基于工程教育認(rèn)證和CDIO理念的工程制圖課程改革

王曉菲 穆浩志 武 剛 薛立軍

（1.天津市先進(jìn)機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.機電工程國家級實驗教學(xué)示范中心（天津理工大學(xué)），天津300384）

一、工程教育認(rèn)證與CDIO

工程教育認(rèn)證的主要目的是保證工程教育的質(zhì)量，其核心是以學(xué)生為中心，產(chǎn)出為導(dǎo)向，并以持續(xù)改進(jìn)促進(jìn)教育教學(xué)質(zhì)量的不斷提升[1]。在認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，處于基礎(chǔ)位置的則是課程的教學(xué)活動，只有保障課程體系的完成，才能保障畢業(yè)要求的達(dá)成。CDIO（Conceive：構(gòu)思-Design：設(shè)計-Implement：實現(xiàn)-Operate：運行）教育模式是一個廣泛、全面和系統(tǒng)的工程教育改革模式。是以形成產(chǎn)品為目標(biāo)，體現(xiàn)產(chǎn)品從研發(fā)到運行、維護(hù)直至廢棄的全生命過程，使學(xué)生通過對產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行的全生命過程的理解，逐步形成工程理念，使學(xué)生在具有較好的理論理解能力和專業(yè)實踐能力的同時，具有較強的適應(yīng)性學(xué)習(xí)能力和產(chǎn)品統(tǒng)籌等方面的能力，具有較好的團(tuán)隊合作精神，進(jìn)而達(dá)到學(xué)科知識與工程能力的完美結(jié)合[2]。

工程教育認(rèn)證與CDIO的核心都是以學(xué)生為中心，探索工程教育中，學(xué)生“學(xué)什么”、“學(xué)的怎樣”和老師“講什么”、“講的如何”[3]。 不同的是，工程教育認(rèn)證是通過結(jié)果來考核驗證工程教育成果，并持續(xù)改進(jìn)[4]；CDIO關(guān)注的則是有效實現(xiàn)這一目標(biāo)而需要采取的宏觀教學(xué)環(huán)節(jié)。本質(zhì)上講，二者是統(tǒng)一的，但各有側(cè)重。它們對實施工程教育都有著很好的指導(dǎo)意義[5]。

在工程教育認(rèn)證中，畢業(yè)要求的達(dá)成是由課程體系來支撐的，而課程體系的達(dá)成則是由若干門課程共同實現(xiàn)的。工程教育認(rèn)證中，要求專業(yè)根據(jù)自身特點，將畢業(yè)要求細(xì)化為“可評價的學(xué)習(xí)產(chǎn)出”，即可衡量的指標(biāo)點[6-7]，具體地衡量畢業(yè)生的專業(yè)素養(yǎng)，這就給課程應(yīng)達(dá)到的教學(xué)要求提供了較為具體和客觀的標(biāo)準(zhǔn)。CDIO則給出了宏觀的工程教育實施過程，為教學(xué)的具體組織實施提供了明確的教學(xué)思路。按照工程教育認(rèn)證的要求，結(jié)合CDIO理念，不斷深化課程改革，才能在傳授知識點的同時，培養(yǎng)滿足社會需求、具有較強創(chuàng)新能力和較好工程素質(zhì)的人才，承擔(dān)起課程的責(zé)任。

二、課程教學(xué)改革

科技日新月異的發(fā)展，給制造業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)和發(fā)展空間。CDIO工程教育理念建立了一種新型的工程教育模式，給高等工程教育的創(chuàng)新和發(fā)展提出了一個新思路。

工程制圖課程理論嚴(yán)謹(jǐn)、實踐性強，與工程實踐有著密切的聯(lián)系。工程制圖課程是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，尤其是國家標(biāo)準(zhǔn)《技術(shù)制圖》和《機械制圖》開展教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生空間思維和邏輯思維能力，培養(yǎng)學(xué)生工程意識和標(biāo)準(zhǔn)化意識。學(xué)生在接觸本課程之前，標(biāo)準(zhǔn)化意識薄弱、專業(yè)知識較少，尚未形成較強的空間思維能力。因此，學(xué)生的專業(yè)可塑性強。我們應(yīng)充分利用這一時期，有效培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建符合國家標(biāo)準(zhǔn)的“構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運行”的CDIO整體概念，不斷深入工程制圖課程改革，為培養(yǎng)高層次創(chuàng)新應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)。

1.修訂課程大綱

教學(xué)大綱是教師組織和開展教學(xué)工作的依據(jù)，是教學(xué)活動中綱領(lǐng)性文件[8]，是對教師“教什么”和“如何教”以及學(xué)生“學(xué)什么”和“如何學(xué)”的指導(dǎo)。因此，要對工程制圖課程進(jìn)行改革，首先要對大綱進(jìn)行修訂。大綱的制定要以學(xué)生為中心，學(xué)生可以通過教學(xué)大綱了解自己在修讀完課程后應(yīng)具備的能力，并知曉每項能力所對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)環(huán)節(jié)。

教學(xué)大綱中，除了教學(xué)內(nèi)容、重點和難點、作業(yè)等基本內(nèi)容之外，應(yīng)將課程目標(biāo)融入到教學(xué)的各個環(huán)節(jié)。將課程目標(biāo)細(xì)化為知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)等具體目標(biāo)內(nèi)容。同時根據(jù)課程目標(biāo)，明確支撐工程教育認(rèn)證中的畢業(yè)要求指標(biāo)點。如工程制圖課程的一部分教學(xué)內(nèi)容：點、直線、平面的投影；二維圖形的構(gòu)形及繪制；幾何體的構(gòu)型及其投影；組合體的構(gòu)型及表達(dá)；軸測圖；機件圖樣的表達(dá)方法等。這些內(nèi)容對應(yīng)的課程目標(biāo)是：培養(yǎng)學(xué)生會利用投影原理和方法用二維平面圖形表達(dá)三維空間形狀的能力，使學(xué)生具備空間要素的平面化表現(xiàn)和平面要素的空間轉(zhuǎn)化能力，具備空間思維和邏輯思維能力，以及創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力。該目標(biāo)支撐天津理工大學(xué)機械工程專業(yè)設(shè)定的畢業(yè)要求指標(biāo)點 “1.3掌握機械工程專業(yè)基礎(chǔ)知識，能夠用于機械系統(tǒng)設(shè)計方案和模型的推理和驗證?！焙汀?.1了解裝備制造業(yè)及相關(guān)行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、知識產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)業(yè)政策和法律法規(guī)。”。

在全面了解課程目標(biāo)及所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點的前提下，教師可根據(jù)教學(xué)大綱，融入CDIO理念，自主安排教學(xué)，并根據(jù)教學(xué)情況，及時調(diào)整課程計劃。

2.重建課程結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)工程制圖教學(xué)以識圖和繪圖為主線，內(nèi)容組織層次分明，邏輯性較強。學(xué)生通過循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)，掌握相關(guān)規(guī)范規(guī)定，奠定識圖和繪圖基礎(chǔ)。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容組織模式不僅需要足夠多的教學(xué)課時，而且在結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系方面略顯欠缺，不利于學(xué)生從整體與局部關(guān)系方面思考問題。

目前社會急需具有堅實專業(yè)基礎(chǔ)，同時具有較強創(chuàng)新能力的人才，這就對傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容組織模式的改革形成倒逼趨勢，我們結(jié)合工程教育認(rèn)證，融入CDIO理念，在教學(xué)大綱指導(dǎo)下，對課程結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建，一方面應(yīng)很好地將課程知識點傳授給學(xué)生，同時應(yīng)有意識地培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，使學(xué)生達(dá)成課程目標(biāo)。對一些機器/部件等，可按照“整體-局部-整體”的思路進(jìn)行講解，從特定的較復(fù)雜的研究對象入手，將其分解為若干幾何體；再引入投影、畫法幾何、三視圖、剖視圖等概念；最后，再將已表達(dá)的幾何體“合成”為原來復(fù)雜的機器/部件。

如在講授球閥結(jié)構(gòu)時（圖1[9]），首先向?qū)W生介紹球閥的工作原理，使學(xué)生從整體上對球閥有概括的了解，然后再將其進(jìn)行分解，并詳細(xì)講解每部分的結(jié)構(gòu)、作用及其工程圖 （包括截切 （球的截切）、螺紋及螺紋緊固件、零件圖的繪制、裝配圖等內(nèi)容）。這樣不僅可以使學(xué)生很好掌握課程中的相關(guān)知識點，建立標(biāo)準(zhǔn)化意識，使學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范的識圖和繪圖的習(xí)慣，同時通過“整體-局部-整體”的反復(fù)過程，使學(xué)生從一開始就建立整體與局部的聯(lián)系，能有效掌握“部件”與“整體結(jié)構(gòu)”的關(guān)系，此方法為CDIO中的“構(gòu)思”奠定了思維基礎(chǔ)。

圖1 球閥

三、教學(xué)方式改革

1.轉(zhuǎn)變師生關(guān)系

傳統(tǒng)教學(xué)方式中，教學(xué)活動往往是教師處于“講、教”的主動地位，而學(xué)生往往處于“聽、學(xué)”的被動地位。但是，在當(dāng)前創(chuàng)新要求愈來愈高的形勢下，僅滿足教師教什么學(xué)生就學(xué)什么是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)主動性的發(fā)揮，更難以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。在工程教育理念中，學(xué)生是中心，因此，整個教學(xué)活動應(yīng)從以教師的“教”為中心轉(zhuǎn)化為以學(xué)生的“學(xué)”為中心，教師、學(xué)生在教學(xué)活動中的位置是教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體。教學(xué)過程中，教師鼓勵引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主、探究性學(xué)習(xí)，在課堂授課、實驗等教學(xué)環(huán)節(jié)中，采取設(shè)疑式、啟發(fā)式、討論式等教學(xué)方式，鼓勵學(xué)生積極思考，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。同時，根據(jù)學(xué)生的實際情況，本著賞識教育、因材施教、全面提高的原則，對于感到教學(xué)內(nèi)容“吃不飽”的學(xué)生，教師及時引導(dǎo)，在知識的深度和廣度方面給他們提供更大的空間，對于“吃不了”的學(xué)生首先發(fā)現(xiàn)并肯定他們身上的優(yōu)點，同時在學(xué)習(xí)方法和知識點方面耐心輔導(dǎo)，使得他們逐漸由 “吃不了”向“吃不飽”轉(zhuǎn)化。正確的師生位置關(guān)系有助于提高工程制圖課程的工程教育質(zhì)量。

2.線上線下教學(xué)互補

線上是指我?；谀秸n理念借助于互聯(lián)網(wǎng)建立的在線課程，如圖2所示。線下則是指課堂授課等非在線課程的教學(xué)。在線課程的建立充分利用了網(wǎng)絡(luò)資源，延展了教學(xué)時空，學(xué)生可利用碎片時間隨時隨地學(xué)習(xí)。為了更好發(fā)揮在線課程在工程教育中的作用，有必要圍繞CDIO教育模式，實現(xiàn)“線上線下”互補。

圖2 工程制圖在線課程

在線課程的建立，學(xué)生不僅可以通過在線課程了解課程的目標(biāo)、教學(xué)進(jìn)度，查看電子模型，還可以在線提問以及提交作業(yè)。對于一般容易理解的知識點，學(xué)生可在教師的引導(dǎo)下，通過在線課程自主學(xué)習(xí)。進(jìn)而有效激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

基于在線課程，教師在課堂教學(xué)過程中，重點可放在知識點之間的關(guān)聯(lián)、結(jié)構(gòu)的原理、機械結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)，以及跨學(xué)科拓展等方面。結(jié)合多媒體課件、模型、板書式等教學(xué)手段，將關(guān)鍵的知識點講深講透，特別是結(jié)構(gòu)體的關(guān)聯(lián)性、特點、應(yīng)用場景等，有意識培養(yǎng)學(xué)生的聯(lián)想思維能力、分析和綜合能力，培養(yǎng)學(xué)生對產(chǎn)品進(jìn)行“構(gòu)思”和“設(shè)計”的思維方式。

3.增設(shè)課后“構(gòu)思”環(huán)節(jié)

工程制圖課程不但要承擔(dān)傳授圖學(xué)方面知識的任務(wù)，而且要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。CDIO中，“構(gòu)思”就是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的第一步，也是最難的一步。因此不論是在課堂上還是在課后，都應(yīng)對學(xué)生不斷進(jìn)行“構(gòu)思”方面的訓(xùn)練，提高學(xué)生在“構(gòu)思”方面的能力，為今后學(xué)生能不斷地“構(gòu)思”出新的產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。

課后，如果學(xué)生僅停留在完成教師所布置的一些識圖繪圖作業(yè)，而不去在涉及“構(gòu)思”等方面深想一步，這是不利于學(xué)生聯(lián)想思維的培養(yǎng)，不利于工程教育質(zhì)量的提高。為了使學(xué)生在“構(gòu)思”方面得到更多的訓(xùn)練，教師可根據(jù)每次課程的教學(xué)內(nèi)容，一方面布置一定量的涉及知識點的課后作業(yè)，另一方面布置一定量的有關(guān)“構(gòu)思”的課后思考題，讓學(xué)生積極思考。我們將這一種課后訓(xùn)練模式稱之為“積思”課后模式。在“積思”課后模式的訓(xùn)練過程中，學(xué)生一方面可通過完成課后作業(yè)，掌握課程知識點，提高識圖繪圖能力；另一方面可通過思考課后有關(guān)“構(gòu)思”的思考題，加深對課程內(nèi)容的理解，拓展思維。這樣，經(jīng)過不斷的課后“積思”訓(xùn)練，有益于學(xué)生在奠定專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，逐漸養(yǎng)成聯(lián)想思維的習(xí)慣，增強創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新能力。

比如對具體圖樣的計算機繪圖，讓學(xué)生課后思考所繪圖樣的特點、應(yīng)用場景以及與所繪圖樣相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)等。學(xué)生不僅能很好掌握計算機繪圖軟件，而且通過課后對有關(guān)問題的深入思考，在聯(lián)想思維方面得到了強化，有益于工程教育。

不可否認(rèn)，教學(xué)方式方法的改革，必須伴隨著對教、學(xué)評價的改革，對于教師教學(xué)效果的評價，應(yīng)注重啟發(fā)式、引導(dǎo)式教學(xué)方法的運用及效果，鼓勵、包容教師對新的教學(xué)方式的不斷探索、嘗試。加大對學(xué)生“構(gòu)思”方面的評價權(quán)重，釋放他們的創(chuàng)新活力。

四、增加設(shè)計型實驗

為了增強學(xué)生的工程思維、創(chuàng)新意識，增加了設(shè)計型實驗，主要涵蓋了CDIO的構(gòu)思、設(shè)計和實現(xiàn)三個方面。通過設(shè)計型實驗，可有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識、全面思考問題的思維方式，使學(xué)生真正做到“做中學(xué)”[10]。

在進(jìn)行設(shè)計型實驗過程中，學(xué)生分組實施。學(xué)生根據(jù)實驗題目和實驗內(nèi)容，在查閱資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計實驗方案，并與教師研討。教師對方案中不合理的地方提出修改建議，由學(xué)生進(jìn)行修改完善。方案確定后，學(xué)生借助于AutoCAD、UG等軟件完成繪圖，有的學(xué)生還通過3D打印實現(xiàn)了實體產(chǎn)品。這個環(huán)節(jié)從整體上培養(yǎng)了學(xué)生對產(chǎn)品的把控能力，同時激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的協(xié)作精神、提高了學(xué)生的交流溝通能力。

在教學(xué)活動中，我們組織實施了鼠標(biāo)、扳手、方向盤等設(shè)計型實驗。在實施過程中，教師首先向?qū)W生介紹已有的產(chǎn)品，指出在設(shè)計時需要注意的問題等，并提出設(shè)計要求，然后學(xué)生根據(jù)所掌握的理論和方法，經(jīng)過巧妙大膽的構(gòu)思、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的設(shè)計，實現(xiàn)一款符合要求的、新穎的產(chǎn)品。

圖3 學(xué)生設(shè)計的方向盤

如在方向盤設(shè)計型實驗中，學(xué)生積極“構(gòu)思”，認(rèn)真“設(shè)計”，并用AUTOCAD等軟件創(chuàng)建其三維模型。通過設(shè)計型實驗，強化了學(xué)生對國家標(biāo)準(zhǔn)的理解，加深了對圓弧連接、三維構(gòu)型等知識點的理解，熟練掌握AUTOCAD等軟件的操作，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的產(chǎn)品化意識和工程素質(zhì)。圖3是學(xué)生自主設(shè)計的方向盤及3D打印機完成的成品。

通過這一較完整的實踐過程的鍛煉，不僅使學(xué)生親身感受到了知識點和基本理論的重要性，激發(fā)了課程學(xué)習(xí)的積極性，而且使學(xué)生了解了產(chǎn)品從構(gòu)思到實現(xiàn)一個完整的形成過程，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程素質(zhì)。有利于學(xué)生掌握工程制圖課程中的知識點，有利于實現(xiàn)課程目標(biāo)，如提高空間思維和邏輯思維能力，創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力等，進(jìn)而實現(xiàn)對畢業(yè)要求的支撐。

五、結(jié)束語

高等工科院校的相關(guān)課程應(yīng)融入CDIO教育理念，結(jié)合工程教育認(rèn)證，提高課程教學(xué)效果和工程教育質(zhì)量。本文結(jié)合工程制圖課程的特點、工程教育認(rèn)證和CDIO，在理解課程內(nèi)容、課程目標(biāo)的基礎(chǔ)上，從教學(xué)大綱、課程結(jié)構(gòu)、授課方式及設(shè)計型實驗等方面具體地論述了課程改革的思考與實踐。