基于工程教育模式的創(chuàng)客課程設(shè)計(jì)

李漢東 羅燦 錢學(xué)文

摘 要 深圳某學(xué)校航空特色創(chuàng)客項(xiàng)目，擬采用CDIO工程教育模式，根據(jù)不同年級(jí)中小學(xué)生的特點(diǎn)，遞進(jìn)式地開展項(xiàng)目研究，達(dá)成“小小飛機(jī)設(shè)計(jì)師”的培養(yǎng)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 創(chuàng)客教育 航空 工程教育模式

0 引言

教育需要適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展。國家的“雙創(chuàng)”戰(zhàn)略旨在培養(yǎng)創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)力量，而學(xué)校的“創(chuàng)客教育”也是這一戰(zhàn)略中的重要組成部分。創(chuàng)客教育以培養(yǎng)未來創(chuàng)客為目標(biāo)，基于學(xué)生的自身興趣，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式，來培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科解決問題的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力與創(chuàng)新能力。對(duì)學(xué)生而言，融合了科學(xué)研究、技術(shù)制作、藝術(shù)創(chuàng)作全過程的創(chuàng)客教育，是能夠帶來完整思維鏈條的教育形式，也是一種獨(dú)特而務(wù)實(shí)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)系統(tǒng)。

CDIO是本世紀(jì)初由麻省理工學(xué)院首先發(fā)展起來的一種工程教育模式，其含義為構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）、運(yùn)作（Operate）四個(gè)英文單詞的縮寫，“構(gòu)思”指明確客戶的需求，考慮技術(shù)、企業(yè)戰(zhàn)略與制度等因素，不斷改進(jìn)概念、技術(shù)與商業(yè)計(jì)劃;“設(shè)計(jì)”指制訂開發(fā)的產(chǎn)品系統(tǒng)所需的各種計(jì)劃、圖紙與算法;“實(shí)施”指把設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的過程，包括硬件制造、軟件編程、測試、檢查與驗(yàn)證;“運(yùn)行”指對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)的維護(hù)、優(yōu)化與淘汰等。CDIO模式以產(chǎn)品、生產(chǎn)流程與系統(tǒng)從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，通過系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技術(shù)知識(shí)、個(gè)人能力、職業(yè)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作交流能力，培養(yǎng)在企業(yè)與社會(huì)環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行的綜合能力。

深圳某學(xué)校的航空特色創(chuàng)客項(xiàng)目擬采用CDIO工程教育模式開展項(xiàng)目研究。以模型飛機(jī)為載體，以創(chuàng)意為前提，以改進(jìn)為銜接，循環(huán)遞進(jìn)，達(dá)成“小小飛機(jī)設(shè)計(jì)師”的培養(yǎng)目標(biāo)（見圖1）。

1 課程總體設(shè)計(jì)

飛行是人類永恒的夢(mèng)想，在不同的歷史時(shí)期，不同年齡段的人都表達(dá)了對(duì)飛行的追求。航空文化的本質(zhì)是創(chuàng)新文化與探索文化，飛機(jī)則承載著工業(yè)時(shí)代的重要文化特征。現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及機(jī)械、電子、化工、材料、軟件等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。通過縮微版的飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)試飛的全過程，能夠?qū)W習(xí)航空知識(shí)，鍛煉工程動(dòng)手能力，更能學(xué)習(xí)到科研的方法論，體會(huì)到航空的精細(xì)設(shè)計(jì)、悉心制作、協(xié)同勞動(dòng)及嚴(yán)苛管理的過程。

本項(xiàng)目的課程以工程教育先進(jìn)模式CDIO為指導(dǎo)，并結(jié)合我國《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中技術(shù)與工程相關(guān)內(nèi)容，將學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間劃分為小學(xué)、初中、高中年級(jí)三個(gè)學(xué)段，不同年級(jí)的孩子可以嘗試完成全流程的模型飛機(jī)設(shè)計(jì)過程。同時(shí)，課程設(shè)計(jì)中的小學(xué)、初中、高中三個(gè)階段從知識(shí)點(diǎn)、技能以及理解接受力相互連貫，充分體現(xiàn)了STEAM的思想。小學(xué)每學(xué)期設(shè)計(jì)了4～5個(gè)項(xiàng)目;初中設(shè)計(jì)2～3個(gè)項(xiàng)目;高中設(shè)計(jì)1個(gè)項(xiàng)目。項(xiàng)目銜接了中學(xué)教育到大學(xué)教育階段的過渡，強(qiáng)大的導(dǎo)師支援團(tuán)隊(duì)以航空專家為依托，提供技術(shù)支持。學(xué)生在夏令營活動(dòng)時(shí)可以實(shí)地考察飛機(jī)相關(guān)試驗(yàn)，包括大型的風(fēng)洞試驗(yàn)以及相關(guān)的試飛活動(dòng)，獲得真實(shí)感受。航空相關(guān)項(xiàng)目將組織學(xué)生參加全國航空學(xué)會(huì)、相關(guān)航空單位的比賽活動(dòng)，獲獎(jiǎng)學(xué)生可獲后期優(yōu)先權(quán)。

按照CDIO的模式，本項(xiàng)目在創(chuàng)客課程中增加了科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)以及人文因素，按照工業(yè)化的思路及系統(tǒng)的方法進(jìn)行課程設(shè)計(jì)：

（1）各年級(jí)每學(xué)期完成一款至多款飛機(jī)。四到六年級(jí)完成紙飛機(jī)模型;軟陶飛機(jī)模型制作;KT板飛機(jī)模型;橡筋動(dòng)力模型;手拋機(jī)模型;木鳥滑翔機(jī)模型;萊特兄弟紙木模型。七到八年級(jí)完成昆蟲動(dòng)力模型;飛魚模型;焊接飛機(jī)模型;彈射架飛機(jī)模型;葉雕飛機(jī);繪制航空畫;電容遙控飛機(jī)。十到十一年級(jí)完成電動(dòng)遙控飛機(jī);遠(yuǎn)古飛行器反設(shè)計(jì);像真機(jī);輕木飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);多旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì);新型飛機(jī)設(shè)計(jì);地面飛行模擬駕駛。

（2）任何一款飛機(jī)模型的制作都需要經(jīng)歷五個(gè)階段，即創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)與優(yōu)化。創(chuàng)意階段需要自己查找資料，可以從古老的飛行器（瑪雅、古埃及等）;中國另類四大發(fā)明（紙鳶、竹蜻蜓、孔明燈、火箭）;自然界鳥類飛行、昆蟲飛行;萊特兄弟、一戰(zhàn)飛機(jī)、二戰(zhàn)飛機(jī)、軍機(jī)、客機(jī);現(xiàn)代軍機(jī)、無人機(jī)的發(fā)展沿革中找到靈感，找到原型機(jī)或改進(jìn)型，這會(huì)用到許多圖庫與原型機(jī)資料。設(shè)計(jì)階段則是將思路變成圖紙的過程，可用模板、手繪以及不同的3D軟件。制造階段可以通過手工、或3D打印或激光方式進(jìn)行切割;可進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，運(yùn)用數(shù)字軟件或試飛驗(yàn)證。最后進(jìn)行性能指標(biāo)優(yōu)化（飛行距離、滯空時(shí)間）;滿足某一需求的設(shè)計(jì)改進(jìn);新能源及新材料的應(yīng)用;飛機(jī)的微型化設(shè)計(jì)。

（3）不同年齡段的學(xué)生，都需要循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)航空知識(shí)、航空技術(shù)，并在創(chuàng)意激發(fā)的過程中系統(tǒng)掌握工程中各種技能。

（4）每個(gè)階段只需要一個(gè)老師，或者一個(gè)老師負(fù)責(zé)幾個(gè)階段。

2 航空科技知識(shí)配套設(shè)計(jì)

針對(duì)小學(xué)、初中、高中三個(gè)學(xué)習(xí)階段，本項(xiàng)目對(duì)相應(yīng)的配套航空科技知識(shí)進(jìn)行了配套設(shè)計(jì)，這些課程以及航空知識(shí)點(diǎn)循序漸進(jìn)地設(shè)計(jì)進(jìn)了不同年級(jí)學(xué)生的項(xiàng)目中，共分為六個(gè)部分：

（1）真實(shí)童話——航空故事集錦。從飛天神話到萊特兄弟，從水上飛機(jī)到航空母艦、最快的飛機(jī)、航程最遠(yuǎn)的飛機(jī)等28個(gè)故事，讓小學(xué)生從故事中學(xué)習(xí)到航空知識(shí)。

（2）炫酷機(jī)器——航空知識(shí)入門。講述飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、種類與用途，穿插一些鮮為人知的歷史故事，讓小學(xué)生能感受到航空器種類的繁多以及對(duì)人類生活的巨大改變。

（3）飛翔奧秘——航空百科問答。飛機(jī)有倒擋嗎？飛機(jī)在天上飛是如何知道方向的？是起飛危險(xiǎn)還是降落危險(xiǎn)？飛行員叔叔要經(jīng)歷那些體能訓(xùn)練？飛機(jī)上的電從那里來的？許多航空問題，在這里為學(xué)生一一解答。

（4）放飛夢(mèng)想——制作航空模型。系統(tǒng)全面地告訴學(xué)生如何制作航空模型，從紙飛機(jī)到遙控固定翼飛機(jī)，以及各類模型的競賽規(guī)則。飛機(jī)模型是走向航空科技大門的敲門磚，只有親身參與才能體會(huì)到飛行的奧妙與無窮樂趣。

（5）探索藍(lán)天——航空技術(shù)基礎(chǔ)。介紹伯努利定理、風(fēng)洞及風(fēng)洞試驗(yàn)、各類飛行儀表及工作原理、飛機(jī)的各大系統(tǒng)等一些基礎(chǔ)技術(shù)知識(shí)。飛機(jī)是綜合的系統(tǒng)工程，需要方方面面的協(xié)作才能成功。

（6）駕馭神鷹——飛機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)。講解與飛機(jī)駕駛相關(guān)的內(nèi)容，包括航空氣象、地面設(shè)施與空中交通管理系統(tǒng)、航空生理及航空心理、地面模擬飛行與飛行體驗(yàn)等。

3 航空模型制作實(shí)踐課程設(shè)計(jì)

根據(jù)不同年齡段學(xué)生的特點(diǎn)，小學(xué)以紙、KT板為主，動(dòng)力為手?jǐn)S或橡筋;初中以木制、金屬焊接、3D打印為主，動(dòng)力為電容/鋰電池、昆蟲;高中以遙控飛機(jī)模型及反設(shè)計(jì)為主。根據(jù)學(xué)生不同的年齡段遞次開展知識(shí)學(xué)習(xí)和技能提升（見表1）。

在理論與實(shí)踐課程以外，學(xué)生還能夠在假期利用一個(gè)特定的時(shí)間參與仿古飛行器設(shè)計(jì)、深圳號(hào)無人機(jī)設(shè)計(jì)、未來航天器設(shè)計(jì)、場景模型設(shè)計(jì)、復(fù)合材料設(shè)計(jì)制作、飛行模擬器動(dòng)感座椅設(shè)計(jì)、微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)以及萊特兄弟風(fēng)洞設(shè)計(jì)等方向的研究，以更好地提升科技素養(yǎng)與能力。

參與本項(xiàng)目培育的學(xué)生，在“創(chuàng)新杯”全國未來飛行器設(shè)計(jì)大賽（中國航空學(xué)會(huì)）、“飛航杯”全國未來飛行器設(shè)計(jì)大賽（中國宇航學(xué)會(huì)）、其他設(shè)計(jì)院所、航空企業(yè)主辦的設(shè)計(jì)大賽等全國性賽事，以及外觀設(shè)計(jì)與發(fā)明專利申請(qǐng)、航空院校自主招生、私人飛機(jī)駕照的獲取等方面，都將有所收獲。

4 結(jié)語

創(chuàng)客教育課程通過有針對(duì)性的理論與實(shí)踐課程，能夠?qū)W(xué)生培養(yǎng)成為富有創(chuàng)造力的“創(chuàng)客”，而將CDIO工程教育模式的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)作等流程融入創(chuàng)客教育，通過航空模型科研模式中的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)及優(yōu)化等階段漸次提升，也能夠幫助學(xué)生在接受培育期間，清楚地了解到工程項(xiàng)目的研究方法，在知識(shí)與技能、過程與方法及情感態(tài)度與價(jià)值觀等方面都得到鍛煉和提升，有助于青少年學(xué)生未來成為有創(chuàng)造力的人才。

參考文獻(xiàn)

[1]沈海軍，孫延波，李漢東.微小飛機(jī)設(shè)計(jì)與制作漸進(jìn)教程[M]北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2019.

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[3]王剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考[J].中國高教研究，2009（5）：86-87.

（2019-07-17收稿，2019-10-25修回）

作者簡介：李漢東（1966—），男，高級(jí)工程師，從事航空科普工作，E-mail： woko9692@163.com。

Abstract In order to explore the application of the CDIO engineering education model in maker education， a school special aviation maker project in shenzhen plans to adopt the research mode to carry out education according to the characteristics of primary and middle school students of different grades and achieve the training goal of? "small aircraft designer".

Keywords maker education， aviation， engineering education model