基于CDIO模式的數(shù)控創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

楊金林，陳元斌，王 勇，王惠姣，聶三軍，竺志超

（1.浙江理工大學(xué)，a.機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；b.自動(dòng)化研究所，浙江 杭州 310018；2.杭州中策橡膠有限公司，浙江 杭州 310018）

數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其廣泛的使用，給機(jī)械制造的生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)帶來(lái)深刻的變化。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用急劇增加。高校作為培養(yǎng)人才的重要基地，針對(duì)數(shù)控人才的培養(yǎng)，必須不斷創(chuàng)新教學(xué)模式，以滿足市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及企業(yè)的需求和時(shí)代的要求。

浙江理工大學(xué)在建設(shè)國(guó)家級(jí)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心過(guò)程中，劃撥部分資金開(kāi)展了20個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，數(shù)控創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也是其中之一。筆者在該項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，從學(xué)校實(shí)際出發(fā)，以CDIO工程教育理念為導(dǎo)向，對(duì)數(shù)控創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了研究與實(shí)踐。

1 CDIO工程教育模式

CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)作（Operate）這4個(gè)英文單詞的縮寫(xiě)。其中：

構(gòu)思，包括顧客需求分析，技術(shù)、企業(yè)戰(zhàn)略和規(guī)章制度設(shè)計(jì)，發(fā)展理念、技術(shù)程序和商業(yè)計(jì)劃制訂；

設(shè)計(jì)，主要包括工程計(jì)劃、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)以及實(shí)施方案設(shè)計(jì)等；

實(shí)現(xiàn)，是將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過(guò)程，包括制造、解碼、測(cè)試以及設(shè)計(jì)方案的確認(rèn)；

運(yùn)行，則主要是通過(guò)投入實(shí)施的產(chǎn)品對(duì)前期程序進(jìn)行評(píng)估的過(guò)程，包括對(duì)系統(tǒng)的修訂、改進(jìn)和淘汰等[1~3]。

CDIO作為國(guó)際先進(jìn)的工程教育理念和模式，從2005年開(kāi)始被我國(guó)高校引進(jìn)，2008年教育主管部門(mén)開(kāi)始有組織地研究、交流CDIO理念，實(shí)驗(yàn)其做法，成立專家組指導(dǎo)有關(guān)院校開(kāi)展試點(diǎn)工作。

我國(guó)汕頭大學(xué)工學(xué)院在顧佩華教授的率領(lǐng)下，2005年起引入并實(shí)施CDIO工程教育模式，2006年1月下旬，CDIO委員會(huì)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格審查，一致同意接受汕頭大學(xué)成為中國(guó)高校第一個(gè)CDIO成員。

清華大學(xué)工業(yè)工程系教授顧學(xué)雍博士在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》和《數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)》兩門(mén)課中，創(chuàng)造性地采用CDIO方法教學(xué)。這兩門(mén)改革前經(jīng)常被學(xué)生評(píng)為最差的課，改革后首次被評(píng)為最優(yōu)。

以上兩例都說(shuō)明，實(shí)施CDIO教學(xué)方法，在一些高校已取得明顯效果[1-2]。

CDIO以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生積極主動(dòng)地通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)掌握相關(guān)知識(shí)和能力的學(xué)習(xí)模式，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人素質(zhì)、發(fā)展能力與協(xié)作能力以及工程－社會(huì)大系統(tǒng)適應(yīng)與調(diào)控能力四大能力。

CDIO系統(tǒng)地提出了極具可操作性的12條標(biāo)準(zhǔn)并有相應(yīng)的培養(yǎng)大綱[2,4]。

2 數(shù)控創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)教學(xué)中存在以下的問(wèn)題：

（1）教學(xué)內(nèi)容抽象、干癟。教學(xué)中驗(yàn)證性內(nèi)容偏多，設(shè)計(jì)性、綜合性和探索創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏少，應(yīng)用性不強(qiáng)，使得學(xué)生對(duì)不同的零件、不同的材料難以合理制定工藝和正確編程，對(duì)各種加工方法也知之甚少，影響學(xué)生創(chuàng)新能力的提高；

（2）教學(xué)方法單一。數(shù)控教學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)是一種完全以教師為中心的傳授接受式教學(xué)模式，效果不理想，不利于技術(shù)的掌握，難以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；

（3）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間，缺乏有效的銜接和延伸。系統(tǒng)性不夠，不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和應(yīng)用，對(duì)基本概念缺乏深層次的理解，對(duì)數(shù)控編程、操作、加工之間的聯(lián)系，缺乏系統(tǒng)的掌握；

（5）實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核不到位。目前大多數(shù)高校實(shí)踐考核只注重結(jié)果的考核，沒(méi)有對(duì)實(shí)踐的過(guò)程進(jìn)行考核，不能真正考核學(xué)生的真實(shí)水平。沒(méi)有對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中吃苦耐勞、團(tuán)隊(duì)合作等職業(yè)素質(zhì)的考核，而這些，恰是當(dāng)前多數(shù)企業(yè)重要的用人標(biāo)準(zhǔn)之一。

3 基于CDIO模式的教改實(shí)踐

中心在數(shù)控創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，在教學(xué)內(nèi)容上，主要是探索創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

教學(xué)方法上，以學(xué)生討論、答辯為主體，充分調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上，將零件設(shè)計(jì)、工藝、編程、操作和加工各個(gè)知識(shí)點(diǎn)有機(jī)銜接成一體，使他們系統(tǒng)地掌握數(shù)控技術(shù)知識(shí)。聘請(qǐng)杭州傲立機(jī)械、杭州中策橡膠等企業(yè)的工程師，直接給學(xué)生授課，以企業(yè)實(shí)際加工零件作為對(duì)象，針對(duì)工程，實(shí)際培養(yǎng)同學(xué)們的“工程”概念。

實(shí)驗(yàn)考核上，實(shí)行項(xiàng)目全生命周期考核，不僅考核實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更注重實(shí)驗(yàn)過(guò)程中個(gè)人能力的發(fā)揮。

每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，均采用構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作4個(gè)階段來(lái)實(shí)現(xiàn)。

構(gòu)思階段，要學(xué)生明白自己做什么，并考慮怎樣做。

今年70歲的翟大姐，早在年輕時(shí)賺足了自己所需的錢，大可不必到處奔波，但是看到農(nóng)民高興，翟大姐自己就覺(jué)得非常有成就感。那么翟大姐的銷售之路都是一帆風(fēng)順的嗎？事實(shí)并非如此。當(dāng)記者問(wèn)起翟大姐是否遇到過(guò)一些困難時(shí)，翟大姐激動(dòng)地向記者講述：“那可多了。因?yàn)槲屹u的化肥是大廠家正規(guī)的肥，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較貴，當(dāng)時(shí)都和農(nóng)民說(shuō)好了價(jià)格。后來(lái)不曾想有外縣的人來(lái)我們縣低價(jià)砸貨，砸得我一點(diǎn)利潤(rùn)點(diǎn)都沒(méi)有了，當(dāng)時(shí)我心里很憋屈。但是，我回過(guò)頭來(lái)一想，只要農(nóng)民用得好，無(wú)論是用誰(shuí)的肥，只要他把地種好了，我就高興了，我沒(méi)有利潤(rùn)就沒(méi)有吧！”

設(shè)計(jì)階段，要求學(xué)生自己設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施方案。

實(shí)現(xiàn)階段，要求學(xué)生自己動(dòng)手完成項(xiàng)目。

運(yùn)作階段，根據(jù)任務(wù)要求，對(duì)學(xué)生完成情況進(jìn)行評(píng)價(jià)和反饋。

下面以來(lái)自企業(yè)實(shí)際產(chǎn)品的“橡膠模具零件數(shù)控加工”為例，來(lái)介紹學(xué)?；贑DIO模式的數(shù)控創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過(guò)程。

3.1 構(gòu)思（Conceive）階段

參與數(shù)控創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的同學(xué)，都是在大三上學(xué)期，已經(jīng)完成大部分專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)，對(duì)數(shù)控技術(shù)有了一個(gè)大概印象，但由于接觸專業(yè)課程時(shí)間不長(zhǎng)，對(duì)行業(yè)研究熱點(diǎn)不夠敏銳。為此，我們特地邀請(qǐng)杭州中策橡膠有限公司的工程師，作為大家實(shí)驗(yàn)的輔導(dǎo)教師，回答學(xué)生的疑問(wèn)，幫助同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中解決發(fā)現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題。同時(shí)要求學(xué)生充分地利用學(xué)校內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫(kù)資源、網(wǎng)絡(luò)資源等，查找橡膠模具相關(guān)的資料，并且進(jìn)行匯總整理，以報(bào)告的方式提交或在課堂上分組討論。

在這個(gè)過(guò)程中，鍛煉了學(xué)生收集資料、提煉資料、展示自我的能力。最后根據(jù)實(shí)際企業(yè)任務(wù)目標(biāo)，構(gòu)思出企業(yè)要求的橡膠模具零件的結(jié)構(gòu)，并將學(xué)生按照3～4人一組，組成團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行該產(chǎn)品的可行性分析、功能分析和零件建模，以圖紙的形式，給出零件的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2 設(shè)計(jì)（Design）階段

在此階段，完成項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃。學(xué)生分組建立學(xué)習(xí)小組，小組討論編寫(xiě)計(jì)劃書(shū)，進(jìn)行任務(wù)描述，說(shuō)明任務(wù)目標(biāo)，制定零件的加工工藝方案（包括毛坯準(zhǔn)備、機(jī)床選擇、工裝夾具選擇、零件加工工序流程等）。在接下來(lái)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及實(shí)施過(guò)程中，加工工藝輔導(dǎo)教師（全部來(lái)自杭州傲立機(jī)械有限公司的工程師）通過(guò)要求大家定期匯報(bào)或不定期討論的方式，來(lái)解決實(shí)施項(xiàng)目過(guò)程中存在的問(wèn)題。

根據(jù)學(xué)生制定的方案，教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，討論實(shí)施計(jì)劃的可行性，并及時(shí)反饋，學(xué)生進(jìn)行修改，如此反復(fù)，最終確定項(xiàng)目完成計(jì)劃和實(shí)施方案。

3.3 實(shí)現(xiàn)（Im plement）階段

在此階段，完成零件的數(shù)控加工檢測(cè)。每組根據(jù)前一階段定下的分工內(nèi)容，參加實(shí)驗(yàn)的同學(xué)用CAM軟件完成零件數(shù)控編程，經(jīng)小組討論認(rèn)可程序無(wú)誤，并經(jīng)過(guò)軟件仿真后，輸入數(shù)控機(jī)床，安裝毛坯和工裝夾具，將零件加工出來(lái)，然后通過(guò)三坐標(biāo)等測(cè)量?jī)x器給出零件的測(cè)量報(bào)告。

整個(gè)過(guò)程中，要求同學(xué)們注意實(shí)際生產(chǎn)安全，考慮各種外界因素（如轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、冷卻等），對(duì)產(chǎn)品最終加工品質(zhì)的影響，同時(shí)將最終加工好的零件，與前面的設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，看看是否符合企業(yè)的要求。

3.4 運(yùn)作（Operate）階段

每個(gè)小組成員，按照任務(wù)書(shū)要求進(jìn)行匯報(bào)，根據(jù)CDIO評(píng)估方面的標(biāo)準(zhǔn)11和標(biāo)準(zhǔn)12進(jìn)行評(píng)估,評(píng)估包括學(xué)習(xí)評(píng)估和項(xiàng)目專業(yè)評(píng)估兩個(gè)方面[5]。在學(xué)習(xí)評(píng)估中，可以考慮在整個(gè)項(xiàng)目從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、執(zhí)行、實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生個(gè)人學(xué)習(xí)經(jīng)歷和人際關(guān)系技巧、產(chǎn)品、生產(chǎn)流程、系統(tǒng)構(gòu)建技能以及團(tuán)隊(duì)合作知識(shí)等方面，進(jìn)行綜合評(píng)估。

專業(yè)評(píng)估由結(jié)題專家組（由各個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師組成），通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目提交的資料、成果以及最終的結(jié)題答辯情況進(jìn)行評(píng)定，得到學(xué)生的綜合成績(jī)。各個(gè)考核指標(biāo)及分值如表1所示。

表1 項(xiàng)目考核指標(biāo)及分值分配

通過(guò)上述4個(gè)階段，把學(xué)生所學(xué)過(guò)的分散的數(shù)控相關(guān)知識(shí)，以一個(gè)完整項(xiàng)目的形式串成一個(gè)有機(jī)的整體，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生合作交流和團(tuán)隊(duì)合作能力。

在實(shí)施整個(gè)CDIO教學(xué)過(guò)程中，是理中有實(shí)，實(shí)中有理，工學(xué)交替在“做中學(xué)”。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生們具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容及能力目標(biāo)，如表2所示。

表2 項(xiàng)目學(xué)習(xí)內(nèi)容及能力目標(biāo)

4 數(shù)控創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的特色

所開(kāi)展的基于CDIO模式的數(shù)控創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐活動(dòng)，具有以下特點(diǎn)：

4.1 轉(zhuǎn)變了教學(xué)觀念，培養(yǎng)了學(xué)生工程觀念

在CDIO理念中，培養(yǎng)學(xué)生工程觀念是一個(gè)關(guān)鍵的步驟[6]。我們通過(guò)聘請(qǐng)企業(yè)工程師作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師，并將企業(yè)要求的實(shí)際產(chǎn)品作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。要求教師在教授的時(shí)候，需要理論聯(lián)系實(shí)際，逐步深入，突出工程設(shè)計(jì)的意識(shí)和思維過(guò)程，讓同學(xué)們真正弄清各單元操作工程理論的來(lái)龍去脈、培養(yǎng)了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，同時(shí)又鍛煉了學(xué)生分析解決工程操作型問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念。另外，也同時(shí)提高了數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資隊(duì)伍的能力和素質(zhì)。

4.2 營(yíng)造了開(kāi)展創(chuàng)新活動(dòng)的氛圍

以項(xiàng)目為中心的實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。在數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)。師生通過(guò)共同實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目工作，而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，其將學(xué)習(xí)者融入有意義的任務(wù)完成過(guò)程中，讓學(xué)生有目標(biāo)地自主學(xué)習(xí)；從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建?！に囋O(shè)計(jì)—數(shù)控編程—仿真與實(shí)際加工—產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)等多方面，進(jìn)行綜合實(shí)踐，在每一個(gè)階段，都為學(xué)生提供一個(gè)展現(xiàn)才華的空間。

4.3 學(xué)生綜合能力得到顯著提升

通過(guò)幾個(gè)學(xué)期，我們通過(guò)以CDIO教育理念，對(duì)數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革，取得了一定的成績(jī)，學(xué)生的綜合能力和社會(huì)認(rèn)可度都得到了提高。具體表現(xiàn)在：在近兩年的浙江省機(jī)械大賽中，我們的學(xué)生獲得一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，三等獎(jiǎng)6項(xiàng)；數(shù)控工藝職業(yè)技能考證通過(guò)率達(dá)到100%；近三年畢業(yè)生就業(yè)率均為100%等等。

5 結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)當(dāng)今我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的迅猛發(fā)展，高校人才培養(yǎng)的定位應(yīng)該是：面向工程實(shí)際，具備堅(jiān)實(shí)的工程技術(shù)基礎(chǔ)、系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)和較強(qiáng)實(shí)踐能力，能從事科技開(kāi)發(fā)、應(yīng)用研究、生產(chǎn)管理等方面工作的具有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型高級(jí)技術(shù)人才。

通過(guò)學(xué)校數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，基于CDIO的教學(xué)模式，建立了以往工科教育中缺乏的工程觀，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，轉(zhuǎn)變了學(xué)習(xí)態(tài)度，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。以項(xiàng)目導(dǎo)向的教學(xué)過(guò)程中理中有實(shí)、實(shí)中有理，使得以往理論實(shí)踐相脫離的問(wèn)題得以改善，同時(shí)也為兄弟院校CDIO教學(xué)模式的推進(jìn)提供了參考。

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