基于卓越工程師計劃和CD IO模式的機械設(shè)計課程設(shè)計教學改革

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州510641）

隨著我國高等院校招生人數(shù)逐年增長，高等工程教育在人才培養(yǎng)方面遇到了一個難題：一方面高校畢業(yè)生就業(yè)難度加大，另一方面企業(yè)技術(shù)崗位又難以招聘到合適的、能迅速開展工作的工程技術(shù)人員。產(chǎn)生此矛盾的根本原因是學校人才培養(yǎng)的目標與社會實際需求不一致。為破解矛盾，2010年6月教育部決定啟動卓越工程師教育培養(yǎng)計劃[1]，該計劃是貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項目，也是促進我國由工程教育大國轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ探逃龔妵闹卮笈e措。卓越工程師計劃旨在面向工業(yè)界、面向世界、面向未來，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務(wù)，對促進高等教育面向社會需求培養(yǎng)人才，全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量具有十分重要的示范和引導作用。

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，它是由瑞典皇家工學院和美國麻省理工學院等高校所創(chuàng)立的一種新型的工程教育模式[2]。CDIO 的含義是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和操作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程。CDIO工程教育是以能夠領(lǐng)導現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的現(xiàn)代工程師所需要具備的知識、能力和素質(zhì)為目標，以現(xiàn)代工程實際為背景環(huán)境，采用相互聯(lián)系、相互支撐課程體系培養(yǎng)學生，并讓學生在現(xiàn)代學習和實踐環(huán)境中取得豐富的設(shè)計制作和主動學習的經(jīng)驗，促進學生知識、能力和素質(zhì)的一體化成長。CDIO教育理念是一種面向產(chǎn)品、過程、系統(tǒng)生命周期的工程教育方法，它以產(chǎn)業(yè)需求為導向，以學生為主體，通過理論教學與實踐教學的有機結(jié)合，培養(yǎng)學生的工程應(yīng)用能力、交流能力、團隊協(xié)作能力和終生學習能力等。因此，CDIO教學法非常適合新時期創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，與卓越工程師計劃的目標不謀而合。

1 課程特點與難點

機械設(shè)計是機械類專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，主要講述常規(guī)尺寸的通用零部件工作原理和設(shè)計方法。該課程內(nèi)容系統(tǒng)性、邏輯性不太強，包含各種連接件、傳動件、軸系回轉(zhuǎn)件的設(shè)計、選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計等教學內(nèi)容，具有公式復雜、標準繁多和實踐性強等特點。該課程不僅要求學生學會各種通用零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算方法，而且要求學生具備能夠綜合運用先前學過的基礎(chǔ)理論和技術(shù)知識，結(jié)合生產(chǎn)實際和機器的具體工作條件，進行簡單機械系統(tǒng)設(shè)計的能力。

課程設(shè)計是機械設(shè)計的一個實踐性教學環(huán)節(jié)，是工科機械類學生首次進行的較全面、較系統(tǒng)、較長時間、較貼近工程實際的綜合性設(shè)計訓練，對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，培育學生的工程意識，鍛煉學生的設(shè)計能力，激發(fā)學生的學習興趣，加深學生對課堂教學內(nèi)容的理解和掌握都具有十分重要的作用和意義[3]。

通過多年的教學實踐，課程組發(fā)現(xiàn)機械設(shè)計課程設(shè)計在教學安排和教學要求方面存在以下不足之處：首先，課程設(shè)計時間一般安排在學期末，學生考試周前后，學生需應(yīng)對其它課程考試，無法將主要精力集中到課程設(shè)計；其次，學生未能充分認識課程設(shè)計的意義及重要性，僅僅將其當作理論課的大作業(yè)，抄襲現(xiàn)象較為嚴重；三是評價體系過于偏重圖紙質(zhì)量和設(shè)計計算說明書，未能充分合理考慮學生的創(chuàng)新思維與實踐以及日常設(shè)計活動過程；四是課程設(shè)計的內(nèi)容未能及時與當前一些最新的應(yīng)用技術(shù)相融合，顯得陳舊、單薄。

同時，學生課程設(shè)計的結(jié)果也不樂觀，普遍存在以下問題：（1）綜合應(yīng)用能力較弱。部分學生不能靈活地應(yīng)用先修課程的相關(guān)知識來解決課程設(shè)計的實際問題，譬如不知如何靈活應(yīng)用所學理論力學、材料力學知識對軸進行受力分析、約束反力求解、繪制彎矩圖和強度校核；不能正確地、規(guī)范地利用工程制圖、互換性與技術(shù)測量等課程所學知識繪制裝配圖、零件圖并合理標注尺寸公差、幾何公差。（2）系統(tǒng)設(shè)計的觀念不強。傳統(tǒng)的機械設(shè)計課程設(shè)計過程為傳動方案分析，電機選擇，運動及動力參數(shù)計算，傳動零件與軸的設(shè)計計算，軸承、連接件、潤滑密封件和聯(lián)軸器的選型及校核，箱體及附件結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制裝配圖、零件圖，編寫設(shè)計計算說明書。不少學生將各個階段孤立開來，僅僅按照順序依次計算，計算完畢后再開始畫圖，缺乏系統(tǒng)的整體的觀念，不明白各個環(huán)節(jié)是互相關(guān)聯(lián)的，牽一發(fā)而動全身，某個環(huán)節(jié)的修改會導致其它環(huán)節(jié)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，尤其是在軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計時未能正確執(zhí)行“邊計算、邊畫圖、邊修改”的原則，導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)干涉等問題后不得不大面積返工。（3）工程知識匱乏。對零部件的結(jié)構(gòu)、尺寸和加工、裝配工藝認識不足，對減速器的制造、安裝、調(diào)整、維護等工藝過程缺乏感性認識。在確定減速器整體及零件的結(jié)構(gòu)尺寸、工藝過程和精度要求方面，只會模仿書本的樣圖，只會硬套指導書的經(jīng)驗公式，不知結(jié)合工程實際進行調(diào)整。譬如對齒輪輪轂和輪輻的非加工表面設(shè)計了不合理的尺寸和表面質(zhì)量要求。

2 課程教學改革與探索

為了改進機械設(shè)計課程設(shè)計的教學質(zhì)量，提高學生的創(chuàng)新設(shè)計和工程實踐能力，培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高素質(zhì)機械工程技術(shù)人才，課程組基于卓越工程師教育培養(yǎng)計劃要求和CDIO模式對機械設(shè)計課程設(shè)計進行了教學改革。

（1）優(yōu)化教學計劃

通常課程設(shè)計是安排在理論課結(jié)束之后集中進行，這讓學生感覺兩者之間關(guān)系并不緊密，在態(tài)度上呈現(xiàn)重課程、輕設(shè)計的趨勢，未能很好地實現(xiàn)通過課程設(shè)計鞏固和實踐理論課程的目標。此外，兩周集中設(shè)計的時間太短，學生很難完全領(lǐng)悟機械系統(tǒng)設(shè)計的要領(lǐng)并貫徹實施，很難充分考慮到一些細節(jié)問題并使之完善。再次，課程設(shè)計安排在考試周前后，學生要應(yīng)付課程考試，無法將主要精力用于課程設(shè)計。本課程組將課程設(shè)計任務(wù)化整為零，分散到整個學期相關(guān)章節(jié)的教學活動中去，突破原有的教學模式，從而保證改革手段的長期實施和監(jiān)控。

首先在理論課程開課之初，在機械設(shè)計概論介紹完畢之后就布置課程設(shè)計題目，讓學生充分利用剛學過的機械原理知識根據(jù)機構(gòu)運動簡圖對傳動方案進行分析對比，讓學生自己選擇合適的傳動方案，不搞千篇一律。教師可將課程設(shè)計各階段的進度安排提供給學生參考，鼓勵學生先自學理論課未講到的內(nèi)容，允許學生根據(jù)新獲取的知識適時地調(diào)整設(shè)計方案。由于學生是在接受了設(shè)計任務(wù)之后帶著問題去學習，學習動力增強了，興奮度也提高了。在講解到相關(guān)章節(jié)時，學生也容易向教師提出具體問題，更加容易形成互動。而且也便于教師因材施教，根據(jù)學生的不同情況進行分別指導，容易突出主要問題，從而使理論課教學也更有針對性。這樣也可盡可能降低期末考試周的影響，使學生能根據(jù)自己各項學習任務(wù)的輕重緩急合理安排課程設(shè)計的進度。

（2）豐富設(shè)計內(nèi)容

機械設(shè)計課程是機械類本科生培養(yǎng)方案中的承上啟下的一個環(huán)節(jié)，按照CDIO教育模式，課程設(shè)計內(nèi)容要充分與其它課程有機結(jié)合起來才能發(fā)揮更大的作用，尤其應(yīng)該跟機械原理密切結(jié)合，擴大機械原理部分系統(tǒng)方案對比設(shè)計的比重，鼓勵使用主流三維CAD軟件進行計算機建模與仿真，還應(yīng)適時引入有限元分析、機械優(yōu)化設(shè)計的思想，開展研究型教學，鼓勵學有余力的學生深入學習。同時也可嘗試設(shè)計題目多樣化，甚至由學生自定題目。

在題目選擇上可設(shè)計傳統(tǒng)的齒輪減速器，也可以考慮教師的工程設(shè)計課題，或?qū)W生自選題目（譬如學生研究計劃項目、機械創(chuàng)新設(shè)計大賽項目、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目等），這樣有利于提高學生的積極性與主觀能動性。適當加大機械原理知識應(yīng)用在課程設(shè)計中的比重，要求學生對傳動方案進行充分的分析與比較，使學生全面經(jīng)歷從運動設(shè)計到結(jié)構(gòu)強度設(shè)計，再到精度設(shè)計的機械產(chǎn)品設(shè)計過程。為適應(yīng)用人單位對學生計算機應(yīng)用能力的要求，鼓勵學生利用計算機軟件（Solidworks或ProE）進行三維建模、運動仿真，最終通過軟件實現(xiàn)工程圖出圖，減輕學生繪圖壓力。對于學有余力的學生，將鼓勵其進行有限元分析、疲勞壽命分析和優(yōu)化設(shè)計，在完成課程設(shè)計的同時主動深入學習新知識，提高其綜合素質(zhì)和競爭力。

（3）完善評價方案

通常課程設(shè)計成績評定的主要依據(jù)是圖紙和計算說明書質(zhì)量以及答辯情況，這樣的評定方案難以全面客觀評估學生在整個設(shè)計過程分析解決問題的能力、獨立的工作能力以及投入時間的多少，甚至會出現(xiàn)抄襲者比被抄襲者成績高的個別現(xiàn)象，同時為鼓勵創(chuàng)新，激發(fā)學生的創(chuàng)新熱情，也要求對評價方式進行改革。課程設(shè)計成績評定可從選題的難度、方案的創(chuàng)新性、平時的努力程度、計算過程的完整性、計算結(jié)果的準確性、圖紙的規(guī)范性與正確性、答辯的情況以及學生自我評價等方面綜合權(quán)衡確定。

為便于客觀全面地了解學生參與課程設(shè)計的情況，教師應(yīng)該經(jīng)常前往教室指導課程設(shè)計，但由于教師還有其它教學科研任務(wù)，無法全天呆在教室指導。教師可加入班級的QQ群，這既便于教師通過計算機、智能手機及時回答學生提出的問題，也便于學生就某一設(shè)計問題開展討論，還便于教師根據(jù)學生發(fā)言的情況和頻率來了解學生對知識點的掌握程度和參與課程設(shè)計的熱度，更加客觀公正地評定平時成績。

（4）補充工程知識

招生規(guī)模的擴大，加上工程訓練場地和設(shè)備等資源擴充的滯后，使得學生參加金工實習的學時縮減，能動手實操的訓練項目也大不如前，這導致學生對機械產(chǎn)品制造技術(shù)了解不夠全面，對機械零件的生產(chǎn)工藝過程認識膚淺。工程訓練的不充分直接影響到后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的學習效果。減速器的箱體及其附件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、軸系零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計都需要扎實的加工工藝知識作基礎(chǔ)，否則難以獲得滿意的結(jié)構(gòu)和制造工藝性。教師可以通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)獲取箱體、齒輪、轉(zhuǎn)軸等零件的制造工藝過程錄像，以及常規(guī)加工工藝方法如鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、車削、銑削、刨削、磨削、鉆削、鏜削、鉸削和拉削加工的錄像，并將它們作為班級QQ群共享文件供學生課余時間補充學習或加深認識，從而提高設(shè)計質(zhì)量。

（5）剖析常見錯誤

目前絕大多數(shù)課程設(shè)計指導書偏重于設(shè)計思路、設(shè)計方法和計算過程的闡述以及機械設(shè)計常用標準和規(guī)范的收錄，但對設(shè)計中常見、易犯的錯誤卻一筆帶過，甚至只字未提，這對保證設(shè)計結(jié)果的正確性和提高課程設(shè)計質(zhì)量是不利的。課程組根據(jù)多年的教學實踐，從設(shè)計方法、設(shè)計計算過程和繪圖標注等3個方面對齒輪減速器設(shè)計中的常見錯誤進行了總結(jié)，分析了出錯的原因，給出了相應(yīng)的處理方法[4]。這樣學生可以避免重蹈覆轍，提高設(shè)計效率；教師也可以避免重復對相同的錯誤進行解釋說明，提高工作效率。

3 結(jié)束語

根據(jù)卓越工程師教育培養(yǎng)計劃要求，采用CDIO模式，從教學計劃、設(shè)計內(nèi)容和評價方案等方面對機械設(shè)計課程設(shè)計進行了教學改革。通過教學實踐發(fā)現(xiàn)：所采用的教學改革措施有利于激發(fā)學生的學習興趣，改進機械設(shè)計課程設(shè)計的教學質(zhì)量，為學生今后進行畢業(yè)設(shè)計和從事機械工程行業(yè)打下堅實的理論和實踐基礎(chǔ)，從而有利于提高學生的創(chuàng)新設(shè)計和工程實踐能力、就業(yè)競爭能力、交流能力、團隊協(xié)作能力和終生學習能力，有利于培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高素質(zhì)機械工程技術(shù)人才。