面向CDIO的工程圖學教學改革

郭長虹， 趙炳利， 李興東， 姜桂榮

（燕山大學機械工程學院，河北 秦皇島 066004）

面向CDIO的工程圖學教學改革

郭長虹， 趙炳利， 李興東， 姜桂榮

（燕山大學機械工程學院，河北 秦皇島 066004）

CDIO是當前高等教育的新型人才培養模式，以培養國際化工程師為目標。論文介紹了當前圖學教育中存在的弊病和 CDIO人才培養理念，結合燕山大學等高校實施CDIO教學改革的實踐，提出一系列基于CDIO的工程圖學教學改革措施。實驗證明，該教學模式對于啟發與培養大學生動手能力和創造性十分有效，為后續專業課程的學習、畢業設計與科研工作奠定良好基礎。

工程圖學；CDIO教育模式；立體動態教學平臺；交叉授課

1 目前圖學教學的現狀分析

老師們在畢業設計中發現比較典型的問題是：① 方案設計階段，不少學生感到無從下手，不會表達方案草圖，徒手繪圖能力較差；② 詳細設計階段，不會表達裝配圖，如選擇主視圖和其他視圖等。拆畫零件圖時，不能把零件圖與裝配圖聯系起來，導致零件圖的結構與裝配圖不一致；③ 對標準件、常用件的表達，特別是某些規定和簡化畫法沒有掌握好；④ 尺寸、尺寸公差和形位公差標注存在較多問題，重復、漏標、不規范等。運城學院的圖學教師曲爾光等也認為：“許多機械制造專業畢業的大學生甚至研究生都畫不出能用于生產的圖紙……”[1]。

據麥肯錫咨詢公司的一份研究報告統計，中國工科畢業生只有不到 10%適合跨國公司的工作。在對企業所做的調查中，不少企業責怪“學校的畢業生花拳繡腿，設計出來的東西不切實際，處理問題思路理想化，如結構不合理，裝拆不方便，表達不完善等”。

造成這種局面的原因是傳統的工程教育，在很大程度上重理論輕實踐，忽視團隊協作精神和創新能力培養，與創新型人才的培養目標不相吻合。而CDIO的工程教育模式的改革顯然符合了當前工程教育改革的趨勢。這一改革使知識傳授與能力培養融合在一體化的教育過程與課程實施之中。為此，燕山大學機械工程學院參照外資企業和國產大中型企業對高技能人才的界定，積極借鑒國內外先進教育理念，不斷實踐，形成具有特色的CDIO工程圖學課程體系。

2 CDIO工程教育模式的借鑒和引入

2.1 CDIO的工程教育理念

20世紀末一些國家紛紛進行工程教育模式改革的探索。2000年，麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學，經過四年的探索研究后，提出了CDIO工程教育模式，并成立CDIO國際合作組織。2005年，加拿大工程院院士顧佩華率先將CDIO教學理念引入汕頭大學。2008年5月在汕頭大學召開了“中國 CDIO工程教育模式研討會”，出席研討會近一百所院校的二百多位高校校長一致認為：中國的工程教育，需要學習國際先進經驗，加大改革力度以適應創新型國家建設的需要[2]。由此，我國工程教育改革應用 CDIO模式掀起新高潮。

2.2 注重綜合素質的培養

CDIO是“構思(Conceive )—設計(Design)—執行(Implement)—運作(Operate)”的英文縮寫，其本意是代表一種工程教育模式。構思即針對工程實踐，讓學生掌握專業知識的基本原理，確定未來發展方向；設計即以產品設計與規劃為核心，通過研發，擬解決某一具體的問題；執行即以制造或建造為核心，組織一體化的課程實踐，其中包括學生必須掌握的理論知識與實踐能力；運作即產品應用的各個環節。它以產品的研發到運行的生命周期為載體，通過系統的產品設計培養學生專業技術知識、個人能力、職業能力和態度、團隊工作和交流能力等。CDIO培養大綱，將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、團隊能力和工程系統能力四個層面。這些要求，是直接參照工業界的要求。如波音公司的素質要求，以及ABET（美國工程與技術認證委員會）的標準EC2000而制定的。這個目標是全方位的，涵蓋了在組織中從事工程工作所需的綜合素質。目前一些公司專門為CDIO畢業生制定了高于其他教育模式畢業生15%的工資標準，表明產業界對此種CDIO教育模式的肯定[3]。

2.3 密切聯系產業

CDIO教育模式以產業需求為導向，教學內容和方法與產業發展同步，理論和實踐相結合，以培養適應產業發展的合格的工程人才為目標。CDIO標準直接參照工業界需求，其中構思、設計、實施、運行4個環節就是企業的產品開發流程。同時CDIO模式要求教師具有較好的工程實踐能力，能夠不斷更新工程能力。CDIO模式也要求不斷聽取來自產業的反饋信息，不斷完善教育教學。CDIO模式是融于產業發展并與之同步的工程教育模式。

3 基于CDIO的工程圖學教學改革

CDIO模式強調對學生綜合能力的培養和密切聯系產業等特點，對我國工程教育有較好的啟示和借鑒作用，并在我國工程教育界產生了很大的反響，汕頭大學、清華大學等率先進行了CDIO工程教育改革，并取得較好的成效，目前已有更多的高校參與到CDIO工程教育改革之中。2005年燕山大學機械工程學院院長趙永生教授也帶頭提出各門課程的CDIO教學改革。我們重新審視了多年來制圖改革所取得的長處和不足，參照CDIO模式又切合我校特點制定了基于CDIO的工程圖學教學改革措施，并不斷完善，已取得了可喜成績。

3.1 加強教學團隊建設，提倡交叉授課，注重教師隊伍綜合素質的培養

學習發達國家做法打破教研室概念，組建復合型制圖教學團隊，吸收專業基礎課、專業教師加入，更貼近專業發展。同時原制圖教師通過學習提高，不再單一從事制圖類課程教學，也從事相關專業基礎課、專業課和生產實習、畢業設計指導等教學工作。

復合型制圖教學團隊的建立，以制圖類課程為主線，搭建了基礎課與專業課之間的橋梁，實現了制圖課程和專業課程的縱向貫通，促進學科基礎知識與專業知識的互相滲透和有機結合，有利于合理使用教師資源。同時積極提倡教師進行課程交叉，優化和整合教學內容，承擔機械原理和機械設計等課程的課程設計實踐環節，這樣可以極大豐富和充實制圖教師的講課內容，提高教學質量和教學效率，有助于培養學生的創新意識和工程實踐能力，激發學生學習興趣和熱情。

CDIO模式的實施也對教師提出極高的要求，要求教師們具備豐富的工程實踐經驗，能長期地與企業在各個領域開展合作，并且要對CDIO模式有深刻理解。因此，我院做出相關培育師資力量的規定，比如讓教師尤其是青年教師到企業掛職鍛煉，并與職稱評定、考核晉升等管理制度掛鉤，為教師提供很好的發展機遇和機制，到企業進行工程實踐，提高自身的教學能力、工程實踐能力等綜合能力，進一步促進CDIO模式的有效實施。

目前高校在固定資產管理這一環節操作相對混亂，由于大部分工作由人工操作完成，再加之管理理念的相對落后，所以管理權責存在分配不清、落實不到位等等問題。有些高校表現出固定資產管理工作人心渙散或人手不夠等等問題，這導致他們在固定資產科學管理配備方面無法保證工作任務執行到位，且在科學管理與價值管理方面也無法做到有效兼容，不能做到“誰使用、誰管理”。同時，其固定資產的采購合理性也相對偏差，在入庫登記保管手續方面缺乏健全性，許多固定資產內容隨意放置，這造成了校內固定資產的嚴重流失，間接促使高校出現嚴重經濟損失。

3.2 拓展教學空間，引入典型科研項目

在學院統一安排下，制圖教師擔當相關課程的課程設計、機械創新大賽、專業實習和畢業設計指導等實踐教學工作，使圖學課程的教學空間得到拓展和延伸，形成了臺階式的教學模式。實踐證明，這種模式使學生工程應用能力得以分階段逐步提高。我校通過指導學生參加全國計算機三維數字建模大賽、大學生“挑戰杯”等等活動，增強學生就業創新能力。

完善教學實踐環節，將創新意識切實引入教學各個環節之中。首先習題集中補充和設計了一題多解構型設計題和結構創意設計等習題訓練。其次豐富實踐教學內容，在組合體、零件測繪等環節中引入創新設計和討論，并將工程實際圖紙引入到教學中，在裝配圖中也引入典型科研實例進行分析和研討，使學生對工程圖學課程的重要性和工程意識有了全新認識。

重新設計有關實驗和項目訓練，將校內教師典型創新科研項目進行篩選歸類、解剖和綜合分析及合理簡化，分解出有個性的又簡單易懂的裝置，制作出示意模型，充分利用現代化教學手段，設計動畫和計算機仿真試驗等，將其恰如其分的引入圖學教學實踐中，進行各部件創作思想的推理、構思新想法。通過課題討論提煉總結創新成果，書寫條理清晰的方案分析、創作文擋，使學生達到理解、消化、吸收的目的，并理解科研創新的思路和過程，達到激發學生實踐創新興趣。這些訓練都布置給學生以小組為單位作為課外大作業，考核成績占期末成績部分比例。學生通過項目創新設計思路的描述和分析討論，將圖學課程與專業課程體系有機的結合起來。

3.3 加強教學資源和網絡化課程建設，搭建立體動態教學平臺

工程圖學網絡在線系統的建于 2000年，與校園網相連，目前已建成教學軟件包、學習軟件包、虛擬實驗室和教學管理軟件包等。

教學軟件包包括電子教案和計算機輔助答疑系統等，電子教案包括機器或部件的工作過程和分解的動畫、視頻，反映機械零件加工過程的錄像、動畫、圖片和文字等信息。計算機輔助答疑系統是學生學習特別是遠程教學必備的輔助教學軟件，包括各種題型分析、解題指導、例題、動畫和參考答案、習題解答等，并為相應習題配備了三維立體模型。

學習軟件包包括電子教材和電子模型庫。電子教材包含完整的課堂板書、動態解題過程和詳盡的文字注解，還有平面圖形和立體對照，可以模擬二維和三維之間的圖形轉化。拍攝了教學錄像和實踐認知錄像等，最終形成多層次立體化的課程教材體系。電子模型庫包含常見機械結構庫、零件加工仿真庫和裝配體模型庫等。最后還精選了162張畫法幾何和機械制圖掛圖，創建了優秀的三維動畫教學掛圖系統，適用于多媒體教學。

除了教學網站，我們還建有2個模型室，模型室里有各種典型組合體、零部件和各種裝配體模型，如減速器、安全閥和齒輪泵等，可保證學生測繪等實踐環節的順利進行。該圖學網絡信息平臺和豐富的教學資源，使得學生和老師們始終保持“不斷線”的學習狀態，有助于學生課堂之外的解惑解疑，是對課堂教學極有力的補充。

3.4 創建教學工廠實習基地，營造真實的教學情境

CDIO教育體系旨在培養工程素質，應將項目的全過程置于真實的生產環境中。為此，我院注重教學工廠型實習基地的建設，依托真實的生產環境實現教學與實習、學習與工作、理論與實踐的有機結合。校園內建有實習工廠、引進符合專業發展方向的企業、各種國家重點實驗室，校園外有燕大科技園和一些高科技企業，讓學生在等同生產環境的教學環境下“真槍真刀”地學習和實訓。這些教學工廠既是教室又是生產車間，真正做到“車間和實驗室合一”。

在教學工廠中進行實際生產，讓學生在真實的生產過程中掌握專業技能；讓教師參與項目研制與生產，使教師的技術更新與企業同步；讓學生參與項目制作，讓學生在做中學，學中做，構建屬于自我的過程性知識。

引進企業的管理理念和企業文化，用之管理教學工廠中的教學環節，讓學生在企業環境中養成良好素養，掌握管理知識，形成企業管理經驗，真正做到教學管理與企業運營合一。

3.5 建立模塊化教學方案，保證項目制教學的運行

為保證CDIO課程體系的運行，必須制定可執行的教學方案。我院各專業每年3～4月召開企業專家研討會，傾聽企業專家對專業課程體系建設的意見，梳理教學工作任務；5月舉辦專業教學計劃修訂研討會；6月舉辦由企業與學院共同參與的教學方案審定會議，進而形成了模塊化、項目制的教學方案，推進了CDIO工程教育模式在我院的施行，切實加強學生的綜合職業能力培養。

3.6 增強合作意識，培養學生團隊精神

美國國家自然基金會資助康乃爾大學、斯坦福大學、加州伯克利大學等8所院校承擔的工程教育綜合改革項目。其中斯坦福大學的工程圖學教學內容與我們相近，但制圖和構形設計融在其他課程設計中，使該課程與工程實踐緊密相連。課程設置強調對能力的培養，并貫穿整個培養體系，這對我們很有啟示[4]。

為了培養學生的合作意識和團隊精神，在工程圖學增加的構形測繪環節和小型設計作業，我們安排學生以小組為單位，一個小組合通常由4～6個學生組成，共同完成不同規格、類型的減速器等裝配體的零部件的尺寸測繪和構形設計，計算機建模，最終繪制裝配圖和計算機模擬仿真，最后每人提交一份設計報告或小論文，進行項目總結交流，實現經驗分享，并拓展學生的知識，培養了學生的語言表達等溝通協調能力。讓學生自由組合，確定組長，明確分工，從而讓學生學會分工、學會計劃、學會協調、學會溝通，提高學生的組織能力、團隊合作，最終的成績是以小組的設計作品為評分依據，同組組員得分相同。通過類似的這些活動，調動學生的主觀能動性，并增強了與他人合作的意識，培養了團隊精神。

4 CDIO工程圖學教學改革的效果

基于CDIO的工程圖學教學改革，強化了學生綜合素質的培養，尤其是對現代企業所需工程技能的培養方面起到很大的作用，有利于培養高素質、具有可持續發展潛力的創新人才。我們經過不斷的教學改革和實踐，完成了兩項工程圖學教學成果，并獲得省級優秀教學成果獎。指導的學生在機械創新設計大賽和全國大學生先進制圖技術與技能大賽等大賽中多次獲獎。工程圖學課程也被評為河北省省級精品課程。

[1]章毓文. 工程圖學教學體制現狀分析與解決辦法的思考[J]. 工程圖學學報, 2006, 27(4)：145-149.

[2]焦永和, 張 彤. 我國高校圖學教育的現狀與發展[J].工程圖學學報, 2004, 25(4)：126-130.

[3]章毓文. 工程教育要與國際接軌[C]//機械類課程報告論壇交流文集. 武漢：華中科技大學出版社,2006：56-57.

[4]梁圣復, 李慧莉. 設計圖學課程教學改革與實踐[C]//機械類課程報告論壇論文集. 北京：高等教育出版社, 2009：3-8.

[5]張瑞林, 魏曉波. 制圖類課程發揮教師主導作用培養學生綜合能力的探索與實踐[C]//機械類課程報告論壇論文集. 北京：高等教育出版社, 2009：52-54.

[6]郭坤州, 尚建中, 徐曉軍, 等. 基于網絡環境的工程制圖學習平臺建設的探索與實踐[C]//機械類課程報告論壇論文集. 北京：高等教育出版社, 2009：29-34.

[7]劉曉杰, 李慶華, 賀春山, 等. 工程圖學教學中工程應用能力培養的探索[C]//機械類課程報告論壇論文集. 北京：高等教育出版社, 2009：13-15.

[8]石加聯. 畫法幾何及機械制圖教學質量保障體系的構建與實踐[C]//機械類課程報告論壇論文集. 北京：高等教育出版社, 2009：47-51.

[9]譚建榮. 論工程圖學在建設創新型國家中的作用[C]//機械類課程報告論壇交流文集. 武漢：華中科技大學出版社, 2006：4.

[10]童秉樞. 十年來工程圖學教育界的若干思考與探索[C]//機械類課程報告論壇交流文集. 武漢：華中科技大學出版社, 2006：11.

Teaching Reform of Engineering Graphics Based on CDIO

GUO Chang-hong, ZHAO Bing-li, LI Xing-dong, JIANG Gui-rong
( College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinghuangdao Hebei 066004, China )

CDIO is a new pattern of current higher education, aiming at cultivating international engineers. The defects of current engineering graphics education and the thought of CDIO are introduced in the paper. A series of teaching reforms of engineering graphics based on CDIO have been put forward according to CDIO reform experiences in Yanshan University. The practice shows that such teaching model is very effective to inspire and cultivate practical ability and creativity of students. Meanwhile, it has also laid a good foundation for the follow-up courses,graduation design, even future research work.

engineering graphics; CDIO educational pattern; stereo-dynamic teaching platform; cross-teaching

TB 23

A

1003-0158(2011)05-0056-05

2010-03-17

燕山大學機械工程學院教學改革資助項目（2009ZD06）；河北省圖學學會2011年資助項目

郭長虹（1977-），女，河北秦皇島人，講師，碩士，主要研究方向為航空宇航、CAD/CAM和圖學。

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