以工程能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的機械設(shè)計課程改革研究＊

朱永梅，撒 紅，王明強

（1.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.總參氣象水文局檔案館，北京 100081）

我國現(xiàn)在是世界工程教育第一大國，工程能力是工程師最重要、最基本的素質(zhì)之一。在過去的20年中，學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府部門的領(lǐng)導(dǎo)提升了對理想工程師特質(zhì)的認識，開始強調(diào)改革的必要性。通過這一努力，我們認識到這樣一種隱含的關(guān)鍵需求：要培養(yǎng)學(xué)生能夠在現(xiàn)代團隊的環(huán)境下，構(gòu)思-設(shè)計-實施-運行工程產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)。這種要強調(diào)產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的全生命周期的工程教育新方法稱之為CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operation，構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運作）。

本文根據(jù)新世紀工程教育的特點，結(jié)合CDIO工程教育理念，對機械設(shè)計課程在培養(yǎng)學(xué)生的工程能力方面作了一些思考和研究，讓學(xué)生初步感受產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計生命周期，參與研究及探索解決問題的過程，通過分層次、分階段合理的工程教育使學(xué)生能主動地綜合應(yīng)用所掌握的知識去探究、分析遇到的問題。

1 國內(nèi)外學(xué)生工程能力培養(yǎng)的現(xiàn)狀分析

如今的工程師除了要牢牢掌握既有的知識，還必須具備終生學(xué)習(xí)的能力、不斷的更新自己；必須具有良好的交流能力和團隊精神；必須具備對本專業(yè)、本行業(yè)乃至社會、歷史、文化、環(huán)境等方面的大系統(tǒng)的理解、掌控能力，即所謂的現(xiàn)代工程能力。由于受傳統(tǒng)工程教育觀念的影響，目前我國在教學(xué)中重視課堂理論教學(xué)、忽視工程能力培養(yǎng)的教育理念沒有得到根本轉(zhuǎn)變；實踐教學(xué)環(huán)節(jié)相對薄弱，必要的工程訓(xùn)練條件尚未得到很好保證；專業(yè)教師隊伍的工程實踐經(jīng)驗與能力還不能很好適應(yīng)學(xué)生工程能力培養(yǎng)的需要；學(xué)生組織管理能力、研究開發(fā)能力、社交能力、口語及文字表達能力較弱，工程意識、效益意識和質(zhì)量意識不強。此外，對學(xué)生學(xué)習(xí)能力、思維方式、應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力、獲取新知識能力、技術(shù)情報收集和檢索能力重視不夠。

國外大學(xué)非常重視學(xué)生工程系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，在大學(xué)機械工程專業(yè)培養(yǎng)目標中均有描述，同時在大學(xué)學(xué)習(xí)階段設(shè)置各種實踐活動，社區(qū)、企業(yè)也介入、滲透到學(xué)生培養(yǎng)環(huán)節(jié)。如麻省理工學(xué)院將學(xué)生能夠正確地使用工程原則建模、測量、分析和設(shè)計機械系統(tǒng)作為其培養(yǎng)目標之一，在培養(yǎng)計劃中設(shè)置有機械工程工具和儀器實踐課程、項目實驗，在設(shè)計制造類課程中要求完成設(shè)計制造項目等，此外在激發(fā)學(xué)生興趣、引領(lǐng)學(xué)生參與研究和學(xué)生工程能力培養(yǎng)中，針對新生和高年級學(xué)生分別設(shè)有新生學(xué)習(xí)社區(qū)和高年級學(xué)習(xí)研究計劃[1]。國內(nèi)高校也先后開展了一些以培養(yǎng)學(xué)生工程能力為目標的學(xué)生培養(yǎng)項目，如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)等先后通過實施大學(xué)生研究訓(xùn)練計劃、開設(shè)研討班、開展諸如“挑戰(zhàn)杯”等形式的科技競賽來推進本科生研究性教學(xué)，培養(yǎng)其綜合能力。目前正在推行實施的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”也是為了加強學(xué)生現(xiàn)代工程能力的培養(yǎng)。

2 CDIO工程教育模式簡介

由美國麻省理工學(xué)院（MIT）發(fā)起的CDIO工程教育改革，不僅延續(xù)了美國近年來在構(gòu)思和設(shè)計上所具有的優(yōu)勢，同時強調(diào)產(chǎn)品生產(chǎn)的實施和運行環(huán)節(jié)，以期讓學(xué)生全面了解工業(yè)生產(chǎn)的流程，增強美國工程科技人才的競爭力。

CDIO 代表構(gòu)思 （conceive）、設(shè)計 （design）、實現(xiàn)（implement）和運作（operate），這四個過程來源于產(chǎn)品／系統(tǒng)的生命周期過程，涵蓋了絕大多數(shù)工程師必要的專業(yè)活動?，F(xiàn)代工程師涉足產(chǎn)品、生產(chǎn)流程以及系統(tǒng)生命周期的各個方面，參與構(gòu)想、設(shè)計、實施以及操作的全過程。構(gòu)想階段，包括定義客戶需求、考慮工藝、經(jīng)營策略和調(diào)節(jié)方法，并且發(fā)展概念的、技術(shù)的商業(yè)方案；設(shè)計階段，主要是產(chǎn)生計劃、草圖和算法流程，以及描述需要實現(xiàn)的產(chǎn)品、生產(chǎn)流程以及系統(tǒng)；實施階段，指將設(shè)計成品化，包括硬件生產(chǎn)、軟件編碼、測試和驗證；操作階段，指用實現(xiàn)的產(chǎn)品、生產(chǎn)流程和系統(tǒng)傳遞內(nèi)在的價值，以進化更新現(xiàn)有的系統(tǒng)[2]。

CDIO是基于工程項目全過程的學(xué)習(xí)，是“做中學(xué)”原則和“基于項目的教育和學(xué)習(xí)”的集中體現(xiàn)。它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO作為“做中學(xué)”戰(zhàn)略下的一種模式，提出了系統(tǒng)的能力培養(yǎng)、全面的實施指導(dǎo)、完整的實施過程和嚴格的結(jié)果檢驗等12條標準。

3 基于項目的機械設(shè)計一體化教學(xué)體系

3.1 課程目標

本課程以“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”為依據(jù)，以面向生產(chǎn)一線的應(yīng)用型機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)人才為目標，培養(yǎng)學(xué)生初步的工程設(shè)計基本思想和技能。本課程將分小組完成一次通用機械的實習(xí)，采用“項目式教學(xué)”，通過“產(chǎn)品選題→文獻調(diào)研、查新→可行性（技術(shù)和經(jīng)濟）分析與評估→設(shè)計實驗→擬定方案→產(chǎn)品設(shè)計→圖紙繪制及三維造型→設(shè)計報告編制→設(shè)計答辯”完整的工程設(shè)計過程訓(xùn)練，初步形成產(chǎn)品的“構(gòu)想、設(shè)計、實施、改進和展示”全過程工程教育理念，為最終進行高級工程設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生初步得到工程設(shè)計訓(xùn)練，掌握產(chǎn)品設(shè)計的基本過程和方法，培養(yǎng)學(xué)生的主動思考與探索能力、創(chuàng)新意識和實踐能力、分析與解決問題能力、文獻檢索和綜合能力、思想表達能力、團隊合作精神等，有利于提高學(xué)生在社會的競爭能力。培養(yǎng)學(xué)生作為未來工程師的職業(yè)道德和社會責任感。

課程建設(shè)目標從四方面考慮，首先是讓學(xué)生進行通用小型機械裝置的設(shè)計，并運用力學(xué)及數(shù)學(xué)知識對其進行分析和改進。然后是對于通用機械零部件，包括緊固件、連接件、彈簧、制動器、聯(lián)軸器、帶傳動、鏈傳動、軸承及軸的設(shè)計。要求能夠描述這些機械零部件的功能；了解在通用機械系統(tǒng)中的應(yīng)用并給出實例；分析其性能及失效形式；了解機械零部件制造方法及完成同樣功能的其他可替代設(shè)計方案；根據(jù)特定應(yīng)用條件，選用合適的機械零件。再次是進行與機械設(shè)計相關(guān)的實驗和計算分析。能夠分析幾何因素對設(shè)計的影響；能以適當?shù)膱D解形式表述實驗和計算分析結(jié)果；并能設(shè)計運用實驗來改進設(shè)計。最后通過課程學(xué)習(xí)和實踐了解工程師應(yīng)具有的基本素質(zhì)和應(yīng)掌握的基礎(chǔ)知識及基本技能；學(xué)會資料檢索、調(diào)研、分析和整理，進行自主學(xué)習(xí)；進行工程設(shè)計的表達實踐，體驗解決工程問題的具體過程和分析方法，開展團隊合作和交流。

3.2 課程內(nèi)容

以項目實施為主線，重構(gòu)課程體系，強化工程與實踐，強調(diào)理論與實踐的有機融合。機械設(shè)計課程主要內(nèi)容有四部分，即理論課程教學(xué)、課程設(shè)計（二級項目）、機器裝拆實驗和虛擬樣機設(shè)計，其中課堂教學(xué)約占50%，研討課約占15%，研發(fā)實驗課約占35%。

課程設(shè)計（二級項目）的題目將傳統(tǒng)的（指定參數(shù)的）減速機設(shè)計項目轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄩ_放性滿足一定條件的傳動系統(tǒng)設(shè)計項目。根據(jù)本?！白吭接媱潯睂嵤┠繕?，借助于校工程實踐中心、鎮(zhèn)江船舶輔機廠等實習(xí)工廠，本課程確定了以下項目：船用起錨機的設(shè)計、船用鉸纜車的設(shè)計、電梯提升裝置的設(shè)計、攪拌機的設(shè)計、爬式加料機的設(shè)計、平板搓絲機的設(shè)計、簡易臥式銑床傳動裝置的設(shè)計及簡易拉床傳動裝置的設(shè)計。學(xué)生可自由組合，每個小組以4～5人為宜，題目可根據(jù)難度分為基本要求和較高要求兩個層次，由教師指定或?qū)W生自由選擇，從指導(dǎo)書中選擇，做到每人一題一組數(shù)據(jù)。課程設(shè)計貫穿課程學(xué)習(xí)的整個過程，課題的基礎(chǔ)參數(shù)計算和方案的制定等工作在課程學(xué)習(xí)期間完成，其余工作在設(shè)計周內(nèi)完成。

設(shè)計過程中增加機器拆裝和虛擬樣機實體造型及裝配等環(huán)節(jié)。拆裝分析重點放在對機械系統(tǒng)的認識和系統(tǒng)表述，機械中典型的零部件、機械系統(tǒng)中各零件的尺寸、公差與裝配關(guān)系的理解和再設(shè)計上。虛擬樣機實體造型可由各小組通過分工和協(xié)調(diào)合作，完成三維設(shè)計、加工工藝編制、數(shù)控加工編程、數(shù)控機床操作和零件裝配等工作。這一鍛煉不僅強化了他們的整機觀念，提高了綜合設(shè)計能力和動手能力，還培養(yǎng)了他們協(xié)同工作的能力和綜合素質(zhì)。

3.3 課程教學(xué)方法

以機械設(shè)計學(xué)習(xí)網(wǎng)站為平臺，采用課堂教學(xué)為主，達到傳授基本的理論知識的目的。以適當?shù)难杏憰r間培養(yǎng)學(xué)生認識問題和解決問題的能力。以習(xí)題與練習(xí)加深學(xué)生的理解、強化學(xué)生知識體系。通過機械設(shè)計試驗讓學(xué)生主動去學(xué)習(xí)知識、思考問題和運用知識去設(shè)計方案以解決問題。該設(shè)計試驗包括了方案設(shè)計、動手實驗、結(jié)論分析、探討交流整個過程，實施了從構(gòu)思、設(shè)計、實施到運行的一個全CDIO過程，達到培養(yǎng)學(xué)生全面的專業(yè)、個人、職業(yè)、團隊、交流及社會意識與能力。

在理論課程的講解中，采用多種教學(xué)方法。①運用啟發(fā)研討式教學(xué)法，針對教學(xué)重點定期布置思考題，或提出問題，讓學(xué)生思考，提出自己的觀點，并進行討論交流；②重視定性分析和原理理論的講解。機械設(shè)計教學(xué)中往往對每一個零部件設(shè)計后都有改進措施。教學(xué)中分析影響因素以及影響因素變化對其工作能力的影響，最后歸納改進措施，指出在設(shè)計中就考慮這些因素，也就不用到設(shè)計校核不合格時才改進，這樣就指出了其實質(zhì)；③重視結(jié)構(gòu)工程的分析講解。在教學(xué)中我們多采用結(jié)構(gòu)實物、模型或CAI進行零部件的充分分析講解，然后歸納在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮和注意的定性方面和定量尺寸的選擇；④重視內(nèi)容的綜合貫通分析；⑤重視結(jié)合工程應(yīng)用的分析講解。

研發(fā)實驗課程以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，指導(dǎo)教師輔導(dǎo)為輔。要求學(xué)生能根據(jù)二級項目中要求的使用功能，構(gòu)想和設(shè)計機械的設(shè)計方案。在設(shè)計的時候必須考慮機械裝置的實用性、價格等特點，同時還要考慮其他性能。能獨立操作實驗，反復(fù)進行機械裝置設(shè)計—裝置實現(xiàn)—改進提高過程，最終寫出研發(fā)報告并進行全班演示。

在理論課程的教學(xué)中就布置課程設(shè)計（二級項目）的題目，使學(xué)生們做到心里有數(shù)，誘導(dǎo)學(xué)生主動思維。因而在上課學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生們帶著自己課程設(shè)計中存在的問題（如機構(gòu)的選型、機構(gòu)的設(shè)計、齒輪的材料選擇、參數(shù)設(shè)計等）有目的的去聽課，在課堂教授的有關(guān)章節(jié)，教師結(jié)合課程設(shè)計中機構(gòu)選型及設(shè)計的有關(guān)問題，適時進行點撥，在此期間，不少學(xué)生拿著自己“不成熟”的方案和老師共同探討，不僅極大的激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，而且有效地提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。

3.4 課程考核

CDIO思想提倡“真正的評判”，因為工程教育需要模仿真正的世界。許多現(xiàn)代工程環(huán)境所要求的高水平認知，是無法僅在傳統(tǒng)的教學(xué)測試方法中被測試、被預(yù)言的。因而傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)評價方法要結(jié)合進行非傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)評價的探索，包括使用學(xué)生自我評價、同伴評價、口頭測試、學(xué)習(xí)記錄、展示作品、發(fā)表論文等等。本門課程的評價用比重法，平時（包括文獻閱讀、研討、參與程度等）約占30%，二級項目設(shè)計競賽（包括實驗）約占30%，期終考試約占40%。

二級項目設(shè)計競賽考核以研發(fā)報告為考核主要依據(jù)，在全班展示報告為輔助依據(jù)。其中研發(fā)報告包括：項目的構(gòu)想與設(shè)計、方案改進過程、研究計算的整理和繪圖、研究結(jié)果與討論。成績的評定為研發(fā)過程（包括文獻閱讀、動手能力、團隊合作能力、解決問題能力、機械設(shè)計與工藝的合理性及創(chuàng)新性）約占40% ，研發(fā)報告及其展示（包括任務(wù)完成情況、裝配圖質(zhì)量、零件圖質(zhì)量、結(jié)構(gòu)錯誤情況、設(shè)計說明書、答辯等）約占60%。

4 教學(xué)實踐總結(jié)

由于學(xué)生課程設(shè)計的前一階段（即方案設(shè)計）是在課外進行的，所以教師要及時了解學(xué)生的進度，定期組織方案研討會，分析比較各方案的優(yōu)劣。在這種研討會上，要求學(xué)生要充分展示研究和解決問題的過程和結(jié)論，以開放的心態(tài)接受老師和同學(xué)的評論，同時聆聽他人的研究過程和結(jié)論，坦率的發(fā)表自己的意見，最后再由老師作出總結(jié)，給出指導(dǎo)性意見，確定方案。通過這樣的過程，可以促進學(xué)生積極主動地進行思考，同時也培養(yǎng)了學(xué)生對知識的整合能力。

課程設(shè)計中除了方案的確定以外，還包括初步計算、草圖設(shè)計、裝配圖設(shè)計、零件工作圖設(shè)計、編寫設(shè)計計算說明書等幾個階段。其中，草圖設(shè)計和裝配圖設(shè)計即結(jié)構(gòu)設(shè)計階段是重點階段，也是學(xué)生感到困難，失誤較多的階段。由于在《機械設(shè)計》課上重點都是基礎(chǔ)理論，很少涉及結(jié)構(gòu)方面的知識，而影響結(jié)構(gòu)的因素很多，例如零件結(jié)構(gòu)尺寸的確定，除了計算，還常常需要借助于類比、初估或通過草圖等手段，交叉進行，逐步完成，所以，在這一階段，指導(dǎo)教師應(yīng)悉心指導(dǎo)，多進行正誤結(jié)構(gòu)的比較，另外要引導(dǎo)學(xué)生抓重點，培養(yǎng)學(xué)生樹立整體設(shè)計的概念。

由于使用多個設(shè)計題目，在設(shè)計計算部分各組之間以及同一組內(nèi)各位同學(xué)之間計算任務(wù)不同，所用繪圖軟件自選，這就增大了老師輔導(dǎo)和管理的難度，對教師提出更高的要求。老師不僅要花費更多的時間，嚴格認真地給學(xué)生輔導(dǎo)、考勤，更應(yīng)該了解基本的計算機語言及CAD、UG等技術(shù)，才能游刃有余地輔導(dǎo)課程設(shè)計。

[1]郝智秀，季林紅，馮涓.基于CDIO的低年級學(xué)生工程能力培養(yǎng)探索：機械基礎(chǔ)實踐教學(xué)案例[J].高等工程教育研究，2009，（5）：36-40.

[2]顧佩華，陸小華.重新認識工程教育：國際CDIO培養(yǎng)模式和方法[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]吳鳴，熊光晶.以工程能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的工程教育改革研究[J].理工高教研究，2010，（6）：54-59.

[4]吳洪特，甘光奉，胡達.探索應(yīng)用型工科大學(xué)生工程能力培養(yǎng)的途徑[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009，（6）：70-72.