CDIO模式在《電機(jī)與拖動(dòng)》課程教學(xué)中的研究和應(yīng)用

石文昭

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院機(jī)電工程系

CDIO模式在《電機(jī)與拖動(dòng)》課程教學(xué)中的研究和應(yīng)用

石文昭

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院機(jī)電工程系

本文針對(duì)電機(jī)與拖動(dòng)課程教學(xué)中存在的一些問題，提出了基于CDIO人才培養(yǎng)模式下的課程改革與創(chuàng)新。理論部分采用課堂講解、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和微課等多種方法相結(jié)合的教學(xué)方式；實(shí)踐部分主要運(yùn)用CDIO模式，讓學(xué)生了解工程項(xiàng)目的概念，充分掌握一個(gè)項(xiàng)目從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施到運(yùn)行的整個(gè)過程。此外對(duì)期末成績(jī)給出了一種更為客觀合理的評(píng)價(jià)方式，最后總結(jié)了該模式下的教學(xué)效果。

電機(jī)與拖動(dòng)；CDIO；改革創(chuàng)新

1 前言

CDIO倡導(dǎo)“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”的新型教學(xué)模式，是近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的最新研究成果，它可分為構(gòu)思(con?ceive)、設(shè)計(jì)(design)、實(shí)現(xiàn)(implement)和運(yùn)作(operate)4 個(gè)階段[1-2]。CDIO作為一種全新的工程教育理念，包括以下具體內(nèi)容：注重培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實(shí)的工程基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，自我構(gòu)建知識(shí)體系，并在此基礎(chǔ)上通過人才培養(yǎng)過程的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，培養(yǎng)既有過硬的專業(yè)技能，又有良好職業(yè)道德的工程師[3]。

《電機(jī)與拖動(dòng)》課程是電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化等專業(yè)的一門理論性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)也是一門多學(xué)科交叉的課程，涉及了電學(xué)、磁學(xué)、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)等學(xué)科。電機(jī)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)隨著科技的進(jìn)步也有著日新月異的發(fā)展趨勢(shì)，并且為了響應(yīng)我國(guó)建立應(yīng)用型人才高等院校、培養(yǎng)應(yīng)用型人才的要求，“電機(jī)與拖動(dòng)”課程的改革勢(shì)在必行。而這一點(diǎn)恰好和CDIO人才培養(yǎng)模式不謀而合。在“電機(jī)與拖動(dòng)”課程的教學(xué)中，采用CDIO工程教育理念，結(jié)合我校的具體情況，利用學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室和校企合作的平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)一個(gè)項(xiàng)目構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的能力，以及創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

2 電機(jī)與拖動(dòng)課程概述

（1）“電機(jī)與拖動(dòng)”課程在專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中的作用

“電機(jī)與拖動(dòng)”是電氣、自動(dòng)化專業(yè)的一門很重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個(gè)學(xué)科中起承上啟下的作用。本課程是“電路”“模電”等課程的后續(xù)課程，也是“工廠供電”、“電力系統(tǒng)分析”和“電氣控制系統(tǒng)”等課程的先導(dǎo)課程，并為以后的設(shè)計(jì)大賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及日后的工作儲(chǔ)備一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)基本的設(shè)計(jì)技能和分析問題的方法。

（2）“電機(jī)與拖動(dòng)”課程的目的

“電機(jī)與拖動(dòng)”實(shí)際包括兩部分內(nèi)容，一部分是電機(jī)，一部分是拖動(dòng)系統(tǒng)，除了理論課程，還有實(shí)踐課程。實(shí)踐課的性質(zhì)多樣，分為基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，考察的是學(xué)生對(duì)理論課內(nèi)容的理解程度和如何將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的綜合能力。

2.1 對(duì)專業(yè)知識(shí)和技能的要求

①掌握各種電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本工作原理；②熟悉電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)和選擇原則；③掌握基本的電機(jī)故障處理和維修方法；④掌握拖動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理和特性；⑤培養(yǎng)學(xué)生的運(yùn)算能力；⑥了解電機(jī)和電力拖動(dòng)各部分的發(fā)展趨勢(shì)；⑦通過實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生更深層次的掌握專業(yè)知識(shí)，增強(qiáng)動(dòng)手能力。

2.2 對(duì)素質(zhì)的教學(xué)目標(biāo)

①培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力；②培養(yǎng)學(xué)生的思維方式、分析和解決問題的能力；③培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)到的“電機(jī)與拖動(dòng)”相關(guān)專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。④培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

3 CDIO模式下的電機(jī)與拖動(dòng)課程教學(xué)改革

結(jié)合對(duì)CDIO教學(xué)理念的理解和本人的能力，以及學(xué)生的具體情況，教學(xué)改革將從以下幾方面著手。

（1）基于CDIO模式下的教學(xué)體系

現(xiàn)行的大學(xué)人才培養(yǎng)目標(biāo)是“培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才”，在就業(yè)壓力加大的背景下，我們應(yīng)當(dāng)把改革的重點(diǎn)放在改革學(xué)科結(jié)構(gòu)，打破傳統(tǒng)的學(xué)科性課程結(jié)構(gòu)，建立以“工作任務(wù)為中心”、“以項(xiàng)目為載體”的課程結(jié)構(gòu)[4]。

“電機(jī)與拖動(dòng)”課程中的很多概念都很抽象，電機(jī)中的磁場(chǎng)看不到摸不著，需要推導(dǎo)的公式多，所以學(xué)生會(huì)感覺很吃力，而且不會(huì)完整的分析問題，不會(huì)利用所學(xué)知識(shí)解決問題。在教學(xué)體系的改革中，應(yīng)用“學(xué)做合一”的方式，建立幾個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目作為核心，可充分串接所有關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)和技能，學(xué)生邊學(xué)邊做，邊做邊學(xué)，這樣學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了提高，也培養(yǎng)了學(xué)生的各種能力。

CDIO模式以學(xué)生為中心，一個(gè)班的理論課、實(shí)踐課都由同一個(gè)老師擔(dān)任，以此實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)統(tǒng)一。教師在授課過程中將實(shí)踐項(xiàng)目引入課堂教學(xué)中，并且在學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)踐項(xiàng)目的過程中，讓學(xué)生逐漸理解和掌握CDIO模式四個(gè)環(huán)節(jié)的整個(gè)流程，符合CDIO理念。

（2）教學(xué)內(nèi)容的改革

“電機(jī)與拖動(dòng)”是一門多學(xué)科交叉的課程，很多概念抽象復(fù)雜，學(xué)生要理解這些基礎(chǔ)知識(shí)需要大量的理論教學(xué)時(shí)間；并且由于部分學(xué)生關(guān)于這些先導(dǎo)課程的底子較差，因此必要的時(shí)候還需要在課堂上對(duì)這些內(nèi)容加以復(fù)習(xí)，這樣上課的進(jìn)度就會(huì)滯后于授課計(jì)劃，以至于到期末計(jì)劃的內(nèi)容還沒有講完。然而，近幾年工科的大多數(shù)專業(yè)課的課時(shí)量都被大大壓縮，我校也不例外，目前縮到48個(gè)課時(shí)，40個(gè)理論，8個(gè)實(shí)驗(yàn)，一周的課程設(shè)計(jì)。因此，必需合理的選擇該課程的重點(diǎn)內(nèi)容。

學(xué)生學(xué)習(xí)“電機(jī)與拖動(dòng)”這門課程，電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理部分只是基礎(chǔ)，夠用即可，它是為拖動(dòng)部分做鋪墊的。因此，可將課程的重心放在電動(dòng)機(jī)及其電力拖動(dòng)部分上面。同時(shí)考慮到某些內(nèi)容因?qū)W生理解困難且實(shí)際應(yīng)用很少的原因，將其舍棄，例如直流電機(jī)的換向分析；關(guān)于電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的公式推導(dǎo)、電樞反應(yīng)及交流電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分析等內(nèi)容，只需了解思路記住結(jié)論即可，這樣可以降低教學(xué)難度，學(xué)生也容易接受，有利于將更多精力集中到后面的實(shí)踐項(xiàng)目中，達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

此外，有必要拓寬學(xué)生知識(shí)面，對(duì)一些近年來(lái)出現(xiàn)的新型電機(jī)，比如永磁同步電機(jī)、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和直線電機(jī)等內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充[5]。

對(duì)舍棄和壓縮的內(nèi)容，可以加入到后面的實(shí)踐項(xiàng)目中，例如電樞繞組的繞制方法等，以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手能力。

（3）基于CDIO模式的教學(xué)方法

3.1 理論課教學(xué)方法的改革

CDIO模式提倡“以項(xiàng)目為載體”進(jìn)行教學(xué)，但考慮到本校學(xué)生的實(shí)際情況，本人還是建議保留一部分理論課時(shí)，來(lái)幫助學(xué)生更好的理解知識(shí)點(diǎn)。

多媒體+板書+視頻是“電機(jī)與拖動(dòng)”課程最基礎(chǔ)最有效的授課方式。尤其是視頻，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是更直觀理解的方式，比如電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，一目了然。

由于本課程課時(shí)量少，但是授課任務(wù)重，為了緩解這一矛盾，同時(shí)為了使那些學(xué)有余力的學(xué)生有更好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和平臺(tái)，授課時(shí)間可以不局限于課堂，可延伸至課外，建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，在此平臺(tái)上發(fā)布學(xué)習(xí)視頻、習(xí)題解答，也可在線答疑、討論，實(shí)現(xiàn)良好的課后互動(dòng)和交流。

微課是近幾年說(shuō)的比較多的一種多媒體技術(shù)授課方式，它要求創(chuàng)作者對(duì)一個(gè)小的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的講解，可以是音頻或者視頻，并且時(shí)間控制在幾分鐘之內(nèi)。這也是一種效果顯著的授課方式，對(duì)于學(xué)生難以理解的知識(shí)點(diǎn)，或者進(jìn)行例題講解、考點(diǎn)歸納等，都可以做相關(guān)的微課，作為對(duì)課堂教學(xué)的有效補(bǔ)充。

3.2 實(shí)踐課教學(xué)方法的改革

“電機(jī)與拖動(dòng)”課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，并且很多高等院校都以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，所以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力顯得尤為重要。實(shí)踐環(huán)節(jié)不僅可以使學(xué)生更深刻的理解知識(shí)，還能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和操作技能，讓學(xué)生在整個(gè)過程中理解并掌握CDIO模式下構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的所有環(huán)節(jié)。

（1）學(xué)以致用是學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)，因此應(yīng)當(dāng)增加實(shí)踐環(huán)節(jié)的課時(shí)量，使學(xué)生在實(shí)踐項(xiàng)目中投入更多的時(shí)間和精力，并且提高實(shí)踐成績(jī)?cè)诳偝煽?jī)中的比重，讓學(xué)生意識(shí)到實(shí)踐課的重要性。

（2）加強(qiáng)校企合作。這種模式既能充分發(fā)揮企業(yè)和學(xué)校各自的優(yōu)勢(shì)，又能在培養(yǎng)社會(huì)及市場(chǎng)所需的專業(yè)人才方面起到推波助瀾的作用，是一種很好的雙贏模式。教學(xué)同生產(chǎn)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了學(xué)校和企業(yè)的資源互用、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、利益共享。

在學(xué)期初，提前與和學(xué)校合作的電機(jī)企業(yè)或廠家協(xié)商好時(shí)間，帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)比較老式的電機(jī)進(jìn)行參觀認(rèn)知實(shí)習(xí)，目的是讓學(xué)生在電機(jī)和電力拖動(dòng)方面有一定的感性認(rèn)識(shí)，面對(duì)真實(shí)的機(jī)械，學(xué)生會(huì)由于好奇而激發(fā)興趣，進(jìn)而會(huì)思考一系列的問題，帶著問題上理論課，學(xué)生就會(huì)集中注意力，盡力找到問題的答案，這樣可以達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。

在學(xué)期末，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行第二次認(rèn)知實(shí)習(xí)，目的是參觀該企業(yè)近幾年生產(chǎn)的比較先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備，并了解關(guān)于電機(jī)與拖動(dòng)相關(guān)的前沿技術(shù)趨勢(shì)。由于一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)，學(xué)生們已經(jīng)具備了基礎(chǔ)的理論知識(shí)，因此對(duì)于比較先進(jìn)的設(shè)備，會(huì)有更深刻全面的認(rèn)識(shí)。

（3）在實(shí)踐項(xiàng)目中運(yùn)用CDIO理念培養(yǎng)學(xué)生的能力

實(shí)踐部分主要是考察學(xué)生綜合應(yīng)用理論知識(shí)分析問題并解決問題的能力、自學(xué)能力、動(dòng)手操作能力和團(tuán)隊(duì)合作能力等，因此實(shí)踐項(xiàng)目中盡量減少驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)，多為設(shè)計(jì)型、綜合型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。

在理論教學(xué)中，先深入講解基礎(chǔ)知識(shí)，待一個(gè)模塊講解完畢，緊接著就給學(xué)生布置相關(guān)的實(shí)踐項(xiàng)目，在實(shí)踐中進(jìn)行思考、設(shè)計(jì)、討論、仿真、實(shí)物操作，以此鞏固理論知識(shí)，做到理論與實(shí)際的合二為一。

①構(gòu)思能力的培養(yǎng)

教師按照課程進(jìn)度制定對(duì)應(yīng)的實(shí)踐項(xiàng)目任務(wù)書，學(xué)生每3人分一組，先對(duì)所選題目進(jìn)行獨(dú)立的思考和分析，然后是集體討論，每人對(duì)自己的構(gòu)思和想法做出闡述，當(dāng)學(xué)生們有不用的想法時(shí)，會(huì)在別的同學(xué)的思路幫助下對(duì)自己的構(gòu)思做進(jìn)一步的修正和補(bǔ)充；同時(shí)教師會(huì)對(duì)學(xué)生們的構(gòu)思給予一定的建議進(jìn)行完善，最后每組制定出自己的方案。

②設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)

明確了實(shí)踐項(xiàng)目的方案以后，便展開一系列的設(shè)計(jì)工作。有些項(xiàng)目先可以利用MATLAB軟件通過仿真的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)思路。利用仿真設(shè)計(jì)，能夠使學(xué)生對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目的工作原理掌握的更加深入，也能提高學(xué)生們熟練使用MATLAB軟件的能力。

③實(shí)現(xiàn)能力的培養(yǎng)

實(shí)現(xiàn)能力階段即手動(dòng)操作階段，也即將構(gòu)思設(shè)計(jì)的結(jié)果付諸實(shí)踐的過程。這就需要將學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置為開放式的平臺(tái)，學(xué)生可以隨時(shí)申請(qǐng)使用，并且學(xué)校需要為學(xué)生提供比較全面的實(shí)踐材料。例如有關(guān)電機(jī)的實(shí)踐項(xiàng)目中，需要學(xué)生自己繞制電樞繞組；也可以將智能小車項(xiàng)目引入到電機(jī)與拖動(dòng)的實(shí)踐項(xiàng)目中來(lái)，通過對(duì)電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速方法的選擇、控制電路的設(shè)計(jì)、制作及調(diào)試等方面的研究，讓學(xué)生在制作智能小車的整個(gè)過程中更好的理解電動(dòng)機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)，以及不同調(diào)速方法的特點(diǎn)。

④運(yùn)作能力的培養(yǎng)

在實(shí)踐項(xiàng)目的整個(gè)運(yùn)作工程中，每個(gè)小組成員各司其職，分工不同但又彼此合作，最終寫出一份完整的實(shí)踐報(bào)告，設(shè)計(jì)出一個(gè)比較滿意的作品。但是由于小組成員研究環(huán)節(jié)不同，所以報(bào)告必須有差異。這一部分就考察了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和動(dòng)手能力，意義重大。

（4）CDIO模式下的課程考核標(biāo)準(zhǔn)

將期末成績(jī)中實(shí)踐項(xiàng)目的成績(jī)比重加大為40%，理論課考勤、課堂表現(xiàn)和作業(yè)情況（即平時(shí)成績(jī)）占20%，卷面成績(jī)40%。其中實(shí)踐成績(jī)采用“教師對(duì)學(xué)生的實(shí)踐過程參與程度評(píng)分+小組成員互評(píng)+設(shè)計(jì)報(bào)告完整性評(píng)分+答辯表現(xiàn)評(píng)分”的考核方法。本著以評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)過程的思想為主，這樣的考核結(jié)果更客觀、更合理。

4 結(jié)束語(yǔ)

在本?！半姍C(jī)與拖動(dòng)”課程按上述方式大規(guī)模的改革之前，本人對(duì)本校14級(jí)電氣專業(yè)的2班進(jìn)行了試運(yùn)作，學(xué)生們普遍反映基于CDIO的教學(xué)模式更能激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效率也有很大程度的提高，相比較別的班級(jí)取得了較為滿意的成績(jī)。計(jì)劃以后對(duì)更多的班級(jí)應(yīng)用這種模式，既培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、專業(yè)技能、創(chuàng)新能力、溝通能力和團(tuán)隊(duì)精神，也為以后在職業(yè)生涯中做一名應(yīng)用型的人才打下了結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。

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[2]劉志雄.基于CDIO的實(shí)踐類課程教學(xué)改革研究[J].長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào),2014,28(4):156～157.

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[4]顧佩華,包能勝,康全禮,等.CDIO在中國(guó)(上)[J].高等工程教育研究,2013(3).

[5]歷虹,張巧杰,祁鯤.以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的“電機(jī)與拖動(dòng)”教學(xué)改革研究[J].中國(guó)電力教育,2010,155(4):57～59.

石文昭，1989年8月生，女，漢族，山西忻州人，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，助教，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)榭刂瓶茖W(xué)與工程。