新CDIO理論在《機(jī)械原理》課程教學(xué)中的應(yīng)用

宋娓娓　施云貴　劉勝榮　汪洪峰　高琴

摘要：本文選用《機(jī)械原理》這門課程，從傳統(tǒng)的教學(xué)方法、CDIO教學(xué)方法分析教學(xué)過(guò)程中存在的弊端和不足，進(jìn)而創(chuàng)新性的引用新的CDIO教學(xué)模式，有效解決了目前學(xué)生不能很好掌握《機(jī)械原理》知識(shí)的不足，提升了學(xué)生的理解能力，促進(jìn)了學(xué)生積極、靈活的應(yīng)用《機(jī)械原理》的相關(guān)知識(shí)，并由此提出了能夠在實(shí)踐、理論的不斷切換中教授《機(jī)械原理》知識(shí)，更加有效的發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型本科學(xué)生掌握這一門課程知識(shí)的最佳方法。

關(guān)鍵詞：新CDIO;《機(jī)械原理》;教學(xué)模式;應(yīng)用型本科學(xué)生;創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G642.0???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號(hào)：1674-9324（2019）13-0201-03

美國(guó)麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)在全球經(jīng)濟(jì)一體化大背景下，經(jīng)過(guò)四年理論分析和科學(xué)實(shí)踐獲得了CDIO（Conceive（構(gòu)思）—Design（設(shè)計(jì)）—Implement（實(shí)現(xiàn)）—Operate（運(yùn)作））教學(xué)理論[1，2]。其主要培養(yǎng)學(xué)生的理論基本素質(zhì)、個(gè)人能力基本素質(zhì)、協(xié)調(diào)發(fā)展基本素質(zhì)和實(shí)踐操作工程基本素質(zhì)。單純的從CDIO基本描述來(lái)看，其能夠帶領(lǐng)學(xué)生掌握應(yīng)有的基本能力，同時(shí)也提高學(xué)生的操作動(dòng)手能力，有利于學(xué)生未來(lái)的就業(yè)。但從CDIO起源地來(lái)看，就知道歐美國(guó)家的CDIO教學(xué)模式很難在中國(guó)實(shí)現(xiàn)教學(xué)，因?yàn)樗艿狡髽I(yè)、高校、政府以及其他方面的多重因素制約，造成單純的CDIO教學(xué)模式在中國(guó)不易實(shí)現(xiàn)。為了引進(jìn)CDIO的新的教學(xué)模式，又結(jié)合我國(guó)的實(shí)際國(guó)情，應(yīng)對(duì)CDIO教學(xué)模式提出了適合中國(guó)國(guó)情的新CDIO教學(xué)模式，即在構(gòu)思之前加上結(jié)構(gòu)整體認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生從基本的實(shí)物分解出各種運(yùn)動(dòng)，然后在通過(guò)運(yùn)動(dòng)感官認(rèn)識(shí)實(shí)現(xiàn)構(gòu)思，這是第一步，也是最重要的一步;在構(gòu)思之后再進(jìn)行設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)過(guò)程中就應(yīng)該教授學(xué)生基本原理，原理的正確把握才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的基本功能;從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)又是一個(gè)飛躍，僅有設(shè)計(jì)圖未必能夠精準(zhǔn)的制造出想要的設(shè)備或零件，因此，需要增加制造工藝知識(shí)，讓學(xué)生從設(shè)計(jì)到制造能夠精準(zhǔn)對(duì)接;最后是運(yùn)作過(guò)程，也就是產(chǎn)品的成型及調(diào)試過(guò)程，這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其涉及很多的不確定因素，需要在解決的過(guò)程中一一排查，這之間需要增加裝配與維修知識(shí)。基于上述的分析，本文提出新的CDIO教學(xué)模式即是實(shí)物展示—構(gòu)思—基本原理—設(shè)計(jì)—加工工藝—實(shí)現(xiàn)（制造）—運(yùn)作（裝配調(diào)試）。下面，依據(jù)新的CDIO教學(xué)模式對(duì)《機(jī)械原理》課程教學(xué)進(jìn)行新的闡述和理解。

一、傳統(tǒng)的《機(jī)械原理》教學(xué)模式

為了有效的闡述新的CDIO教學(xué)模式在《機(jī)械原理》課程教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮的作用更大，必須先對(duì)傳統(tǒng)的《機(jī)械原理》課程教學(xué)模式進(jìn)行分析掌握。傳統(tǒng)的《機(jī)械原理》課程教學(xué)模式過(guò)于教條和死板，基本上按照章節(jié)先是自由度、然后是齒輪設(shè)計(jì)、凸輪設(shè)計(jì)和行星齒輪設(shè)計(jì)等，涉及的內(nèi)容理論性較強(qiáng)，一些剛接觸機(jī)械的學(xué)生很難掌握，只能機(jī)械的記憶和理解，在這種背景下經(jīng)常造成學(xué)生理解錯(cuò)誤、甚至偏離[3-5];近年來(lái)，隨著多媒體技術(shù)的應(yīng)用，一些教師對(duì)《機(jī)械原理》課程教學(xué)方法有所改進(jìn)，增加了一些機(jī)械運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫等，讓學(xué)生能夠基本掌握《機(jī)械原理》這門課是干什么的，但在后期的實(shí)踐和工作中，大家卻往往忘記它或忽視它了，這是造成今天的大學(xué)生為什么很少有創(chuàng)造力的原因[6-8]。

《機(jī)械原理》課程雖然是一門原理性的課程，但其應(yīng)用性強(qiáng)，因此，單純的割裂原理和應(yīng)用很難實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握應(yīng)用，也就造成了學(xué)生認(rèn)為原理知識(shí)可要可不要的現(xiàn)象，這其實(shí)是一種可怕的想法，也不利于機(jī)械專業(yè)學(xué)生掌握應(yīng)有的知識(shí)。

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，《機(jī)械原理》課程教學(xué)讓學(xué)生記憶的知識(shí)較少，實(shí)踐性較差，基本沒(méi)有任何創(chuàng)造思維和想法，從學(xué)生的角度來(lái)講，會(huì)認(rèn)為這門課程的存在必要性較小，未來(lái)工作中應(yīng)用的也較少。

二、CDIO《機(jī)械原理》課程教學(xué)模式分析

在CDIO教學(xué)《機(jī)械原理》課程中，很多學(xué)者一味地追求增加設(shè)計(jì)題目的多樣化來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。這種思維模式從表面上看很有道理，多增加題目提高學(xué)生的認(rèn)識(shí)度，讓他們接觸不同的題型，設(shè)計(jì)不同的實(shí)物，可以鍛煉他們的動(dòng)手能力。但這并沒(méi)有改變學(xué)生的自我認(rèn)識(shí)、意識(shí)和自主能動(dòng)性，因?yàn)閷W(xué)生在教學(xué)過(guò)程中沒(méi)有具體概念、具體實(shí)物的教學(xué)分析，無(wú)法體現(xiàn)功能的重要性，所以，即使他們?cè)O(shè)計(jì)出了所需的產(chǎn)品也沒(méi)有多少自己的東西，更談不上有設(shè)計(jì)的靈魂了，他們只是簡(jiǎn)單的模仿。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，特別是三維設(shè)計(jì)軟件的快速發(fā)展，不少學(xué)者認(rèn)為能讓學(xué)生應(yīng)用不同的設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出所需要的產(chǎn)品就是一種設(shè)計(jì)、就是一種創(chuàng)新。這是嚴(yán)重的違背了設(shè)計(jì)的初衷，違背了設(shè)計(jì)者的創(chuàng)作始源。三維軟件的出現(xiàn)，只是節(jié)約了大家設(shè)計(jì)的時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率，同時(shí)也展示出設(shè)計(jì)的最佳效果。而設(shè)計(jì)本身與三維軟件無(wú)關(guān)。單純的應(yīng)用設(shè)計(jì)軟件也不可能促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的提高和設(shè)計(jì)能力的提高。

在CDIO教學(xué)中，還有人提出通過(guò)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的培訓(xùn)，可以促進(jìn)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力的提高，進(jìn)而促進(jìn)整體協(xié)調(diào)能力的提高。實(shí)質(zhì)上這種想法也是很片面的，任何事物的發(fā)展都是有規(guī)律的，不論是單個(gè)零件的設(shè)計(jì)還是整體設(shè)備的設(shè)計(jì)，最主要的是要保證設(shè)計(jì)原理的正確性以及后續(xù)加工工藝的正確性，這樣才能保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品的合格性和使用性。僅強(qiáng)調(diào)整體設(shè)計(jì)，忽視設(shè)計(jì)原理也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的。從簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)到復(fù)雜的整體設(shè)計(jì)，充分應(yīng)用原理和集體智慧是能夠很好的解決一些應(yīng)用問(wèn)題的，但前期必須是基于原理設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和整體協(xié)調(diào)、合作過(guò)程的有機(jī)結(jié)合，只有這樣，才能在一定程度上發(fā)揮CDIO教學(xué)的作用。CDIO教學(xué)注重團(tuán)隊(duì)合作是十分必要的，但現(xiàn)階段所提到的合作僅為成立一個(gè)興趣小組或者是設(shè)計(jì)小組，共同完成一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，鍛煉學(xué)生的團(tuán)結(jié)合作精神。如果小組的學(xué)生知識(shí)掌握較為牢固，這種組合也許能發(fā)揮一定的作用，可實(shí)際過(guò)程中學(xué)生是邊學(xué)習(xí)邊設(shè)計(jì)鍛煉，根本無(wú)法自由組合完成設(shè)計(jì)任務(wù)，即便能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品也不是客戶需要的，因?yàn)?，組合小組里面根本沒(méi)有掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程和制造過(guò)程的知識(shí)統(tǒng)領(lǐng)者，所以，師徒制的創(chuàng)造設(shè)計(jì)也許更適合現(xiàn)有學(xué)生的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)鍛煉。還有一些學(xué)者已在強(qiáng)調(diào)《機(jī)械原理》教學(xué)過(guò)程中要注重實(shí)踐，這也與CDIO教學(xué)模式相一致。實(shí)踐教學(xué)固然重要，但是，沒(méi)有正確、有效的掌握理論知識(shí)，怎樣才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新和制造創(chuàng)新，這本身就是一對(duì)矛盾體。在這里，理論和實(shí)踐的教學(xué)應(yīng)該是“黃金分割”點(diǎn)才能保證理論、設(shè)計(jì)與制造的統(tǒng)一。

三、新CDIO《機(jī)械原理》教學(xué)模式的分析

為了更好的提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性，促進(jìn)學(xué)生很好的掌握《機(jī)械原理》相關(guān)知識(shí)并能夠靈活應(yīng)用，在原有CDIO教學(xué)模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行新的CDIO模式探索，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（一）增強(qiáng)實(shí)物認(rèn)識(shí)和動(dòng)手能力

學(xué)生在學(xué)習(xí)《機(jī)械原理》知識(shí)之前，最佳的方式是相關(guān)制造企業(yè)短期實(shí)習(xí)半個(gè)月或一個(gè)月，這也是本課程學(xué)習(xí)的一部分，通過(guò)在制造企業(yè)的實(shí)習(xí)過(guò)程，讓學(xué)生掌握什么是設(shè)備，設(shè)備是干什么的，它由哪些東西構(gòu)成，每樣?xùn)|西又是什么樣的，怎樣組裝它們才能成為設(shè)備，才能解決某一問(wèn)題。通過(guò)這樣一系列的問(wèn)題思索，學(xué)生就知道機(jī)械原理是解決實(shí)際生活中能夠代替部分人力達(dá)到省力的設(shè)備或?qū)崿F(xiàn)部分人力無(wú)法直接操作的設(shè)備的基本原理。這樣，學(xué)生的思維能力、想象能力以及創(chuàng)新初步概念就會(huì)慢慢形成。同時(shí)，在制造企業(yè)實(shí)習(xí)階段，授課教師要經(jīng)常引導(dǎo)學(xué)生思考動(dòng)手拆卸、組裝的設(shè)備或零部件的功能能不能用在其他方面上去解決某一個(gè)實(shí)際問(wèn)題。授課教師的不斷引導(dǎo)、不斷提問(wèn)，學(xué)生的思維就會(huì)緊跟授課教師，就會(huì)發(fā)揮自己的能動(dòng)思維，從而提高自己的主觀能動(dòng)意識(shí)，進(jìn)而形成了一定的創(chuàng)新思考行為，這也是學(xué)好《機(jī)械原理》這門課程的關(guān)鍵步驟，有利于學(xué)生日后的掌握及應(yīng)用。它是新CDIO教學(xué)模式的開(kāi)篇功效。

（二）產(chǎn)品構(gòu)思的發(fā)展及完善過(guò)程

有了前面的實(shí)物認(rèn)識(shí)及自己親手拆卸、組裝等過(guò)程的培訓(xùn)，再加上授課教師不斷的提問(wèn)和自己的思考，這種產(chǎn)品構(gòu)思的思維很快就能實(shí)現(xiàn)。但是，光有前面的動(dòng)手、思考還是不能夠完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的構(gòu)思，前期的構(gòu)思僅為初步設(shè)想，必須有機(jī)結(jié)合所要構(gòu)思產(chǎn)品的用途以及現(xiàn)代人的欣賞能力等各個(gè)方面，才能實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)思行為。構(gòu)思不僅是簡(jiǎn)單的想象，還要結(jié)合藝術(shù)、三維軟件等一系列的綜合體，才能將一個(gè)模糊的、未清楚的概念設(shè)計(jì)成有形的、能看見(jiàn)的、好使用的、完美的產(chǎn)品。這一過(guò)程的培養(yǎng)需要第一階段的實(shí)習(xí)，還需要平時(shí)多看、多練、多思考，慢慢形成這一過(guò)程。培養(yǎng)產(chǎn)品構(gòu)思思維最快、最有效的途徑就是由此物聯(lián)想它物，要站在此物的基礎(chǔ)上看更遠(yuǎn)的它物。

（三）產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程

《機(jī)械原理》講述的知識(shí)點(diǎn)很多，原理應(yīng)用也很多，但實(shí)際設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中還是要遵循一定的規(guī)律，不能夠要求設(shè)計(jì)制造要將所有原理應(yīng)用一遍。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中必須先應(yīng)用簡(jiǎn)單的原理實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有功能，在簡(jiǎn)單原理無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一功能時(shí)考慮是否應(yīng)用較為復(fù)雜的原理實(shí)現(xiàn)這一功能，再不行就考慮應(yīng)用多原理有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜功能?？傊?，設(shè)計(jì)的思維就是要從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，在授課過(guò)程中也要培養(yǎng)學(xué)生的思維方式和準(zhǔn)則。另外，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)考慮產(chǎn)品的制造過(guò)程，有些原理雖然簡(jiǎn)單，但涉及實(shí)現(xiàn)原理的零部件具有復(fù)雜性和難加工性也是不可取的，依然需要棄用這一原理，采用其他原理或組合原理實(shí)現(xiàn)這一功能?！稒C(jī)械原理》課程內(nèi)容從表面看僅為理論分析，與實(shí)踐相差較遠(yuǎn)，實(shí)質(zhì)上，這一原理知識(shí)是從長(zhǎng)期的實(shí)踐中提煉而成的，其過(guò)程是復(fù)雜、漫長(zhǎng)的，其理解、應(yīng)用需要大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)才能滿足。因此，設(shè)計(jì)與制造是有機(jī)結(jié)合體，不能夠割裂雙方，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品需求功能。

（四）《機(jī)械原理》知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用操作

掌握了《機(jī)械原理》知識(shí)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，如何自如的應(yīng)用這一知識(shí)點(diǎn)，光靠簡(jiǎn)單的課程設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單的產(chǎn)品加工那是很難實(shí)現(xiàn)的。鑒于這種情況，要求授課教師拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)知識(shí)面，由授課教師帶領(lǐng)學(xué)生參與自己課題中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)或引導(dǎo)學(xué)生參與企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，并通過(guò)企業(yè)的加工設(shè)備最終加工出產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，同時(shí)，要求學(xué)生還應(yīng)結(jié)合自己的知識(shí)和水平，發(fā)散思維，拓展自己的空間想象能力，將現(xiàn)有的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)進(jìn)行多方位、多角度的混合組合、實(shí)現(xiàn)更多的功能。這有利于促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的提高，進(jìn)而將《機(jī)械原理》知識(shí)掌握的更加扎實(shí)、能準(zhǔn)確的靈活使用。

四、結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的CDIO教學(xué)模式應(yīng)用在《機(jī)械原理》課程教學(xué)過(guò)程中，能夠提高學(xué)生的設(shè)計(jì)、制造以及應(yīng)用能力，但是，學(xué)生掌握這一知識(shí)的程度較低，因?yàn)椋瑢W(xué)生很難認(rèn)識(shí)和真正意義上了解這一原理及其用途，不能通過(guò)書本的理解和后期的實(shí)踐想象結(jié)合，就不能很好的將知識(shí)與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，提升學(xué)生更多的想象和理解能力。新的CDIO教學(xué)模式就是在傳統(tǒng)的CDIO教學(xué)模式前面增加了一個(gè)實(shí)習(xí)教學(xué)過(guò)程，先讓學(xué)生掌握實(shí)物，并通過(guò)動(dòng)手讓學(xué)生了解那些機(jī)構(gòu)、零件是干什么的，這樣的組合可以實(shí)現(xiàn)哪些功能？為什么？帶著這些問(wèn)題，后面的課程學(xué)習(xí)就能夠用心聽(tīng)，就能夠自己解決這些疑惑。從實(shí)踐到理論學(xué)習(xí)，再到實(shí)踐，再到理論，再到實(shí)踐的多角度變化，可以將復(fù)雜的原理知識(shí)簡(jiǎn)單化理解，學(xué)生在動(dòng)手中掌握、在動(dòng)手中應(yīng)用，這就是新CDIO教學(xué)模式的目的。

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The Application of the New CDIO Theory in the Teaching of "Mechanical Principles"

SONG Wei-wei，SHI Yun-gui，LIU Sheng-rong，WANG Hong-feng，GAO Qin

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Huangshan University，Huangshan，Anhui 245041，China）

Abstract：This paper uses the course of "Mechanical Principle" to analyze the shortcomings and shortcomings in the teaching process from the traditional teaching methods and CDIO teaching methods，and then innovatively cites the new CDIO teaching mode，which can effectively solve the students' lack of knowledge of the mechanical principle and improve the students' understanding ability.To promote the students to actively and flexibly apply the knowledge of "Mechanical Principles"，and to put forward the knowledge of "Mechanical Principles" in practice and theory，and to give full play to students' imagination and creativity，and to realize the best way for the students to master this course knowledge.

Key words：new CDIO;"Mechanical Principle";teaching mode;applied undergraduate students;innovative ability