基于CDIO理念的《數控裝備設計》課程教改探討

摘 要：CDIO工程教育理念是一種項目驅動的教育和學習方式，目的在于培養學生的工程實際應用能力。本文根據CDIO國際化工程教育理念及其能力大綱，結合西華大學《數控裝備設計》課程的教學特點，從課程教學、實踐教學等方面探討了基于CDIO模式的項目教學改革方式。

關鍵詞：數控裝備設計 CDIO理念 工程教育 項目驅動

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2012）11（b）-0106-02數控機床是機械和電子技術相結合的、高度機電一體化產品，是實現柔性生產自動化的重要設備。隨著數控技術在制造業中的廣泛應用，在裝備制造領域，我國數控裝備的產量、功能和技術水平都有了長足進步，產業部門急需熟悉、掌握數控裝備設計及應用技術的人才。數控技術已經發展成為了我國每個機械類專業的學生都必須掌握和熟練應用的一項技術，《數控裝備設計》課程在機械類專業教學計劃中占據著相當重要的地位，其教學效果實現的程度，對學生整體質量提高的程度，將產生巨大的影響。因此，為培養一批適應社會需求的高素質應用型人才，該課程必須要有一個系統的教學設計，以取得良好的教學效果。“CDIO理念”是國外高等工科教育的一種創新模式，以“工程教育創造出一個合理的、完整的、通用的、可概括的教學目標”為其具體努力方向，簡單的基本原理是CDIO大綱的最大價值，它有著很強的可操作性和廣泛的適應性，此外，它還能被任何工程教育項目所采用[1]。本文以CDIO理念為指導，結合西華大學《數控裝備設計》的課程，進行了一系列相關教學改革的探索。

1 CDIO課程改革的基本理念

2001年，瑞典皇家理工學院和麻省理工學院等4所大學組成的教育團隊，共同提出了的全新工程教育理念，即CDIO工程教育理念是[2]。CDIO工程教育理念可以分解為有機的四個部分，他們分別是：構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）。它不僅是一種項目驅動的教育和學習方式，更是一種促進師生共同探討、協作、交流，最終實現師生共同完成項目的教學方式。CDIO工程教育理念的目的概括起來就是培養學生的工程實際應用能力。

將企業界的需求以工程學基本原理來表述是CDIO的目標。CDIO的首創就是讓整個教學在產品／系統生命周期的具體環境中進行，為的是構建一個強調技術基礎的教育。具體而言，基于CDIO模式的工程教育人才培養目標有如下幾個：第一，必須掌握基礎技術中基本且繁多的應用知識；第二，培養善于構思-設計-實現-運作新產品/系統的技能；第三，能順利實現復雜的系統工程；第四，能適應現代化開發團隊和開發環境。在考慮基于CDIO的課程設計時，需要緊密圍繞相關學科來組織，同時還有與CDIO的活動相互滲透，交叉組織。通過參與、構思、設計、實現等多個環節，使學生各方面得到鍛煉，從而達到預期的目標：培養學生用于構建系統的技能，讓其很好地掌握深厚的工程基礎應用知識[3]。

由此可以看出，CDIO教學理念是以工程項目的生命周期來組織教學的，強調整體意識和系統概念是這種教學方式的特點和特殊，通過這種教學能夠培養學生解決問題的綜合能力[4]。

2 《數控裝備設計》課程的主要特點

《數控裝備設計》課程是理論與實踐緊密相結合的一門機械類專業課程，以數控機床設計方法為主線，以總體設計、運動設計和結構設計為重點，注重學生分析問題和解決問題能力的培養，使學生系統掌握數控裝備設計的基本理論、基本知識和基本方法。課程內容包括：數控裝備傳動系統、主軸組件、進給系統、基礎部件、導軌、刀具交換裝置及總體設計的原理與方法。

傳統教育模式過于注重理論教育，缺乏學習的針對性、啟發性。同時由于實踐性環節較少，學生缺乏應用性，在生產第一線解決實際問題的能力也比較差。在新技術、新知識增加而課程學時減少、市場的人才需求不斷增加的新形勢下，必須進行教學內容和方法的改革，才能提高學生學習的積極性和主動性，培養出高素質的應用型人才[5]。

為此，我們在《數控裝備設計》課程教學中設計了多模式、多層次的立體式教學體系：理論教學+實驗+課程設計。通過本課程的教學，使學生對數控機床的技術性能、設計方法有較系統的認識，能掌握認識、分析數控機床運動和傳動的方法，了解數控機床典型結構、工作原理及控制系統特性；能合理應用基礎理論、專業技術理論知識和現代設計方法于整個數控機床設計過程之中，為今后對數控機床進行創造性的應用和開發打下堅實基礎。

3 教學改革實施方案

3.1 改革教學方法

教育心理學中有一個公認的準則：只有當人們對某一事物表現出興趣時，他才會產生主動學習的欲望。傳統的“給出命題－模型推導－舉例”的演繹式授課模式中，學生往往是被動地去接受知識，而非主動地去探索學習，這樣的情況下雖然在某一段時間內可以迅速獲取較大量的知識點，但是知識遺忘的速度也是十分迅速的。基于認識，部分教師對傳統的教學方法進行了改進，他們積極借鑒國外很多大學在授課中都普遍采用到的教學方法，如“探究式教學、項目式教學”以及“討論式教學”等方法，通過這些辦法來提高學生在師生學習共同體中的參與意識[6]。

（1）針對培養目標，將《數控裝備設計》作為我校機械設計制造及其自動化專業培養目標的第II級項目實施。以“數控車床進給系統設計”項目為例，該II級項目要求學生根據任務要求設計經濟性數控車床進給系統的機械傳動結構，要求繪出裝配圖、主要零件工作圖以及說明書。成績考核包含4個小節點，它們分別為“方案擬定、設計計算，最終圖紙與說明書和PPT項目報告”。在教學過程中要，教師需要按照進度安排定期進行相應的節點考核，最后由4個節點考核成績綜合給出學生的總成績。這樣的項目實施和考核方式能最大限度地保證學生對項目熱情，讓其全程參與，避免部分學生最后突擊時，產生抄圖的現象。

（2）以小組為單位，采用討論式的教學方法來培養學生們的合作精神。根據學習內容設立不同的項目選題，將學生分為若干團隊，督促各個團隊按照設定目標—計劃—準備—項目實施—成果報告—項目評估進行項目展開。例如，在進行數控裝備部分的內容學習時，針對數控車床與數控銑床的伺服進給系統，設立不同的初始參數與約束條件，建立不同的項目選題，組織學生分團隊展開設計工作。指導學生做好項目進度計劃，培養他們學習各種調研方法，并在此基礎上實施項目，進行進給系統的結構設計與改進、詳細結構的設計與計算等工作，最后對各團隊的提交結果進行評估。整個項目實施過程強調教師和學生的互動，充分做到開放式教學；教學內容與項目過程密切配合，做到理論與實踐的辯證統一；項目選題與學科動態緊密聯系，做到教學與科研的自然結合，使學生不斷的接觸領域的最新科技。

3.2 加強實踐環節

在教學中也要注重實踐性環節，只有通過實踐，將理論與實踐良好地結合起來，才能使學生對所學知識有一個感性認識，使他們在此基礎上鞏固課堂知識，積極思考、深入理解。數控裝備設計的課堂教學與實踐密切相關，通過現場教學、課程實驗、生產實習等實踐環節讓學生多接觸一些機床種類，并且初步了解這些機床的結構和工藝范圍等，使學生上課前建立一定的感性認識，抽象的內容就變得形象、生動起來，教學效果也會得到提高。通過“數控機床精度實驗”，使學生了解數控機床精度檢測的主要標準、檢測手段和所用檢測儀器。掌握數控機床主軸旋轉精度的檢測步驟和有關實驗分析。通過“數控機床結構剖析實驗”，是學生對典型數控裝備的總體布局、技術性能、傳動系統、換刀裝置、典型機構等進行現場分析，了解數控裝備的受力情況、支承件形狀特點、導軌形式等。

3.3 創建“項目引領、任務驅動”的課程教學模式

《數控裝備設計》可以說是一門綜合性很強的實踐性學科，教學過程要十分注重實踐環節的教學。使學生能夠通過學習真正解決生產中的技術問題傳動系統設計和數控編程部分的教學目的。如果在這部分的教學中，積極采用項目引領等方式，采用任務驅動的課程教學模式，能很多程度上增強學生的實際應用能力[7]。在教學過程中，所采用的項目應該具備比較高的技術含量，并且要貼近企業的生產實際，并且還要滿足能夠包容課程教學知識的要求[8]。為此，我們設計了“數控裝備課程設計”及“數控編程課程設計”項目來構建課程的理論和實踐教學內容，選擇這樣的一個題目，可以讓學生們充分運用所學，讓他們調動這門課程所學的知識，并將這些知識同實踐經驗相結合，逐步培養起自覺查手冊、設計遵循行業標準的良好習慣，以及生產不僅要考慮質量還要考慮經濟性問題，等等。可以說，這些都是一個技術人員必須具備的基本素質，提高這些素質，有利于加快學生適應生產崗位的步伐，也有利于高等教育人才培養同企業發展人才需求的銜接。通過這種“項目引領、任務驅動”的教學模式培養學生，能讓學生們更好地掌握和鞏固所學的理論知識，同時能夠提高學生讀圖、熟悉圖紙、分析圖紙的能力，這無疑是從理論到實際的一個過渡，為學生們畢業后走上工作崗位適應具體工作要求做好充分準備。

4 結語

《數控裝備設計》是機械設計制造及其自動化專業的主干專業課程，內容豐富，綜合性、實踐性強，傳統的教學方式使學生被動學習而無法體會獲取知識的樂趣。CDIO工程教育理念是我國高校教育改革探索的重要方向之一，探究式、討論式、項目式等教學手段是成功實現CDIO工程教育理念，行之有效的方法。通過CDIO實現體驗式的學習過程，既能使學生鞏固所學基本原理，又能鍛煉學生的專業觀察能力、分析問題的能力、表達能力和交流能力，并且使學生的學習主動性得到極大的發揮。通過本課程的改革實踐表明：CDIO工程教育理念適合工科教育教學過程，這種教學方法能夠增強學生的綜合能力，提高學生的國際競爭力，能夠培養出適合企業需要的、具有實踐創新能力的工程技術人才。

參考文獻

[1]陶勇芳，商存慧.CDIO大綱對高等工科教育創新的啟示[J].中國高教研究，2006（11）：81-83.

[2]Edward F Crawley.Johan Malmqvist，Soren Ostlund，Doris R．Brodeur ISBN Rethinking Engineering Education—The CDIO Approach[M].

[3]Edward F Cmwley.Creating the CDIO Syllabus，a Universal Template for Engineering Educatio n.32nd ASEE／IEEE Frontiers in Education Conference[Z].Boston，MA，2002：6-9.

[4]李曼麗.用歷史解讀CDIO及其應用前景[J].清華大學教育研究，2008，10（4）：21-23.

[5]李冰.《數控機床》教學方法的探索與實踐[J].沿海企業與科技，2005，11（69）：130-131.

[6]趙巖，吳鳳和，王軍，等.CDIO培養框架下金屬切削原理與刀具課程的變革之路[J].教學研究，2011，2（34）：44-46.

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[8]王剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考[J].中國高教研究，2009，5（1）：86-87.