基于CDIO理念的工程訓(xùn)練課程建設(shè)

王景磊 王清華 臧琛

摘 要：為了提升工程訓(xùn)練的辦學(xué)層次和育人質(zhì)量，建設(shè)基于CDIO理念的工程訓(xùn)練課程是必要且可行的。課程建設(shè)以教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)組織為核心內(nèi)容，以師資力量、學(xué)生學(xué)識基礎(chǔ)和教學(xué)案例與物料供應(yīng)為基礎(chǔ)支撐條件，以競賽和項(xiàng)目聯(lián)合為擴(kuò)展和延伸。在以CDIO理念為指導(dǎo)思想的工程訓(xùn)練中，教師成為導(dǎo)師與技術(shù)顧問，以工程師的工作模式培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng);學(xué)生在做中學(xué)，以合作分工的形式完成以工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造為主要內(nèi)容的綜合性學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)理論知識與實(shí)踐技能的有機(jī)結(jié)合。

關(guān)鍵詞：工程訓(xùn)練;課程建設(shè);CDIO;工程教育

中圖分類號：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2020.34.066

0 引言

工程訓(xùn)練是工程教育的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，它擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識的重要職能。工程訓(xùn)練涵蓋的知識面廣泛，系統(tǒng)性與綜合性較強(qiáng)，其理論與實(shí)踐相結(jié)合的鮮明特點(diǎn)決定了它在工程教育體系中發(fā)揮著其他理論與實(shí)驗(yàn)課程無法替代的獨(dú)特作用。工程訓(xùn)練脫胎于金工實(shí)習(xí)，長期以來，工程訓(xùn)練一直延續(xù)著“師傅教，徒弟學(xué)”的教學(xué)模式，學(xué)生學(xué)習(xí)的過程主要是重復(fù)教師的操作方法和步驟，缺乏自主思考和創(chuàng)造。這種教學(xué)模式注重對學(xué)生進(jìn)行技能訓(xùn)練，其弊端顯而易見，教師的勞動(dòng)強(qiáng)度大且精神高度緊張，學(xué)生進(jìn)行被動(dòng)學(xué)習(xí)而非主動(dòng)解決問題，收獲十分有限。這種教學(xué)模式適合于培養(yǎng)技術(shù)工人而非工程師，這與本科工程教育的人才培養(yǎng)目標(biāo)存在著較大的差距。

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）、運(yùn)行（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式對工程進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)。CDIO理念以培養(yǎng)學(xué)生的工程技術(shù)基礎(chǔ)知識、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力為主要目標(biāo)，它強(qiáng)調(diào)“在做中學(xué)”，這與工程訓(xùn)練的理論與實(shí)踐相結(jié)合的特點(diǎn)高度契合。CDIO理念為工程訓(xùn)練教學(xué)模式的改革和新的課程建設(shè)帶來了思想啟迪，以CDIO理念為指導(dǎo)實(shí)施工程訓(xùn)練課程建設(shè)及其教學(xué)的改革和創(chuàng)新，以工程師的標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)學(xué)生，使學(xué)生在設(shè)計(jì)創(chuàng)新、解決實(shí)際工程問題、合作分工及溝通協(xié)調(diào)等方面得到全面系統(tǒng)的訓(xùn)練和提升，這是完全必要而且可行的。目前，CDIO理念已經(jīng)被越來越多地植入和運(yùn)用于一些工科理論與實(shí)驗(yàn)課程中，但是在工程訓(xùn)練中的運(yùn)用尚處于探索試驗(yàn)階段。

1 課程建設(shè)的目標(biāo)

以CDIO理念建設(shè)工程訓(xùn)練課程，目的在于提升工程訓(xùn)練的辦學(xué)層次和育人質(zhì)量，把育人目標(biāo)從培養(yǎng)技術(shù)工人提升為培養(yǎng)工程師，將教學(xué)的重點(diǎn)定位于設(shè)計(jì)創(chuàng)新、解決實(shí)際工程問題，強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)與制造的有機(jī)結(jié)合。要把學(xué)生培養(yǎng)成能夠全面思考問題，綜合運(yùn)用已有理論知識解決實(shí)際工程問題，或者能夠?yàn)槟硞€(gè)工程問題提供綜合性解決方案的工程師型的人才。

2 課程的教學(xué)設(shè)計(jì)

基于CDIO理念的工程訓(xùn)練課程要體現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)要求，突出“在做中學(xué)”的教學(xué)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)與制造的有機(jī)結(jié)合。要以簡單工業(yè)產(chǎn)品為載體，要求學(xué)生以合作分工的形式完成從產(chǎn)品功能分析、構(gòu)件拆分、加工方案選擇、零件設(shè)計(jì)與加工工藝制定、零件的加工制造、產(chǎn)品裝配調(diào)試與功能實(shí)現(xiàn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)文件的整理到答辯陳述等環(huán)節(jié)組成的完整訓(xùn)練過程，每個(gè)訓(xùn)練環(huán)節(jié)都要貼近工程師的實(shí)際工作要求。訓(xùn)練流程如圖1所示。

依據(jù)訓(xùn)練流程，以一種實(shí)用小臺燈為具體案例來說明基于CDIO理念的工程訓(xùn)練課程建設(shè)的教學(xué)設(shè)計(jì)。

2.1 小臺燈的功能分析

臺燈的照明功能由電路實(shí)現(xiàn)和控制，實(shí)體的安全性和穩(wěn)定性則由組成臺燈的零部件決定，因此，小臺燈的設(shè)計(jì)與制造分為電路與實(shí)體零部件兩大部分。這里著重對實(shí)體零部件進(jìn)行分析。

2.2 小臺燈的構(gòu)件拆分

構(gòu)成小臺燈的實(shí)體零部件應(yīng)該實(shí)現(xiàn)遮光、支撐、連接、穩(wěn)定放置和美觀等功能，一般包括燈罩、燈口、支撐架、連接柱體（燈身）、底座和連接螺釘?shù)龋浜唵文Ｐ腿鐖D2所示，構(gòu)件拆分如圖3所示。

2.3 加工方案選擇

選擇加工方案要考慮零件的材料屬性、外形特點(diǎn)和尺寸精度等要求。對于燈口、燈身圓柱筒和螺釘?shù)攘慵?，其外形都具有回轉(zhuǎn)表面的特征，主要起連接作用，以螺紋連接即可，這些零件的尺寸不大，但對尺寸精度有一定要求，可以采取車削加工。底座要有一定的重量以起到穩(wěn)定燈身的作用，尺寸稍大，可考慮選取金屬材料為加工原料，采用線切割方法下料并加工輪廓外形。底座上表面可以有裝飾性的凸起花紋，由于形狀較復(fù)雜，可以考慮采用數(shù)控銑削加工。支架尺寸小，其上有連接孔，可以采用鉗工加工。燈罩也為薄壁零件，尺寸大，如采用切削加工方法則材料浪費(fèi)較多，可以考慮采用3D打印的方法加工。

2.4 零件設(shè)計(jì)與加工工藝制定

零件設(shè)計(jì)與加工工藝制定是訓(xùn)練的重點(diǎn)內(nèi)容，考查學(xué)生聯(lián)系和運(yùn)用理論知識的能力。零件設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮被加工材料的特性、以何種機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)零件的功能、加工精度、美觀性、零件之間的配合等問題。制定加工工藝時(shí)要綜合考慮如何安排工序、如何選取切削用量、使用什么樣的機(jī)床、刀具與夾具，機(jī)床的實(shí)際情況以及機(jī)床操作者的操作技能和熟練程度等因素?？偟脑瓌t是零件設(shè)計(jì)要簡單實(shí)用可靠，加工工藝要簡單合理可行，另外還要考慮加工手段的多樣性和經(jīng)濟(jì)性。以最適合的加工方法加工每一種零件，最終要以零件圖和工藝卡片或數(shù)控程序來表達(dá)設(shè)計(jì)和加工意圖。各零件的造型設(shè)計(jì)如圖4、5、6、7、8、9所示。各零件圖紙如圖10、11、12、13所示。

2.5 零件的加工制造

零件的加工制造是訓(xùn)練的重點(diǎn)內(nèi)容，考查學(xué)生的安全意識和操作技能。在零件圖與加工工藝得到工程訓(xùn)練教師認(rèn)可之后，學(xué)生按照選定的加工方案分工種完成零件的加工。學(xué)生要嚴(yán)格遵守安全守則，按照加工工藝完成加工流程。教師要全程監(jiān)控學(xué)生的加工情況，及時(shí)處理機(jī)床、刀具等安全問題，保證人與設(shè)備的安全，確保零件的加工質(zhì)量。

2.6 產(chǎn)品的裝配調(diào)試

將加工好的零件按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行裝配，保證零件之間正確的連接關(guān)系，如出現(xiàn)零件加工質(zhì)量問題則返工處理。對于小臺燈的照明電路這里不做詳細(xì)討論，小臺燈的裝配效果如圖15所示。

2.7 產(chǎn)品設(shè)計(jì)文件的整理

在前述環(huán)節(jié)完成之后，學(xué)生要將所有設(shè)計(jì)文件歸納整理，包括零件設(shè)計(jì)圖紙、加工工藝卡片、數(shù)控加工程序、加工現(xiàn)場照片及零件實(shí)物照片，電路原理圖等文件。撰寫產(chǎn)品設(shè)計(jì)說明書，可參照有關(guān)規(guī)范文件，要求內(nèi)容簡明嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范。

2.8 答辯陳述

在答辯環(huán)節(jié)，學(xué)生除了要闡述產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造等關(guān)鍵問題之外，還要著重說明在整個(gè)訓(xùn)練過程中團(tuán)隊(duì)合作與個(gè)人分工情況，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改進(jìn)方案等內(nèi)容。答辯環(huán)節(jié)是對學(xué)生理論知識、實(shí)踐技能和團(tuán)隊(duì)協(xié)作與分工情況的全面了解，評分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

3 課程的教學(xué)組織

如果把教學(xué)設(shè)計(jì)比喻為零件圖紙，那么教學(xué)組織就是工藝卡片，充分的教學(xué)組織可以促進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)產(chǎn)生良好的教學(xué)效果。為了突出CDIO工程教育理念的“做中學(xué)”的特點(diǎn)，學(xué)生要成為整個(gè)教學(xué)和訓(xùn)練過程的主角，在教學(xué)組織工作中要著重做好師生的角色轉(zhuǎn)變、師生互動(dòng)和教學(xué)形式的多樣性等三方面的工作。

3.1 教師與學(xué)生角色的轉(zhuǎn)變

以CDIO理念建設(shè)工程訓(xùn)練課程，教師與學(xué)生的角色要發(fā)生轉(zhuǎn)變。教師將不再是師傅，而是導(dǎo)師加技術(shù)顧問，除了保證學(xué)生使用加工設(shè)備的安全之外，更要在學(xué)生進(jìn)行選型設(shè)計(jì)、加工方案選擇和加工工藝制定等方面提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，輔導(dǎo)學(xué)生“試著做一名工程師”。學(xué)生將不再是學(xué)徒，不再亦步亦趨地模仿和重復(fù)老師的操作，學(xué)生要通過分工合作的方式自主完成產(chǎn)品的選型設(shè)計(jì)、加工方案和工藝制定、加工制造以及裝配調(diào)試等內(nèi)容，要真正地嘗試著做一名工程師，用團(tuán)隊(duì)的力量解決問題。

3.2 師生互動(dòng)的要求

為了達(dá)成良好的教學(xué)效果，學(xué)生與教師要形成良性互動(dòng)。對于學(xué)生的總體要求是要以團(tuán)隊(duì)的形式參與并完成訓(xùn)練，保持充分的溝通，所有人既要群策群力，共同討論決策，達(dá)成一致意見，又要有明確的個(gè)人分工，每個(gè)人對于總體目標(biāo)的達(dá)成要有自己的貢獻(xiàn)度。對于教師的總體要求是做好學(xué)生的導(dǎo)師和顧問，做到把握正確方向，糾正思路偏差，提供可行建議，保證人機(jī)安全。訓(xùn)練過程中學(xué)生與教師的互動(dòng)要求如表2所示。

3.3 教學(xué)形式

教學(xué)形式可以采取線上與線下相結(jié)合的混合式教學(xué)，將討論環(huán)節(jié)放在線上完成，設(shè)計(jì)與加工制造放在線下完成。另外，在教學(xué)組織中應(yīng)注意融入課程思政的內(nèi)容，例如責(zé)任與使命、工匠精神、安全意識、質(zhì)量意識、合作意識、綜合性思維和工程素養(yǎng)等，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生潛移默化的影響，在提高學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的同時(shí)提升其人文素養(yǎng)。

4 課程建設(shè)的其他方面

建設(shè)基于CDIO理念的工程訓(xùn)練課程是一項(xiàng)系統(tǒng)工作，教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)組織是核心建設(shè)內(nèi)容，其他方面的支持條件也必不可少。

4.1 師資保障

授課教師應(yīng)是“一專多能”型的復(fù)合人才，即精通一種加工工藝，同時(shí)熟悉其他多種加工方法，能夠承擔(dān)多個(gè)工種的教學(xué)任務(wù)。參與教學(xué)的教師人數(shù)不應(yīng)過多，以3-5人為宜，要求教師具有系統(tǒng)扎實(shí)的理論知識，豐富的工程訓(xùn)練教學(xué)經(jīng)驗(yàn)或一定年限的制造類企業(yè)技術(shù)崗位從業(yè)經(jīng)歷，教師組合最好以講師加工程師的搭配為宜，教師隊(duì)伍要具備解決實(shí)際工程問題的能力。

4.2 學(xué)生應(yīng)具備的條件

基于CDIO理念的工程訓(xùn)練課程綜合性較強(qiáng)，辦學(xué)層次較高，因此對學(xué)生的基礎(chǔ)條件提出了更高的要求。學(xué)生應(yīng)具備一定的機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)知識和查找資料的能力，能夠識圖制圖，進(jìn)行簡單設(shè)計(jì)，接觸過機(jī)床設(shè)備并可進(jìn)行簡單操作，具有良好的表達(dá)和溝通協(xié)調(diào)能力，要求學(xué)生在個(gè)體能力和團(tuán)隊(duì)意識上都具有一定的基礎(chǔ)。因此，學(xué)生群體應(yīng)以本科三年級及以上的機(jī)械類相關(guān)專業(yè)學(xué)生為主。目前，此課程適宜以選修課的形式對部分學(xué)生開放，學(xué)生在完成所有訓(xùn)練環(huán)節(jié)并答辯之后，取得學(xué)分，設(shè)計(jì)文件存檔。

4.3 教學(xué)案例及物料

教學(xué)案例以生活用品或?qū)嶒?yàn)器具等簡單工業(yè)產(chǎn)品為原型，其來源以學(xué)生提供為主，工程訓(xùn)練教學(xué)部門提供為輔，工程訓(xùn)練教學(xué)部門應(yīng)準(zhǔn)備一套案例庫，并且案例庫應(yīng)不斷豐富完善。另外，加工用原材料應(yīng)以教學(xué)單位提供為主，學(xué)生自購為輔，材料的經(jīng)濟(jì)成本要控制在合理范圍內(nèi)。

4.4 與其他項(xiàng)目及競賽的關(guān)系

此課程可以與一些包含設(shè)計(jì)與制造內(nèi)容的教學(xué)項(xiàng)目聯(lián)合開展，互為補(bǔ)充，促進(jìn)提升。具備條件的學(xué)校甚至可以與企業(yè)合作，開展聯(lián)合辦學(xué)，將企業(yè)案例引入課堂或者把部分教學(xué)環(huán)節(jié)放到企業(yè)完成。此課程可以作為學(xué)生參加各類競賽的培訓(xùn)課程，可以在學(xué)習(xí)此課程的學(xué)生團(tuán)隊(duì)中擇優(yōu)推薦其參加校內(nèi)外的高水平競賽。

5 結(jié)論與展望

基于CDIO理念的工程訓(xùn)練課程定位于理論與實(shí)踐相結(jié)合的工程師型的人才培養(yǎng)模式。建設(shè)基于CDIO理念的工程訓(xùn)練課程是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作，教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)組織是核心建設(shè)內(nèi)容，師資力量、學(xué)生基礎(chǔ)條件、教學(xué)案例與物料是必備物質(zhì)條件，競賽與項(xiàng)目聯(lián)合則是對此課程的引申發(fā)展。

工程訓(xùn)練課程的建設(shè)和改革任重而道遠(yuǎn)，基于CDIO理念的工程訓(xùn)練課程建設(shè)是對傳統(tǒng)工程訓(xùn)練教學(xué)的改革和提升，是實(shí)行工程師教育的大膽且有益的探索和嘗試。這種探索和嘗試對于全面培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)、提升工程訓(xùn)練教師隊(duì)伍水平、提高工程訓(xùn)練教學(xué)質(zhì)量和推動(dòng)高校工程教育的深入發(fā)展都將起到積極而重大的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]劉榮佩，史慶南，陳揚(yáng)建，等.CDIO工程教育模式[J].中國冶金教育，2011，（5）：911，13.

[2]董浩平.論高等工程教育研究方法[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2010，25（4）：7983.

[3]查建中.論“做中學(xué)”戰(zhàn)略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008，（3）：16，9.

[4]李正，林鳳.從工程的本質(zhì)看工程教育的發(fā)展趨勢[J].高等工程教育研究，2007，（2）：1925.

[5]許鵬奎，虞廬松.我國高等工程教育的發(fā)展現(xiàn)狀、問題及趨勢分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2013，26（4）：633637.

[6]朱高峰.中國工程教育的現(xiàn)狀和展望[J].清華大學(xué)教育研究，2015，36（1）：1320.

[7]王浩程，王曉敏，賈文軍，等.基于過程導(dǎo)向的三元制工程教育模式的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2016，19（2）：225228.

[8]陸小華，熊光晶，陳珠琳，等.設(shè)計(jì)導(dǎo)向的工程教育改革理念[J].高等工程教育研究，2007，（6）：8387.

[9]米偉哲，宋洋，趙亞楠，等.基于CDIO理念改進(jìn)工程實(shí)踐教學(xué)[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2011，（23）：8183.

[10]李蕊，王巖韜，賀毅，等.CDIO人才培養(yǎng)模式下金工實(shí)習(xí)課程改革探索[J].中國民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，30（5）：4145.

[11]楊斌，王振玉.基于產(chǎn)品的工程訓(xùn)練教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（11）：189192.

[12]張春梅，王晶，宋超英，等.以培養(yǎng)大學(xué)生綜合能力為目標(biāo)科學(xué)建設(shè)工程坊[J].實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與管理，2009，26（12）：46，17.