基于IEET工程認(rèn)證的產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐課程教學(xué)研究

祝勝光　劉保軍　鄭茂溪　王海雄

［摘 要］面向機(jī)械專業(yè)IEET工程認(rèn)證所開(kāi)設(shè)的產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐頂石課程，旨在檢視和提升學(xué)生的專業(yè)核心能力，然而在實(shí)踐過(guò)程中，存在選題過(guò)于開(kāi)放、團(tuán)隊(duì)成員“吃大鍋飯”、進(jìn)度管理困難、報(bào)告質(zhì)量一般、評(píng)分模糊等問(wèn)題。為改變這一現(xiàn)狀，文章提出實(shí)戰(zhàn)性強(qiáng)的選題方法，構(gòu)建出基于CDIO模式的實(shí)踐報(bào)告框架，引入甘特圖進(jìn)行成員設(shè)計(jì)進(jìn)度可視化管理，并對(duì)12項(xiàng)核心能力指標(biāo)進(jìn)一步細(xì)分和量化。通過(guò)引入這些教學(xué)措施，整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程目標(biāo)明確、協(xié)作高效、報(bào)告質(zhì)量較高、評(píng)價(jià)較為客觀。

［關(guān)鍵詞］IEET；產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐；CDIO；甘特圖；核心能力

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）20-0080-04

中華工程教育學(xué)會(huì)（IEET）2014年執(zhí)行認(rèn)證審查時(shí)，要求大學(xué)的課程組成中必須包括整合性的“總整課程”，也就是所謂的頂石課程。關(guān)于頂石課程的建設(shè)，許多教育學(xué)者提出了各種建設(shè)辦法，其中陳仁等[1]提出基于OBE（成果導(dǎo)向教育）理念的頂石課程建設(shè)，開(kāi)展了以教師團(tuán)隊(duì)建設(shè)和專題實(shí)作為抓手培養(yǎng)和檢驗(yàn)學(xué)生核心能力的教學(xué)研究；SIIN等[2]研究了CDIO［Conceive （構(gòu)思）、 Design （設(shè)計(jì)）、Implement （實(shí)現(xiàn)）、Operate （運(yùn)行）］工程教育模式在機(jī)械工程頂石課程項(xiàng)目中的應(yīng)用。

然而基于核心能力培養(yǎng)的頂石課程項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中，關(guān)于存在的團(tuán)隊(duì)成員“吃大鍋飯”、進(jìn)度管理困難、報(bào)告質(zhì)量一般、評(píng)分難以量化等現(xiàn)狀的探討，卻較為少見(jiàn)。為解決上述問(wèn)題，本文將對(duì)作為IEET工程認(rèn)證的產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐頂石課程開(kāi)展教學(xué)研究與建設(shè)，通過(guò)提出實(shí)戰(zhàn)性強(qiáng)的選題方法、構(gòu)建出基于CDIO模式的實(shí)踐報(bào)告框架、引入甘特圖對(duì)成員設(shè)計(jì)進(jìn)展進(jìn)行可視化管理、對(duì)12項(xiàng)核心能力指標(biāo)進(jìn)一步細(xì)化和量化等措施，使整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程目標(biāo)明確、協(xié)作高效、報(bào)告撰寫(xiě)規(guī)范、評(píng)價(jià)客觀。

一、課程培養(yǎng)目標(biāo)

基于IEET工程認(rèn)證面向機(jī)械專業(yè)所開(kāi)設(shè)的產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐頂石課程，是對(duì)學(xué)生以往大學(xué)所學(xué)知識(shí)的一次整合、對(duì)大學(xué)學(xué)習(xí)成效的一次檢測(cè)。學(xué)生通過(guò)具體產(chǎn)品案例的設(shè)計(jì)實(shí)踐，了解產(chǎn)品開(kāi)發(fā)從市場(chǎng)調(diào)研、競(jìng)品分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造到產(chǎn)品市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的全過(guò)程。該課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于如何在指定題目和要求的約束條件下完成設(shè)計(jì)，重在提升學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維及設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到問(wèn)題時(shí)分析解決問(wèn)題的能力，并通過(guò)設(shè)計(jì)合作實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

二、課程教學(xué)設(shè)置

根據(jù)IEET工程認(rèn)證的要求，頂石課程的核心為團(tuán)隊(duì)合作、動(dòng)手做、整合所學(xué)[3]。因此該課程主要目的不在學(xué)習(xí)新知識(shí)新技能，實(shí)踐過(guò)程必須分組而非個(gè)人獨(dú)自完成，每小組5～6名學(xué)生，通過(guò)合作共同開(kāi)展一個(gè)主題設(shè)計(jì)，學(xué)生整合所學(xué)動(dòng)手做，教師給予充分指導(dǎo)。實(shí)踐過(guò)程產(chǎn)出的成果可以是實(shí)物制作、3D模型、計(jì)算機(jī)仿真或其他形式的可視化設(shè)計(jì)，要求撰寫(xiě)實(shí)踐設(shè)計(jì)報(bào)告并進(jìn)行課題答辯。本課程在第七學(xué)期設(shè)置，共64學(xué)時(shí)，具體配置見(jiàn)表1。

三、課程實(shí)施過(guò)程改革

（一）選題

為了讓產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐課程更具有實(shí)戰(zhàn)性和專業(yè)性，并能有科研成果或競(jìng)賽成果產(chǎn)出，同時(shí)約束跨專業(yè)或跨領(lǐng)域選題，機(jī)械專業(yè)實(shí)踐選題優(yōu)選圍繞以下三大方向：

1.教師的科研項(xiàng)目，優(yōu)選機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目

讓學(xué)生參與教師的機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目是非常適合的，因?yàn)闄C(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)同時(shí)需要團(tuán)隊(duì)合作和較多的機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，符合機(jī)械專業(yè)培養(yǎng)方向。同時(shí)，學(xué)生參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，容易產(chǎn)出專利等成果。

2.以競(jìng)賽為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行選題

參與競(jìng)賽，能在很大程度上調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性、激發(fā)學(xué)生的潛能，非常能夠鍛煉與提升學(xué)生的綜合能力，同時(shí)學(xué)生出現(xiàn)在各種競(jìng)賽中，也能提升學(xué)校的影響力和知名度。適合機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的競(jìng)賽有全國(guó)/省機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽和創(chuàng)業(yè)計(jì)劃大賽等。

3.將產(chǎn)品專利逆向設(shè)計(jì)作為選題

公開(kāi)的專利說(shuō)明書(shū)里會(huì)給出專利產(chǎn)品的技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容、附圖說(shuō)明和具體實(shí)施方式。教師可選擇難易程度合適的高質(zhì)量機(jī)械產(chǎn)品專利，讓學(xué)生對(duì)其開(kāi)展逆向設(shè)計(jì)。學(xué)生通過(guò)對(duì)專利說(shuō)明書(shū)的解讀，可以認(rèn)識(shí)專利、深化對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的認(rèn)知。在專利逆向設(shè)計(jì)過(guò)程中，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，并挖掘出新的專利。

（二）基于CDIO模板的設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程

CDIO工程教育是一種較新的教育模式，通過(guò)產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的方式學(xué)習(xí)工程，其核心是以工業(yè)產(chǎn)品生命周期為背景，以項(xiàng)目為主線把學(xué)生必須學(xué)到的知識(shí)、素質(zhì)和能力融合在一起[4-5]。然而對(duì)于缺少項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，面對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)象，往往容易陷入思維陷阱，即混沌、茫然、不知從何下手的狀況。為了能夠引導(dǎo)學(xué)生有序地開(kāi)展產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)踐，在企業(yè)開(kāi)發(fā)工程師的協(xié)助下，教學(xué)團(tuán)隊(duì)為學(xué)生構(gòu)建了一個(gè)基于CDIO工程教育模式的設(shè)計(jì)框架（見(jiàn)表2），非常有助于學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)的順利開(kāi)展，同時(shí)也有助于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯清晰的框架設(shè)計(jì)思維。

本文所創(chuàng)建的表2所示的CDIO實(shí)踐報(bào)告模板，除了符合機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的流程，還融合了機(jī)械專業(yè)學(xué)生所學(xué)的專業(yè)課程（如機(jī)械原理、機(jī)械制圖、工程力學(xué)，液壓與氣壓傳動(dòng)等）及專業(yè)軟件（如SolidWorks、AutoCAD、Ansys等）。因此本文所創(chuàng)建的CDIO模板既符合IEET工程認(rèn)證所要求的專業(yè)知識(shí)整合，又給學(xué)生提供了一個(gè)明確的工程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程。

（三）基于甘特圖的設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程

團(tuán)隊(duì)合作、動(dòng)手做是頂石課程的核心要求，但在缺乏外界環(huán)境的約束與管理時(shí)，人的惰性容易讓執(zhí)行力大打折扣，實(shí)踐進(jìn)度也會(huì)很難推進(jìn)。甘特圖作為項(xiàng)目進(jìn)度管理的可視化工具與方法[6]，簡(jiǎn)單易懂，因此在產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐課程中可引入甘特圖進(jìn)行實(shí)踐進(jìn)度管理。設(shè)計(jì)實(shí)踐分組完成后，設(shè)定項(xiàng)目組長(zhǎng)進(jìn)行任務(wù)分配與進(jìn)度跟蹤管理，各項(xiàng)目組長(zhǎng)定期向指導(dǎo)老師提交甘特圖，反饋進(jìn)度狀況。

在設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)中，任務(wù)間存在三種關(guān)系：串行，即一個(gè)任務(wù)的開(kāi)始依賴于前一個(gè)任務(wù)的輸出，如運(yùn)動(dòng)仿真，工程圖依賴于前一任務(wù)的3D建模；并行，即一個(gè)任務(wù)與另一個(gè)任務(wù)可以同時(shí)開(kāi)展，如一臺(tái)設(shè)備可拆分為多個(gè)子裝配體同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)；耦合，即每個(gè)任務(wù)的完成都需要另一個(gè)任務(wù)的輸出，如力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。要求項(xiàng)目組組長(zhǎng)繪制好任務(wù)關(guān)系圖，在甘特圖中做好時(shí)間節(jié)點(diǎn)分配。

（四）基于CDIO設(shè)計(jì)實(shí)踐模板的核心能力量化指標(biāo)評(píng)分表

基于IEET工程認(rèn)證的12項(xiàng)核心能力要求能滿足絕大多數(shù)課程培養(yǎng)的評(píng)價(jià)，然而其核心能力指標(biāo)比較主觀，在實(shí)際評(píng)分過(guò)程中，存在難以量化的不足[7]。本課程根據(jù)機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)方向制定CDIO實(shí)踐模板，有的放矢地匹配核心能力指標(biāo)，也根據(jù)核心能力指標(biāo)配置CDIO模板內(nèi)容，從而構(gòu)建出基于CDIO設(shè)計(jì)實(shí)踐模板的機(jī)械專業(yè)核心能力量化評(píng)分表（見(jiàn)表3）。限于篇幅，本文只列舉其中一個(gè)核心能力。

核心能力9：能夠在團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)個(gè)體角色，具有團(tuán)隊(duì)合作的能力。評(píng)分點(diǎn)分為在團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)個(gè)體角色與團(tuán)隊(duì)合作能力，權(quán)重均為0.05。對(duì)核心能力要點(diǎn)評(píng)分主要根據(jù)甘特圖和組員評(píng)價(jià)細(xì)分為4個(gè)檔次，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的精準(zhǔn)客觀評(píng)價(jià)。

（五）答辯路演展示環(huán)節(jié)

答辯路演展示環(huán)節(jié)是整個(gè)實(shí)踐過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)，從流程上，可檢查推進(jìn)學(xué)生的設(shè)計(jì)實(shí)踐進(jìn)度；從技術(shù)上，可給予指導(dǎo)老師與學(xué)生面對(duì)面交流及組員間相互學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)；從心理上，可讓學(xué)生基于所付出的努力獲得成就感。答辯路演展示環(huán)節(jié)至少分三個(gè)階段，即開(kāi)題答辯、中期答辯與結(jié)題答辯。答辯會(huì)上，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)制作好匯報(bào)PPT，講解設(shè)計(jì)過(guò)程、展示設(shè)計(jì)成果、提出所遇到的困難等。PPT答辯匯報(bào)時(shí)，可采取團(tuán)隊(duì)成員同時(shí)上臺(tái)、組員根據(jù)各自任務(wù)分工進(jìn)行分時(shí)講解的模式。答辯路演展示環(huán)節(jié)根據(jù)實(shí)際情況需要，可線上或線下增加答辯次數(shù)。

四、結(jié)語(yǔ)

在 IEET工程認(rèn)證指引下，本文根據(jù)頂石課程的核心思想，探討了面向機(jī)械專業(yè)所開(kāi)設(shè)的產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐頂石課程的教學(xué)設(shè)置與實(shí)施過(guò)程。本文提出可科研產(chǎn)出與競(jìng)賽獲獎(jiǎng)的選題方向，結(jié)合企業(yè)自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備開(kāi)發(fā)流程與CDIO模式構(gòu)建出實(shí)踐報(bào)告模板框架，引入甘特圖進(jìn)行項(xiàng)目進(jìn)度可視化管理，并進(jìn)一步細(xì)分和量化核心能力評(píng)分表。通過(guò)這些舉措，為即將畢業(yè)的學(xué)生提供實(shí)戰(zhàn)性鍛煉與檢視自身能力的機(jī)會(huì)。本課程教研團(tuán)隊(duì)將跟蹤統(tǒng)計(jì)修過(guò)該課程的畢業(yè)生的反饋與建議，逆向完善該課程的教學(xué)實(shí)踐舉措。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：周侯辰］