基于CDIO工程教育理念的機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程改革探索

楊蔚華+何孔德+李響+劉芙蓉

摘 要 為順應(yīng)工程教育專業(yè)認(rèn)證的需求，基于CDIO工程教育理念，開(kāi)展機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程教學(xué)改革和實(shí)踐，從課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)踐教學(xué)等方面提出了相應(yīng)的改革思路和具體措施，為培養(yǎng)具有工程理念的高素質(zhì)、強(qiáng)能力的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 CDIO 機(jī)械設(shè)計(jì)類課程 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.10.017

Abstract In order to meet the needs of the professional accreditation of engineering education， based on the concept of CDIO Engineering Education， to carry out series of machine design course teaching reform and practice， put forward the corresponding reform ideas and the specific measures from the aspects of curriculum system， teaching content， teaching methods and practice teaching， for cultivating the high engineering philosophy of high quality， strong ability of innovative engineering and technical personnel to lay the foundation.

Keywords CDIO； mechanical design series course； teaching reform

0 引言

CDIO（構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）和運(yùn)行（Operate））是由美國(guó)麻省理工學(xué)院聯(lián)合瑞典幾所高校共同開(kāi)發(fā)的一種全新工程教育理念和實(shí)施體系，其核心理念就是以產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的方式學(xué)習(xí)工程，培養(yǎng)學(xué)生的理論知識(shí)、個(gè)人素質(zhì)、協(xié)作能力、工程-社會(huì)大系統(tǒng)適應(yīng)及調(diào)控能力，①其理念正好與工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)是契合的。因此，為切實(shí)支撐專業(yè)認(rèn)證，培養(yǎng)具有工程理念的高素質(zhì)、創(chuàng)新型工程人才奠定基礎(chǔ)，倡導(dǎo)CDIO工程理念，重構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程體系和課程內(nèi)容，開(kāi)展教育教學(xué)改革具有非常重要的理論和實(shí)用意義。

1 優(yōu)化課程體系和教學(xué)內(nèi)容

機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程具有較強(qiáng)的理論性，同時(shí)又要與實(shí)踐緊密結(jié)合，基于CDIO 理念的機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程教學(xué)改革首先需要重構(gòu)課程體系和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。課程體系要凸顯整機(jī)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化工程理念，將各門課程有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，進(jìn)而構(gòu)建一種集專業(yè)理論知識(shí)、工程能力和綜合素質(zhì)培養(yǎng)于一體、體現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)無(wú)縫對(duì)接的課程體系。②以 CDIO從最初的產(chǎn)品構(gòu)思到最后機(jī)器成品運(yùn)行的工程教育理念為“主線”，建立基于整機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程體系如圖1所示。

1.1 以各門課程為子系統(tǒng)，進(jìn)行課程內(nèi)容的優(yōu)化重構(gòu)

以往課程內(nèi)容的理論學(xué)時(shí)偏多，實(shí)踐學(xué)時(shí)匱乏，重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)狀難以培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題所需要的綜合能力，容易造成“學(xué)而無(wú)用”。為充分體現(xiàn)學(xué)科和技術(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，使得理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，課程內(nèi)容的整合要突出設(shè)計(jì)性和工程實(shí)用性，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)服務(wù)于工程實(shí)踐。

以機(jī)械設(shè)計(jì)課程為例，原有的一些教學(xué)內(nèi)容過(guò)分強(qiáng)調(diào)理論公式的推導(dǎo)和論證，在有限的教學(xué)學(xué)時(shí)內(nèi)，使得培養(yǎng)工程應(yīng)用和實(shí)踐能力的教學(xué)內(nèi)容不斷弱化，因此，在新的課程內(nèi)容優(yōu)化重構(gòu)中，需要弱化一般性公式的詳細(xì)推導(dǎo)，重在設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法的介紹，如“齒輪傳動(dòng)”一章內(nèi)容優(yōu)化為：簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算公式的推導(dǎo)，重在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)思路以及對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中各環(huán)節(jié)的把握，并將齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算、查表、數(shù)據(jù)處理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等融入例題中詳細(xì)講解。在講述齒輪傳動(dòng)的受力分析時(shí)，將直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪、錐齒輪和蝸輪蝸桿等各類傳動(dòng)的受力分析整合在一起進(jìn)行講述，這樣便于學(xué)生類比掌握受力分析的要點(diǎn)和方法。

1.2 以工程應(yīng)用為主線，實(shí)現(xiàn)課程體系教學(xué)內(nèi)容的縱橫整合

知識(shí)是由淺入深的，學(xué)習(xí)也是循序漸進(jìn)的，因此，每門課程內(nèi)容的設(shè)置要考慮與前續(xù)課程知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系?！翱v向整合”就是將機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程體系中各門課程建立前后內(nèi)在聯(lián)系，要講新帶舊，要引舊聯(lián)新，使學(xué)生“溫故而知新”?！皺M向整合”就是各門課程要彼此聯(lián)系，有機(jī)整合。例如：機(jī)械設(shè)計(jì)課程中關(guān)于零部件的教學(xué)內(nèi)容要與機(jī)械原理課程的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)相聯(lián)系；機(jī)械設(shè)計(jì)的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要與機(jī)械制造基礎(chǔ)課程中有關(guān)精度和工藝的知識(shí)點(diǎn)相聯(lián)系；機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作要與機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制造基礎(chǔ)課程的相關(guān)內(nèi)容相聯(lián)系?？傊?，通過(guò)各門課程教學(xué)內(nèi)容的縱橫整合，要貫穿整機(jī)設(shè)計(jì)的理念，使學(xué)生對(duì)專業(yè)理論有系統(tǒng)而完整的把握。

2 精心“設(shè)計(jì)”教學(xué)環(huán)節(jié)，改進(jìn)教學(xué)方法

CDIO開(kāi)放式的教學(xué)模式首先需要教師轉(zhuǎn)變?cè)仍诮虒W(xué)中純粹的以教為主的角色，更重要的是需要教師更新教學(xué)理念和教學(xué)思想，因此教學(xué)方式和教學(xué)方法的改革是課題研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（1）根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的需求，圍繞學(xué)生工程能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，重新進(jìn)行教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，課程組教師要深入研究當(dāng)前國(guó)內(nèi)外工程教育的發(fā)展形勢(shì)，在教學(xué)方法與手段上不斷改革和創(chuàng)新，在傳授給學(xué)生專業(yè)理論知識(shí)的同時(shí)，引領(lǐng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，形成一種學(xué)與做有機(jī)融合的學(xué)習(xí)方式，從而加深學(xué)生對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的理解。

（2）探索“CDIO 做中學(xué)”的教學(xué)模式，課堂教學(xué)多引入工程設(shè)計(jì)案例，課程的推進(jìn)采用設(shè)計(jì)任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式，例如在課程開(kāi)始之初，就布置有關(guān)機(jī)械產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)的課題給學(xué)生，根據(jù)課程教學(xué)進(jìn)度，安排學(xué)生以小組學(xué)習(xí)和討論交流的方式進(jìn)行課題分階段設(shè)計(jì)，通過(guò)這種方案分析、小組學(xué)習(xí)和項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的方式，貫徹CDIO在做中學(xué)的理念，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)合作能力，提高工程意識(shí)和設(shè)計(jì)技能，這樣既能夠有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)興趣，培養(yǎng)學(xué)生具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和精神。

（3）搭建開(kāi)放式課堂，在時(shí)間、空間和教學(xué)內(nèi)容上加以擴(kuò)展和延伸。對(duì)于實(shí)踐性和工程性強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容，可以走出教室，把課堂搬到實(shí)驗(yàn)室、工程訓(xùn)練中心和工廠，從而創(chuàng)造一個(gè)開(kāi)放的課堂空間和開(kāi)放的教學(xué)環(huán)境，使得學(xué)生更易于吸收和消化課堂的知識(shí)內(nèi)容。為了訓(xùn)練學(xué)生的工程設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用能力，除了充分把握好第一課堂教學(xué)，還要搭建更廣闊和豐富的第二課堂，教師要指導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽和參與教師的科研項(xiàng)目等，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，在第二課堂，使創(chuàng)新能力培養(yǎng)與第一課堂的教學(xué)融于一體，從而探索出一條集理論研究與工程能力培養(yǎng)相互促進(jìn)的途徑。

3 重點(diǎn)改革實(shí)踐教學(xué)，凸顯整機(jī)設(shè)計(jì)理念

課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生工程能力的重要環(huán)節(jié)，而以往課程體系中各門課程的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容基本上是各自獨(dú)立的，缺少相互關(guān)聯(lián)。例如“機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)”中，主要是從運(yùn)動(dòng)的角度，訓(xùn)練機(jī)械系統(tǒng)的原理方案設(shè)計(jì)能力，沒(méi)有考慮具體的材料和結(jié)構(gòu)，更沒(méi)有考慮制造工藝和經(jīng)濟(jì)性等要求；到了“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”，主要訓(xùn)練學(xué)生對(duì)機(jī)械系統(tǒng)中各零部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算能力，設(shè)計(jì)對(duì)象基本是齒輪減速器，運(yùn)動(dòng)方案一般是固定的，容易讓學(xué)生墨守成規(guī)，限制了創(chuàng)造性思維的發(fā)展；輪到機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)，內(nèi)容又是與前序設(shè)計(jì)對(duì)象無(wú)關(guān)聯(lián)的工藝設(shè)計(jì)；最后在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作階段，對(duì)象又變化了，于是就照貓畫虎，用現(xiàn)成的圖紙和工藝進(jìn)行加工，這種各自為陣的課程設(shè)計(jì)安排顯然違背了整機(jī)設(shè)計(jì)的思想，學(xué)生的能力培養(yǎng)只能趨于碎片化，而真正需要的整機(jī)綜合設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力不能得以鍛煉和培養(yǎng)。因此，為了切實(shí)提高學(xué)生的工程意識(shí)和設(shè)計(jì)技能，改革選擇課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)為突破口，通過(guò)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容的重新整合和優(yōu)化，使得各個(gè)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容前后關(guān)聯(lián)和有機(jī)結(jié)合。③為了凸顯整機(jī)設(shè)計(jì)理念，訓(xùn)練學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)技能，將圖1所示課程體系中的四大課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行，依次按方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品實(shí)物制造編排課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，做到課程設(shè)計(jì)的完整性、系統(tǒng)性和綜合性，從而訓(xùn)練學(xué)生從機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、性能仿真、工藝設(shè)計(jì)到加工制造和組裝調(diào)試的整機(jī)設(shè)計(jì)能力。

在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，成立獨(dú)立穩(wěn)定的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，期間配備專門的指導(dǎo)教師，每個(gè)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)對(duì)象固定，始終貫穿于各個(gè)課程設(shè)計(jì)，具體以典型機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造為載體，例如無(wú)碳小車或是機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽設(shè)計(jì)對(duì)象等，要求分階段完成對(duì)象的各項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)，即依次設(shè)計(jì)、制作、安裝、調(diào)試一臺(tái)機(jī)械產(chǎn)品，讓學(xué)生從一開(kāi)始就注重整機(jī)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)綜合分析問(wèn)題的能力。④機(jī)械原理與創(chuàng)新綜合課程設(shè)計(jì)為機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)提供系統(tǒng)方案、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算和分析，在接下來(lái)的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算和選型，將前序設(shè)計(jì)得到的方案具體實(shí)物化，繪制出相應(yīng)的裝配圖和零件圖，同時(shí)又為機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)提供了圖紙和精度設(shè)計(jì)技術(shù)文件，而機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容又為最終的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作提供了工藝指導(dǎo)，從而大大提高課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的連貫性和實(shí)用性。為了保障以上改革的順利實(shí)施，根據(jù)我校的實(shí)際情況，依托學(xué)校的大學(xué)生素質(zhì)教育中心的加工設(shè)備制造出實(shí)物，使得學(xué)院的理論教學(xué)與大學(xué)生素質(zhì)教育中心的實(shí)訓(xùn)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫結(jié)合，也使得教學(xué)資源得以充分利用。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了改善以往機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程教學(xué)中理論和實(shí)踐相脫節(jié)的問(wèn)題，順應(yīng)工程教育認(rèn)證的要求，引入“CDIO 做中學(xué)”的工程教育理念，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程進(jìn)行教學(xué)改革和實(shí)踐，將工程教育與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)滲透到課程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)之中，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)踐能力培養(yǎng)的相互滲透，極大地豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，必將為培養(yǎng)具有工程理念的高素質(zhì)、強(qiáng)能力的工程技術(shù)人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

注釋

① 鐘宇光，史東巖，展勇.基于CDIO 模式的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革研究[J].大學(xué)教育，2016（1）：144-145.

② 劉桂珍，于影，殷寶麟等.CDIO 模式下機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程改革與實(shí)踐的研究[J].經(jīng)濟(jì)師，2015（6）：235-236.

③ 朱玉.CDIO工程理念在“機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力教育，2010（1）：139-140.

④ 楊恩霞，孔凡凱，劉賀平等.基于CDIO理念的機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)改革[J].高教學(xué)刊，2016（1）：119-120.