基于CDIO模式的一體化機械工程實驗室體系構建

摘要：基于CDIO教育理念中的“一體化”思想和CDIO標準，提出了CDIO模式下的工程實驗室體系模型，分析了該體系的三個“一體化特征”。以鹽城工學院機械工程實驗室建設為例，闡明了該體系的整體結構和具體內涵。提出并分析了構建實驗室體系的三個關鍵環節，即實驗師資隊伍建設、實驗管理體制創新和實驗室建設途徑。

關鍵詞：實驗室體系；一體化；CDIO；機械工程

作者簡介：葛友華（1956-），男，江蘇鹽城人，鹽城工學院機械工程學院，教授；陳西府（1979-），男，山東臨沂人，鹽城工學院機械工程學院，副教授。（江蘇 鹽城 224051）

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）32-0168-02

周濟院士在第二次全國普通高等學校本科教學工作會議上指出：“我國本科教學質量在世界上是先進的，但也有嚴重不足，最為突出的就是實踐能力較差。”[1]實驗教學是工程教育中的重要環節，加強實驗室建設對增強學生的實踐能力具有重要意義。當前，我國大多數高校的實驗室建設存在三點嚴重缺失：一是資金投入不足；二是資源利用率低，絕大多數專業實驗室的使用率都在30%以下；[2]三是實驗類型單調。這些不足導致實驗設備陳舊、利用率低，實驗項目設置落后，實驗教學效果差。

基于以上原因，誕生于20世紀90年代的以能深化學習技術基礎和實際能力的二元學習經驗為特色的CDIO教學模式在國內外工程教育界受到廣泛關注，[3]并在我國多所高等院校得到應用、創新。[4]CDIO工程教育模式由構思、設計、實施、運行四個環節構成，CDIO教育理念主張學生以自主的、實踐的、課程之間具有有機聯系的方式學習和獲取工程能力。[5]CDIO共有12項標準，其中標準3“一體化的課程計劃”、標準7“一體化學習經驗”要求CDIO模式下的實驗室體系應具有“一體化”特征。

一、實驗室體系模型

第一，按照一體化的實驗課程體系進行實驗室系列建設，以項目實驗室為點、單元實驗室為線、實驗室系列為面、實驗室體系為體，構建了點、線、面、體的實驗室整體框架，凸顯實驗室結構、層次的結構一體化。

構建一體化的機械工程實驗室體系要結合學科特色和專業特色。各實驗室系列具有各自的專業性和學科性，彼此之間的聯系體現機械各專業之間的關聯。項目實驗室是實驗室體系中最基本的要素，各項目實驗室之間具有層次性和相關性，有特定的實驗內容和明確的培養目標，這些內容和目標具有明確的、關聯的互補性分工，共同形成了單元實驗室。同樣，各單元實驗室根據理論課程或理論課程群組建，能夠體現某一課程體系的實質要求，因而單元實驗室共同形成了一個有機的實驗室系列，這樣的實驗室系列體現了各專業內涵。需要說明的是機械各專業之間的課程交叉決定了各實驗室系列的交叉融合，這些交叉的實驗室系列構成了機械實驗室的有機整體。這一整體構架結合了鹽城工學院的機械專業特色和江蘇省重點實驗室建設。

按照機械類專業的培養目標和CDIO大綱的要求，結合國內外同類高校的培養方案、調研國內機械行業的需求和發展，建立和完善一體化的理論課程體系。以一體化的理論課程體系作為基礎參考，形成了機械基礎實驗室系列、機械制造實驗室系列、過程裝備與控制實驗室系列、機械電子實驗室系列、工業工程實驗室系列和綜合創新實驗室系列。每一實驗室系列由若干緊密相關的單元實驗室組成，依托于相應的理論課程群和實驗課程群。各實驗室系列之間有很強的交叉相關性，比如幾個單元實驗室能夠組成一個功能豐富的創新實驗室，從而進一步整合、優化實驗資源，可大大提高實驗資源的利用效率。

第二，緊緊圍繞一體化的實驗課程體系，強化學生的現代型機械工程師實踐能力、知識應用能力、創新能力、團隊協作能力和一定的社會能力，搭建具有能力梯度的實驗室立體平臺，推進知識和能力一體化。

從實驗室層次上形成了認知型、應用型、操作型、設計型、綜合型、創新型六個層次的實驗室，如圖1所示。其中認知型實驗室主要提供對機械行業知識、基礎理論知識的感性認識，加深學生對機械行業和理論知識的理解。應用型實驗室強調應用理論知識的能力，要求學生能夠分析、解決簡單的比較接近工程實踐的問題。操作型注重培養學生的動手能力；設計型和綜合型實驗室強調知識應用能力、理論結合實踐能力和團隊協作能力，突出體現知識能力一體化、理論實踐一體化；創新型實驗室力圖培養學生的綜合能力，重點體現學生的主體地位，比如機械創新設計實驗室、機械設計制造專業綜合實驗室等。

CDIO倡導一體化的課程計劃，培養目標定位為知識和能力的一體化。因此實驗室建設基于一體化的實驗課程體系，通過對實驗項目和實驗室的一體化建設實現知識和能力的一體化。項目實驗室的設置是按照實驗課程的培養目標對現有的實驗室進行改進、完善和更新，每個項目實驗室有明確的能力培養目標和實現方法。對實驗室的每個確定項目明確其知識培養目標和能力培養目標，目標的設定要能夠完整地體現CDIO的思想。最終各項目實驗室的目標總和能夠達到單元實驗室的總體目標，單元實驗室的培養目標總和達到實驗室系列的總體目標。

第三，按照CDIO對知識培養和能力培養的總體要求，對每一實驗項目進行詳細設計，從培養目標、培養方法、實驗內容、能力培養措施、考核方法等幾個方面優化實驗項目的內容，促進學生“做”與“學”一體化。

為實現實驗教學的“做”與“學”一體化，對實驗項目的內容進行了以下設計：實驗項目來源盡量結合實驗室實際、生產實踐應用。實驗內容總體上包括三個方面，即實驗準備、案例介紹、實驗指導。實驗準備主要提供實驗的知識應用背景、拓寬學生知識視野、增長實踐知識等。這一部分可包括適當的實習、考察、車間錄像以增強學生實踐知識；介紹與實驗項目相關書籍資料、生產背景等。案例介紹為學生獨立實驗提供參照和幫助，能把復雜的原理、背景、操作等具體化和簡化，以利于學生很快進入角色。實驗指導能從方案選題、方案設計等方面引導學生主動學習并構思實驗的對象。詳細設計后的實驗項目具有實驗內容具體、指導性強的特點，保證學生有能力實現由“被動灌輸”向“自主實踐”的轉變，從而促進了“做”與“學”的有效結合。

二、一體化實驗室體系建設的關鍵環節

其一，師資隊伍建設是CDIO模式下實驗室軟件建設的最重要方面。從教師培養、青年教師實習、學校企業合作等方面強化雙師型實驗師資隊伍的建設，同時推動教師自覺地進行CDIO教學方法的改革和探索。

CDIO標準9和標準10要求提高教師的工程實踐能力和CDIO教學能力，雙師型教師培養是實踐CDIO教學模式的重要基礎。首先，通過鼓勵教師創辦企業、支持橫向科研、強化服務企業意識等舉措推進教師實踐能力的提高。其次，強化青年教師兼職企業鍛煉。與周邊地區企業合作建立了十幾家優秀的實習基地，為80%的青年教師提供至少一年的企業鍛煉機會。最后，加強和企業合作。一方面直接引進企業高級工程師兼任實驗教師，另一方面是請有豐富經驗的企業人員參與實驗項目的設計。總之，實驗師資隊伍建設是實驗室建設規劃、設計、執行的主體，應使實驗教師深入了解、學習CDIO的基本思想。促使教師在實驗室建設中自覺地貫徹以學生為主體、教師為引導、知識與能力并重的實踐教學原則，真正執行CDIO的實驗教學標準。

其二，為確保CDIO理念的實施及效果，必須創新實踐教學管理模式。實驗室管理體制改革是實驗室建設的關鍵環節。我們大力發展開放實驗室、創新實驗室和自主實驗室來拓展實驗教學模式，提高實驗資源利用率，增加學生的主動學習經驗。

開放實驗室能夠解決實驗室人多、量大、資源利用率不高等問題，進一步滿足綜合性、設計性實驗等對實驗資源的高要求。創新實驗室是以學生為主體、教師為輔導的形式進行機械創新設計、創新項目研究的高度自主實驗室。通過創新實驗室的建設，鹽城工學院機械工程學院學生近年來在全國機械創新設計大賽、江蘇省創新設計大賽等比賽中獲得國家級一等獎一項、江蘇省一等獎、江蘇省二等獎多項。自主實驗室是學生自主組織、自發進行的興趣小組實驗教學。學院為學生提供場地、歷屆學生的設計產品、實驗項目成果等，學生們根據自己的想法進行自主實驗、設計和研究。在自主實驗室初期，需要配備指導老師并組織興趣小組，在學院內部展示、交流、競賽、評比等，影響和帶動更多的學生自主參與。

其三，CDIO模式下實驗室的硬件建設需要考慮資金投入、資源整合、教學需要等因素，我們結合自身實際提出雙平臺、多途徑、優化整合的建設思路。

鼓勵教研項目、科研項目、學生創新項目、自主實踐項目與實驗室相結合，豐富實驗室建設的途徑。從政策上大力鼓勵教師在教學的同時從事教研和科研工作，為其提供專門的辦公室和實驗場所。發展校企合作，實現企業學校共建實驗室。對于新建的應用型本科，應該結合自身的專業特色和學科優勢，結合地方經濟的發展，找到與地方企業結合的切入點，實現校企合作，共贏互惠。另外在現有實驗室資源基礎上進行更新、變革和重組，是滿足CDIO模式下實驗教學的重要途徑。

三、結論

構建CDIO模式的一體化機械工程實驗室體系是鹽城工學院實驗室建設和實驗教學改革方面貫徹“教育部關于開展高等學校實驗教學示范中心建設和評審工作的通知”中先進理念的集中體現，是該校機械設計及其自動化國家級特色專業建設的重要組成部分。經過近幾年的實驗室建設，鹽城工學院的機械實驗室中心具備了基本能夠滿足CDIO教學模式的硬件設施和軟件條件。從近幾年的畢業生就業反饋信息和在校生實踐創新競賽結果來看，實驗教學效果和綜合教學效果有很大提高。

參考文獻：

[1]周濟.中國機械工程教育現狀和未來發展方略[J].高等工程教育研究，2006，（3）：1-3.

[2]黃耀麗，尹傳高，雷厲.地方高校實驗室體制及專業實驗室建設的探討[J].實驗室研究與探索，2005，24（10）：113-115.

[3]查建中.論“做中學”戰略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008，（3）：1-3.

[4]顧佩華，沈民奮，李升平，等.從CDIO到EIP-CDIO——汕頭大學工程教育與人才培養模式探索[J].高等工程教育研究，2008，（1）：12-19.

[5]顧佩華，沈民奮，陸小華，譯.重新認識工程教育——國際CDIO培養模式與方法[M].北京：高等教育出版社，2009.