次工科創(chuàng)新應(yīng)用型人才打好基礎(chǔ)。由于在開(kāi)設(shè)本課程之前學(xué)生尚有很多專(zhuān)業(yè)知識(shí)沒(méi)有學(xué)習(xí)，加之沒(méi)有豐富的形象思維能力，因此，僅僅采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不能滿足對(duì)人才培養(yǎng)的需求。應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，將機(jī)械制圖教學(xué)模式重新整合，基于CDIO思想重新構(gòu)建課程體系。（見(jiàn)圖2）

（一）構(gòu)想階段

注重工程技術(shù)知識(shí)和工程技術(shù)技能的教授，夯實(shí)學(xué)生專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和扎實(shí)基本技能；注重現(xiàn)代工程科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的介紹、多學(xué)科工程應(yīng)用知識(shí)的介紹，使學(xué)生了解較寬的科學(xué)基本原理，也就是寬口徑、厚基礎(chǔ)。

（二）設(shè)計(jì)階段

與理論教學(xué)相比，實(shí)踐教學(xué)在培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力人才方面，又具有不可替代的作用?？衫肅AD/CAE/CAM實(shí)驗(yàn)室，在二維和三維CAD的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和提高學(xué)生工程素養(yǎng)為核心，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能為重點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)精神和創(chuàng)新意識(shí)為目的，在教學(xué)體系、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等方面進(jìn)行深入的改革與創(chuàng)新。根據(jù)本課程的內(nèi)容要求及與其它專(zhuān)業(yè)課的有效銜接，為學(xué)生開(kāi)設(shè)AutoCAD（二維）、CATIA（三維）實(shí)驗(yàn)。選擇AutoCAD作為二維教學(xué)內(nèi)容，有以下四點(diǎn)原因：第一，Auto-CAD是美國(guó)Autodesk公司于1982年12月推出的通用的計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件包。20幾年來(lái)，隨著軟件的不斷升級(jí)，其功能不斷更新、增強(qiáng)，日趨完善。第二，AutoCAD是世界上最為廣泛的微機(jī)平臺(tái)繪圖軟件系統(tǒng)，其強(qiáng)大的功能和友好的用戶界面受到廣大工程設(shè)計(jì)人員的歡迎，已經(jīng)被譯成18種語(yǔ)言。第三，在我國(guó)，AutoCAD也是最為流行，應(yīng)用最為廣泛的繪圖軟件系統(tǒng)。第四，有利于國(guó)際間與發(fā)達(dá)國(guó)家的工程技術(shù)交流。同時(shí)，選擇CATIA作為三維實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，基于以下幾點(diǎn)考慮：第一，CATIA是法國(guó)DassaultSystem公司于1981年推出的CAD/CAE/CAM一體化軟件，居世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。第二，其廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造、造船、機(jī)械制造、電子、消費(fèi)品行業(yè)，它的集成解決方案覆蓋所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。第三，CATIA軟件提供方便的解決方案，迎合所有工業(yè)領(lǐng)域的大、中、小型企業(yè)需要，從大型的波音747飛機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)到化妝品的包裝盒，幾乎涵蓋了所有制造業(yè)產(chǎn)品。第四，將此軟件強(qiáng)大的實(shí)體造型功能引入機(jī)械制圖課程之中，既可以改變以往學(xué)生學(xué)習(xí)制圖過(guò)程中表現(xiàn)出的枯燥無(wú)趣現(xiàn)象，又能將學(xué)到的知識(shí)內(nèi)容與機(jī)械行業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)制造實(shí)際聯(lián)系在一起，將課程經(jīng)典知識(shí)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，更新了設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)方法，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力。

（三）實(shí)施階段

零件是構(gòu)成產(chǎn)品的單元組織，是產(chǎn)品信息的一個(gè)載體，在數(shù)字化設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品的零件模型是承載產(chǎn)品整個(gè)設(shè)計(jì)周期的有機(jī)體。要以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與工程應(yīng)用能力為目標(biāo)，全面、系統(tǒng)地提高學(xué)生數(shù)字化設(shè)計(jì)能力。產(chǎn)品設(shè)計(jì)是CATIA機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)重要平臺(tái)，用于對(duì)設(shè)計(jì)完成的零件實(shí)體進(jìn)行組裝以得到部件和產(chǎn)品。通過(guò)這個(gè)過(guò)程不僅培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且也能將學(xué)習(xí)的知識(shí)內(nèi)容與機(jī)械行業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)制造實(shí)際聯(lián)系在一起，從而大大提高此課程的教學(xué)質(zhì)量。

（四）操作階段

為了培養(yǎng)學(xué)生具備在現(xiàn)代工程環(huán)境下賴(lài)以生存和成長(zhǎng)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、交流溝通能力對(duì)新產(chǎn)品、新流程、新系統(tǒng)的掌控意識(shí)和能力，在此階段教師結(jié)合課程為學(xué)生安排零部件的測(cè)繪、產(chǎn)品的裝配、產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)模擬。進(jìn)行零部件測(cè)繪，是學(xué)生學(xué)完理論課后的一個(gè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，也是學(xué)生首次進(jìn)行的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，可以使所學(xué)的知識(shí)得以融會(huì)貫通。教學(xué)活動(dòng)中，教師要為學(xué)生努力營(yíng)造有利于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的環(huán)境，選擇齒輪油泵進(jìn)行測(cè)繪，將學(xué)生分組，要求學(xué)生拆卸零件，選擇表達(dá)方案，徒手繪制草圖，測(cè)繪尺寸，并且將草圖整理出零件圖，并由零件圖繪制裝配圖。然后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行零件的實(shí)體造型，產(chǎn)品的裝配造型，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模擬。這樣，既培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力、協(xié)作精神、交流溝通能力，又培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力。教學(xué)內(nèi)容要與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系在一起，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和工程素養(yǎng)。要積極開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)改革，使實(shí)踐教學(xué)與課外科技活動(dòng)、課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合，相互促進(jìn)；創(chuàng)建良好的第二課堂，營(yíng)造校園科技活動(dòng)氛圍，積極開(kāi)展和組織校內(nèi)外各種科技創(chuàng)新活動(dòng)，組織、指導(dǎo)學(xué)生積極參加機(jī)械創(chuàng)新大賽和全國(guó)機(jī)械制圖設(shè)計(jì)大賽。以上教學(xué)活動(dòng)將會(huì)增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，并且使學(xué)生體驗(yàn)合作開(kāi)發(fā)產(chǎn)品/系統(tǒng)的“構(gòu)想—設(shè)計(jì)—實(shí)施—操作”的全過(guò)程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，學(xué)習(xí)與人交流合作技巧；也可以使教師充分發(fā)揮其指導(dǎo)作用，在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)與解決問(wèn)題、分析問(wèn)題的方法和手段，滿足高等工程教育的人才培養(yǎng)的需求。

CDIO理念對(duì)教學(xué)效果的促進(jìn)作用主要表現(xiàn)在以下五方面：第一，構(gòu)建以培養(yǎng)學(xué)生具備在現(xiàn)代工程環(huán)境下賴(lài)以生存和成長(zhǎng)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，交流溝通能力，對(duì)新產(chǎn)品、新流程、新系統(tǒng)的掌控意識(shí)和能力為核心的教學(xué)目標(biāo)。第二，將教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系在一起，順應(yīng)先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的需求，適應(yīng)日益擴(kuò)大的國(guó)際經(jīng)濟(jì)交流，以及日益增加的工程全球化競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。第三，營(yíng)造有利于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的環(huán)境，激勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力，以滿足社會(huì)對(duì)工程人才知識(shí)結(jié)構(gòu)和素質(zhì)能力的要求。第四，在理論課堂教學(xué)中強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，提高學(xué)生的工程意識(shí)和工程素養(yǎng)。以適應(yīng)信息時(shí)代對(duì)工程技術(shù)人才的需求，適應(yīng)21世紀(jì)人才培養(yǎng)模式的需求。第五，探索一個(gè)滿足社會(huì)對(duì)機(jī)械類(lèi)人才知識(shí)結(jié)構(gòu)和素質(zhì)能力需求的新的機(jī)械制圖課程教學(xué)模式。

［1］ Rethinking Engineering Education_The CDIO Approach［M］. Edward F Crawley，Johan Malmqvist，Soren Ostlund，Doris R. Brodeur ISBN 978-0-387-38287-6.

［2］ 高雪梅，等.CDIO方法與我國(guó)高等工程教育改革［J］.江蘇高教，2008（5）.

［3］ 機(jī)械類(lèi)課程報(bào)告論壇組委會(huì).機(jī)械類(lèi)課程報(bào)告論壇文集［D］.北京：高等教育出版社，2007.