CDIO人才培養(yǎng)模式下金工實習課程改革探索

李 蕊 ，王巖韜 ，賀 毅

（中國民航大學a.工程技術訓練中心；b.空中交通管理學院，天津 300300）

高等教育是培養(yǎng)高水平、具有工程素質(zhì)創(chuàng)新型人才，提高國民素質(zhì)的重要陣地[1]。培養(yǎng)工程素質(zhì)包括對學生責任意識、安全意識、質(zhì)量意識、群體意識等方面的全面培養(yǎng)[2]。然而，中國的高等教育，特別是工程教育，普遍存在教育教學與社會需求脫節(jié)的問題。傳統(tǒng)工程教學重理論輕實踐；只注重知識的深度，不重視知識的應用；只局限于單獨科目的建設，不重視學科的系統(tǒng)和整體規(guī)劃；以單一的評分標準對學生進行考核，難以調(diào)動學生的創(chuàng)新思維。

以培養(yǎng)下一代工程師為目標的CDIO工程教育模式提供了新的教學方法[3]。2000年，由麻省理工學院連同瑞典3所頂尖工業(yè)大學共同倡導，全球23所大學參與[4]，經(jīng)過4年研究，創(chuàng)立了CDIO工程教育理念[5]，CDIO理念的提出為工程教學的改革提供了有效可行的指導。中國民航大學從2009年開始進行CDIO工程教育改革的研究，并于2010年在電子信息工程專業(yè)進行試點，從教學理念、培養(yǎng)目標、教學內(nèi)容、教學手段等方面進行全方位的改革。

工程教育體系中，工程訓練課程是至關重要的教學環(huán)節(jié)，對提高學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力起到了不可替代的作用，其中金工實習作為理工類院校開展的一門基礎理論和實踐課程，將理論與實踐緊密聯(lián)系，是帶領學生走進實踐、走進生產(chǎn)的啟蒙課程，也是工程訓練框架下開設時間最早、最能體現(xiàn)工程訓練特色的課程之一。中國民航大學工程技術訓練中心承擔全校理工類專業(yè)（包括飛行器動力工程、飛行器制造工程、通信工程、電子信息工程等）學生實訓課程，開展包括金工實習在內(nèi)的實踐課程的教學工作。行業(yè)要求培養(yǎng)的工程師應當具備“理論基礎扎實+實踐能力突出+技術持續(xù)創(chuàng)新”的能力，培養(yǎng)出適應民航發(fā)展的技術集成型人才。但是，以往的金工實習教學存在教學內(nèi)容不新穎、不完整，教學方式單一、以傳統(tǒng)的“填鴨式”教學為主，缺乏學生自主學習的環(huán)節(jié)，大大限制了教學的效果和質(zhì)量等問題。同時，隨著航空技術不斷發(fā)展、新材料、新工藝、新技術不斷涌現(xiàn)，對金工實習課程提出新的要求，為適應新形勢，課程需要進行重新思考定位，在培養(yǎng)民航類專業(yè)人才上發(fā)揮應有的作用，因此，以創(chuàng)新為導向、能力培養(yǎng)為目標的教學改革勢在必行。

1 CDIO教學模式及其標準

1.1 CDIO的內(nèi)涵

CDIO 代表著構思（conceive）、設計（design）、實施（implement）與運行（operate），它作為當前高等工程教育的一種人才培養(yǎng)理念，體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的運行周期，包括從構思研發(fā)到運行改良乃至終結廢棄的全過程。CDIO提出的12條標準描述了CDIO模式下工程教學的必要特征，為工程教學改革提供了最佳的參照模型。

1.2 CDIO標準

CDIO標準1明確指出工程教學的基本理念：采用“產(chǎn)品、生產(chǎn)流程、系統(tǒng)周期過程的原理，即構想-設計-實施-操作”作為工程教育的背景。CDIO標準2、3、4提出在工程教育中，系統(tǒng)設置課程，建立一個由相互支持的專業(yè)課程和集人際交往能力，產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)建造能力為一體的方案所設計的課程計劃。CDIO標準5、6指出建設必要的工程工作平臺和實驗室，能夠支持和鼓勵體驗式地學習產(chǎn)品、生產(chǎn)流程、系統(tǒng)構建。CDIO標準7、8鼓勵學生進行主動學習和綜合學習，推動學生學習產(chǎn)品，學習與人合作交流的技巧。標準9、10指出發(fā)展教師自身能力和教學能力的必要性。CDIO標準11、12建議在以傳統(tǒng)方式進行學生評價的同時，注重學生在學習經(jīng)歷，人際關系技巧，以及產(chǎn)品、生產(chǎn)流程中表現(xiàn)出的能力，進行綜合的考核評價。

2 CDIO模式對課程改革的啟示

2.1 大系統(tǒng)背景下倡導“做中學”的CDIO教學理念

CDIO標準1要求進行實踐教學時，教學的重點不是內(nèi)容的傳授，而是面向實踐，使學生在“做中學”，在工程項目的全過程中進行體會知識與知識間、知識與實踐間的關聯(lián)，正如溫家寶總理講的，“做中學才是真正的學，做中教才是真正的教”。

在傳統(tǒng)金工實習課程中，教學內(nèi)容圍繞實習項目展開，依據(jù)訓練中心的硬件條件制定教學計劃，學生對單個工種進行獨立的學習，先進加工工藝涉及甚少，使學生在知識體系建立上和理論學習系統(tǒng)性上存在不足。傳統(tǒng)金工實習課程的教學方式通常為教師對單個工種的基本理論進行講授，隨后依據(jù)圖紙對工程零件的加工過程進行闡述、說明加工過程中需要運用的基本技能，學生經(jīng)基本技能訓練后依據(jù)已設計完成的圖紙進行操作，完成零件加工。這種教學過程將理論和實踐進行簡單的關聯(lián)，學生只達到鍛煉初級技能的效果。

基于CDIO教學標準1，中國民航大學對金工實習的教學內(nèi)容進行了重新梳理，不再受實習條件的局限，在橫向（涵蓋的領域和范圍）和縱向（發(fā)展歷史）兩個方面向學生介紹工業(yè)領域。向學生展現(xiàn)工業(yè)發(fā)展歷史，從手工加工到自動化生產(chǎn)的歷程，并針對中國民航大學的特色，更多地向學生介紹航空工業(yè)發(fā)展，配合其他基礎和專業(yè)課程，介紹飛行器制造相關的實際問題。橫向上，系統(tǒng)講解工業(yè)領域涉及的各加工工藝，利用案例教學方式，以典型工業(yè)產(chǎn)品的制造過程為例，介紹工業(yè)加工流程及其所涵蓋的各加工手段。在實習內(nèi)容的設置上不局限于傳統(tǒng)的冷、熱加工所涉及的鑄造、鍛造、焊接、熱處理、車、銑、刨、磨、鉆、鉗等方面內(nèi)容的教學和實訓，結合現(xiàn)代先進加工方法，增加加工中心、數(shù)控電火花線切割等實習項目，同時對不具有實訓條件的先進工藝，如激光焊接、超聲加工、精密制造、快速成型等開展理論介紹，開闊學生眼界、擴大認識的寬泛性。

在教學方式上，教師完成理論教學后，引導學生對典型零件進行自行設計，由學生自行完成“構想—設計—實施—操作”的全過程，在“做中學”，在“做中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題”，不斷完善設計方案。在此過程中，有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、自主學習能力、溝通合作能力，在認知—實踐—再認知—再實踐的過程中，讓學生更深刻地理解工程原理，最終達到通用能力的提高。

2.2 建設CDIO工作坊，提供自主學習的平臺

以往實踐課程的教學途徑局限于課堂，絕大多數(shù)學生以完成任務、通過考試作為學習目標，學習積極性不高，學習效果差。學生參與各種創(chuàng)新競賽、工程設計大賽時，缺乏實踐場地，影響參賽效果。

工作平臺和實驗室可以為學生創(chuàng)造自主學習、自主實踐的環(huán)境條件。中國民航大學工程技術訓練中心積極適應新要求，籌建了CDIO工作坊。其中，鉗工工作坊配備小型臥式車床、小型鉆銑床、四工位鉗工工作臺，以及各種工、量具，學生在此可完成各種基本的機械加工操作和測試，將“構想、設計”在第一時間將進行實踐，最大限度地提高學習效率。工作坊從建設初始，學生便參與一定的建設工作，開放以來學生自主管理，輪流值班，精心維護，利用率極高。

CDIO工作坊還為大學生參加工程訓練大賽、大學生科技創(chuàng)新基金項目、課外科技競賽等活動提供試驗場所，學生在工作坊以輕松愉快的方式進行溝通交流，研討實踐。近年，中國民航大學在全國工程訓練大賽、科技競賽中均取得優(yōu)秀成績。

2.3 實施主動學習的新型教學方式

CDIO方法鼓勵學生進行自主學習，研究證實：主動學習明顯增強學生的學習積極性，鼓勵學生參與思想交流和學術研討等活動，學生的主動學習積極性會進一步激發(fā)。

在以往的金工教學過程中，由于實習條件和課時的限制，很多現(xiàn)代加工方法不能在課堂上進行詳盡講解及操作練習，然而先進加工方法更貼近現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)實際，學生對現(xiàn)代加工手段也更感興趣，學習積極性更高。缺乏現(xiàn)代加工方法理論的學習嚴重阻礙學生適應民航企業(yè)的需求。

經(jīng)CDIO改革后，借助中國民航大學開展的Bb平臺教學，教師可以將課上沒有提到的先進加工手段和方法以幻燈片講稿、視頻等方式放在課程的教學網(wǎng)站上，供學生隨時觀看學習。同時，為進一步加強學生自主學習能力的鍛煉，對于傳統(tǒng)加工工藝的教學方式進行了調(diào)整，擺脫課本內(nèi)容的限制，由學生自行搜集資料，通過網(wǎng)絡、圖書館多渠道獲得相關內(nèi)容，獲取知識，以小組討論形式對知識進行梳理整合，并制作Word教學文案和PPT教學幻燈片，在課堂上進行講解討論。知識學習的過程，自發(fā)進行，主動完成。

2.4 探索綜合的評價方法

在對學生進行評價時，許多教師使用傳統(tǒng)方法進行教學測試，通過進行帶有某種測試功能的方式，對課程某個部分知識熟練掌握程度或技能操作的熟練程度進行評價。但是學生是否真正掌握了各種復雜的知識和技能，對于工科學生來說是相當重要的。CDIO思想提倡“真正的評判”，對學習過程進行全面評價。傳統(tǒng)的學習評價方法依然十分重要，同時還應探索其他非傳統(tǒng)的學習評價方式，如學生的自我評價、口頭測試、學習記錄、作品展示、設計成果匯報。

3 基于CDIO模式教學改革的實踐

3.1 改革總體方案

中國民航大學在CDIO金工實習改革過程中制定了詳盡的改革方案，如圖1所示，以實際工程案例教學為核心，由工程案例展現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)全過程，引出構思（conceive）、設計（design）、實施（implement）、運行（operate）思想；CDIO模式下的金工實習課程改革方案以設計、創(chuàng)新為目標，理論、實踐有機結合；結合自主學習、案例教學、工程訓練大賽等形式，培養(yǎng)學生工程實踐能力；通過學生反饋、創(chuàng)新大賽等形式檢驗教學改革的成果。改革實施過程中，依托中國民航大學工程技術訓練中心的厚重基礎，組織優(yōu)秀教師收集國內(nèi)外各高校CDIO改革相關資料，制定符合中國民航大學特點的金工實習CDIO改革方案；并在中國民航大學2010級、2011級電子信息工程專業(yè)CDIO試驗班中進行改革試點；改革效果通過課下交流、學生座談等方式進行反饋，及時完善教學改革方案。

圖1 CDIO教學模式下金工實習改革思路Fig.1 Innovation analysis of metal craft practice course based on CDIO training mode

3.2 改革具體實施情況

3.2.1 重新規(guī)劃教學方案

中國民航大學工程技術訓練中心對電子信息工程專業(yè)CDIO試點班的金工實習課程的教學工作進行了精密的部署，組織教師重新制定教學文件、修改教案和任課說明書，討論改進教學方式。經(jīng)實踐，改革方案獲得了試點班學生的廣泛認可。

基于CDIO理念，根據(jù)中國民航大學實際情況，結合以往教學經(jīng)驗，教師重新編寫了CDIO實驗班金工實習課程的任課說明書和教案，如表1所示。新的教案和任課說明書以能力培養(yǎng)為目標，體現(xiàn)學生體驗式學習、自主學習；強調(diào)對學生創(chuàng)新能力、團隊能力、工程實踐能力的鍛煉；兼顧課程體系建設，綜合運用工程制圖、工程材料、工業(yè)導論課程的理論知識，完成零件設計、繪制圖紙、撰寫設計報告的任務，真正實現(xiàn)在“做中學”，在“做中重現(xiàn)知識，加深理論”。

3.2.2 豐富教學內(nèi)容、完善教學體系

CDIO改革后的理論教學內(nèi)容更加豐富，引入案例介紹，介紹航空器中典型零部件的加工制造過程，激發(fā)學生興趣，使學生身臨其境地感受現(xiàn)代生產(chǎn)制造的過程；增加數(shù)控加工的課時，添加現(xiàn)代加工工藝的介紹，使學生對現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)具有更加全面的認識。實踐表明，學生對于現(xiàn)代加工方法更感興趣，學習積極性更高，教學效果更好。

3.2.3 完善教學方式、增加自主學習環(huán)節(jié)

CDIO改革后的教學方式更加多樣化，課堂教學與課后Bb平臺教學結合，教師講授與學生自主講解結合。Bb平臺、電子郵箱已經(jīng)成為課堂外師生間進行溝通的良好紐帶，學生在設計中遇到的問題及時反饋，與教師進行討論，共同解決問題。在教師講解的基礎上，將一部分理論內(nèi)容布置給學生完成，課堂上，學生走上講臺將知識與其他同學分享，展示自身風采，克服以往課堂教學吸收率低、效果差的問題，對學生綜合素質(zhì)的全方位提高起到巨大幫助。

長期以來，各高等學校金工實習課鉗工實習項目都是制作一端帶鴨嘴的鉗工錘，該項練習涉及到鉗工各項基本操作，對基本技能進行全面練習。但在培養(yǎng)學生學習興趣、提高學生綜合能力方面存在嚴重欠缺。學生依據(jù)圖紙上要求的制造材料、加工尺寸、加工形狀進行實做練習，停留于最終結果的實施過程，對于錘子的用途、選材、結構思考甚少，學生的創(chuàng)新余地很小。

3.3 具體教學案例分析

圖2 典型案例說明Fig.2 Explanation of typical case

表1 以能力培養(yǎng)為目標的CDIO金工實習任課說明書（部分）Tab.1 Teaching instructions of metal craft practice based on CDIO training mode

CDIO改革后的實踐部分要求學生不再依據(jù)已有圖紙進行簡單的重復性練習，而是從需求出發(fā)，對典型零件進行設計、制造。考慮到CDIO試點班的學生多為大學一年級新生，僅進行了基礎課的學習，同時考慮到課時的限制，在改革的第一階段，零件的設計制造僅在鉗工工種進行試驗，積累經(jīng)驗后再推廣至其他實踐科目。根據(jù)CDIO理念，旨在提高學習主動性、全面培養(yǎng)學生工程實踐能力，鉗工實習課程由學生自主構思、設計，并實踐完成手錘的制作。實施過程中，教師首先介紹鉗工操作并進行技能練習，夯實基本理論、基本技能，隨后向學生展示各種常用手錘圖片，介紹使用范圍，啟發(fā)學生想象，提出命題以設計小組為單位從需求出發(fā)，對錘子的用途、選材、結構等方面進行手錘設計、完成制作。其中，按用途劃分錘子可包括圓頭錘、鉗工錘、羊角錘等；按材質(zhì)劃分錘子可由鋼材、塑料、皮革、木頭等；錘頭和錘柄的鏈接方式也包括焊接、螺紋鏈接、鉚接、榫接等，學生對各方面因素進行構思后形成設計方案，最近進行實施。學生從源頭進行設計，創(chuàng)新空間非常大。

課下學生組成設計小組討論手錘設計方案，運用工程材料課程知識，對錘子進行合理選材；運用機械制圖知識繪制圖紙，同時，利用計算機CAD軟件完成圖紙終稿繪制；并結合工程導論和管理學知識撰寫設計報告，闡述加工過程，分析可行性、經(jīng)濟性；最終制作講義文稿PPT，課上以小組形式進行答辯；獲得通過的手錘進行實踐操作，存在問題的手錘繼續(xù)改進。在這一過程中充分體現(xiàn)了“做中學”的教學理念，經(jīng)過構思—設計—實施—運行全過程的訓練，學生制作完成各具特色的手錘，如圖3所示，同時，整合所學知識，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提高綜合運用能力，在產(chǎn)品質(zhì)量控制、團隊合作能力、組織協(xié)調(diào)能力方面得到了真實的鍛煉。

4 結語

圖3 CDIO試驗班學生自主設計制作的手錘Fig.3 Hammers designed and made by students of CDIO experimental class

金工實習課程CDIO教學改革獲得了學生的廣泛認可，但是全面理解和執(zhí)行CDIO教學理念，將CDIO教學改革在金工實習課程全面推廣還有很多問題亟待解決，例如，任課教師長期以來形成的教學理念和教學習慣很難在短時間內(nèi)改變、實施創(chuàng)新設計的硬件條件還十分缺乏等。結合全校發(fā)展規(guī)劃，突出中國民航大學專業(yè)特色，進行符合CDIO標準、具有民航大學特色的金工實習教學改革工作還有很長的路要走。CDIO模式為教學改革提出了全面的指引，CDIO教學大綱明確了教學改革的方法，這對中國民航大學完善實踐教學，培養(yǎng)適應現(xiàn)代工程技術發(fā)展需要的人才具有重要的指導意義。

[1]陳金水，劉伯偉，張定昭.創(chuàng)建工程訓練教學中心[J].實驗室研究與探索，2004，23（5）：70-73.

[2]傅水根，嚴紹華，李雙壽，等.創(chuàng)建國內(nèi)領先的工程訓練教學示范中心[J].實驗技術與管理，2006，23（4）：1-2.

[3]林 藝.CDIO高等工程教育模式探析[J].哈爾濱學院學報，2008，29（4）；137-140.

[4]高雪梅，孫子文，紀志成.CDIO方法與我國高等工程教育改革[J].江蘇高教，2008，5：69-71.

[5]顧佩華，沈民奮，李升平，等.從CDIO到EIP-CDIO—汕頭大學工程教育與人才培養(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究.2008（1）：12-20.