構建基于“卓越工程師教育培養計劃”和CDIO的工程圖學教學體系

郭長虹，馬筱聰，李大龍，董志奎，姜桂榮

（燕山大學機械工程學院，河北 秦皇島 066004）

1 國內圖學教學現狀，與企業期待的工程圖學教育存在巨大落差

在對企業所做的調查中，不少企業埋怨“高校的畢業生花拳繡腿，設計出來的東西不切實際，如結構不合理，裝拆不方便，表達不完善，投影關系不對等等”；“學生在校學習的知識，到工作單位后能用到的也就是20%～30%…”。很多教師都說：“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]。工業界愈發認識到高校培養的畢業生難以適應現實工業生產的需要，許多大型工業公司紛紛列出他們所需的工程師必備素質詳單（如波音公司）。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。學生就業時也發現要用的知識沒有學，學的很多沒有用[2]。

造成這種局面的原因是傳統工程教育重理論輕實踐，忽略工程實際的融合，沒有及時傾聽企業界的需求。當前我國工程圖學的教學也存在諸多不足：課程實訓嚴重不足；缺少與工程實踐的結合；缺乏工程經驗的體會，學生難以掌握工程背景強的知識[3]。

2 “卓越工程師教育培養計劃”與CDIO工程教育模式的完美結合

CDIO是“構思(Conceive)—設計(Design)—實施(Implement)—運作(Operate)”的英文縮寫，它以產品從研發到運行的生命周期為載體，以產業需求為導向，教學內容與產業發展同步，通過系統的產品設計讓學生以主動的、實踐的、課程間有機聯系的方式學習，以培養適應產業發展的合格工程人才為目標[1]。CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的卓著成果。為彌合高校教育與工業生產需求的矛盾，2000年以美國工程院院士Crawley教授為首的跨國研究團隊，歷經長達四年的研究與探索，提出了CDIO工程教育理念，并成立CDIO國際合作組織[4]。2011年Crawley教授因創立CDIO教育模式而獲得美國工程院最高教育獎“戈登獎”?，F在已經超過25個國家81所院校加入了國際CDIO工程教育組織。2008年5月召開的“中國CDIO工程教育模式研討會”上，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[5]。由此，我國工程教育改革應用CDIO模式掀起高潮[6]。目前國內已有57 所高校在機械類、電氣類等專業開展了CDIO改革試點實踐[7]。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，這表明了產業界對CDIO教育模式的認可[4]。

“卓越工程師教育培養計劃”是教育部落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》和《國家中長期人才發展規劃綱要(2010-2020年)》的重大改革項目，其主要目標是面向工業界、面向世界、面向未來，培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才。“卓越計劃”具有3個特點：一是企業的深度參與；二是按照企業標準培養人才；三是強化培養學生的工程能力和創新能力，明確了我國工程教育改革發展的戰略重點。 CDIO理念是一個將工程科學、工程學科知識和工程實踐能力整合為一體的工程教育方法，具有一定的普適性和可操作性，它既能運用于對精英化的高水平創新人才的培養，也適用于大眾化工程專業的教育，完全符合我們對卓越工程師高級人才的培養需要。采用CDIO工程教育改革的理念實現“卓越工程師教育培養計劃”的目標。二者在基本目標、任務、理念與方法以及內容上具有高度的相關性和兼容性。

CDIO工程教育模式并不是一成不變的，我們應根據不同的社會文化背景、根據產業發展的特點、根據學校自身特色、根據學生的不同情況，深入探索，構建本土化的CDIO教育模式。2011年“中國CDIO 工程教育模式研究與實踐”課題組成立，負責組織開展了CDIO工程教育模式試點工作。國內的試點高校、研究機構和企業均對CDIO工程教育模式展開了學習、討論和研究[8-9]。燕山大學機械工程學院將卓越計劃與CDIO培養模式相互結合，互為補充，構建了具有實效的賦有中國特色的CDIO工程教育新模式，并取得顯著成效[8]。燕山大學機械學院于2007年開始了CDIO工程教育模式的改革，2008年被國家教育部首批為CDIO工程教育模式機械類組牽頭單位。2010年6月，燕山大學成為教育部首批實施“卓越工程師教育培養計劃”試點高校。學院根據自身定位和特色、學生的特點以及區域需求，從培養目標、課程計劃、實踐場所、教學模式、師資建設、學生專業能力評估和改革質量評估等全方位大膽改革探索，構建了卓越工程師教育培養計劃下CDIO 特色的工程教育模式。學院將企業的需求與工程教育緊密結合，與中國第一重型機械集團公司、齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司、大連重工起重集團有限公司、鷹普（中國）有限公司等共同建設基于CDIO的教育部國家級工程實踐教育中心，為學生培養提供良好的實踐基地?，F在機械工程學院的畢業生，符合產業和人才市場的需要，受到相關企業的極大歡迎，很多企業提前到學院“訂購”學生。

3 構建“卓越工程師教育培養計劃”下基于CDIO的工程圖學教學體系

工程圖學須反映科技進步，緊密結合企業需求，參照企業需求制定培養目標，把相關的新思想、新技術引入課程，使課程蓬勃發展?，F代機械行業要求學生具有較強的工程制圖能力、圖形表達能力和很強的計算機繪圖和設計能力。美國、日本等發達國家的圖學培養目標完全參照企業需求制定，我們也積極借鑒發達國家的成功案例，優化和整合教學內容，重構與企業需求一致的基于CDIO理念和卓越計劃的圖學課程體系，并不斷完善，取得可喜成果。

本文針對當前卓越工程師培養計劃的實施，結合圖學課程自身實際緊緊圍繞CDID工程教育理念，倡導在優化教師隊伍的同時，實施以項目為中心、學生自主學習的圖學教學，通過校企合作，給予學生更多解決實際工程問題的機會，讓學生的實際工程能力更貼近市場和企業的需求。進一步探討如何構建“卓越工程師教育培養計劃”下具有CDIO特色的工程圖學教學體系，使圖學教學能夠反應企業需求和現代科技進步，體現課程的工程性和實踐性[1]，為當今工程圖學的教學改革提供參考。

3.1 加強教師團隊建設，提升教師工程實踐能力，形成了臺階式的CDIO特色的圖學教學模式

CDIO教學大綱中強調只有采取行動提高教師的工程實踐能力，才能提高學生的個人、人際交往能力以及產品、過程、系統建造的能力。卓越工程師計劃，以校企合作為手段要求行業、企業深度參與到人才培養過程中。卓越計劃和CDIO教育模式都要求教師具有良好的工程實踐能力，不斷更新工程知識，聽取產業界反饋信息，不斷完善教育教學。燕山大學機械工程學院制定了相應的師資力量培訓考核規定，并與職稱評定、上崗考核、晉級等掛鉤，比如讓教師定期到企業掛職鍛煉、企業參與考評、參加圖學教育、機械類教育會議等，為教師提供很好的發展機遇和機制，多渠道來提高教師的教學能力、工程實踐能力等綜合素質，保證CDIO模式的有效實施。學院為“卓越工程師教育培養計劃”的學生配備學校和企業“雙導師”，學校導師和企業導師分工協作，有機配合，共同為學生課內實踐、企業實習實踐和工程項目開發以及科技創新等提供指導。充分發揮校內導師與企業導師的優勢，促進學生學業規劃、工程項目研究、企業實踐的順利開展。

圖學教師隊伍建設是解決工程圖學可持續發展的核心問題，專職制圖教師不利于圖學發展。學習發達國家做法，組建復合型教學團隊，吸收專業課教師加入。實施圖學教師交叉授課，至少還要講授一門其他相關課程，或者參與相關的課程設計、機械創新大賽、專業實習和畢業設計指導等實踐教學工作，使學生在大一學習到的圖學知識，與大二、大三的課程設計、生產實習和大四的畢業設計等形成了臺階，不間斷地逐層深入地學習圖學知識，互相滲透、有機結合、有效拓展和縱向延伸，形成了臺階式教學模式，強化了圖學與專業課之間的融合和縱向貫通。課程設計、生產實習、畢業設計等設計圖紙和答辯等教學環節必須有圖學教師參與指導、監督、評定和答辯，從而使圖學分散在各個不同階段得以不斷強化和提高。

比如在大一的圖學教學中，我們對零部件工藝結構、公差、形位公差等知識，只做簡單介紹，重點講述標注方法。而在后面的生產實習中，要重點介紹工藝結構、零件圖的尺寸標注、形位公差的標準以及工序等。而在課程設計和畢業設計時要重點講述三維建模、裝配、出工程圖、裝配圖的表達等相關知識，從而杜絕了大一的學生學不懂專業性強的圖學部分內容，而大二、大三的學生卻又忘記了尺寸標注、裝配圖的表達等弊病，使得學生整個大學階段都能夠不間斷地、一階一階循序漸進、各課程間有機聯系地學習圖學知識。我校和國內多所大學的實踐證明，這種模式使學生工程圖學應用能力得以分階段逐步提高。這一舉措打破了多年來，教師和學生們課程設計或畢業設計時只關注設計不注重圖紙質量；生產實習時只注重工序，不關注其圖紙上的反映和表達等等傳統教育機制帶來的弊端。

3.2 創建教學工廠實訓基地、示范中心、創新實驗區等，校企互動營造真實的教學情境

基于卓越計劃和CDIO理念的圖學課程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、理論與實踐的有機結合。校園內建有工程訓練中心、校企、國家重點實驗室，校外建有燕大科技園，園內和國內其他高科技企業長期與學院保持合作和共建，比如鷹普（中國）、天津多維匯通等公司就是我們圖學的寒暑假培訓基地之一。這些教學實習基地既是“教室”又是生產車間，引進企業管理理念和企業文化，真正做到“車間和教室合一”，教學管理與企業運營合一，保證了學生能夠在真實的生產環境下學習和實訓，參與項目制作，構建屬于自我的過程性知識。燕山大學機械工程學院2006年建成省級工程示范中心、省級機電液一體化實驗教學示范中心和河北省重型裝備及其自動化教育創新高地，2007年建成國家級機械工程“產學研互動”與“做中學”創業型人才培養模式創新實驗區，2009年建成機電液一體化國家級實驗教學示范中心，作為工程訓練教學分中心跨入了國家實踐教學的先進行列。

3.3 增設測繪、三級項目等環節，注重徒手繪圖和計算機繪圖能力的培養，體現卓越計劃和CDIO特色

工程圖學課程體系以強化工程實踐能力、工程設計能力與工程創新能力為核心，重構課程體系和教學內容，著力推動基于問題的學習、基于項目的學習，不多占課時，把課程的設計、討論、測繪的環節，布置在課外，不占用課內學時，從工程實際著眼，注重能力的培養，將創新意識切實引入到教學各個環節之中。結合工程實例，利用一定數量精心設計的課堂討論、課外作業、課外實訓、零部件測繪、三級項目和計算機上機考試等環節對學生進行綜合訓練，具有重要意義。將眾多的教學內容優化組合，有機地溶為一體，加大實踐課程比重，倡導自主性學習，使得知識和能力結構形成立體交叉式的網絡，是體現CDIO和“卓越計劃”的重要方面。教學的具體目標包括：①通過設計制圖、構型設計、測繪等教學環節，培養學生的審美情趣和嚴謹的工程素質；②圍繞零件設計和制造工藝、裝配合理結構等實施討論課和三級項目，促進工程制圖課程知識點之間的有機結合與融會貫通，使教學更具針對性，促進學生合作意識和團隊精神的培養；③增設計算機三維繪圖上機考試，注重三維設計與繪圖能力的培養與考核，使得圖學教學內容能夠反映科技進步和滿足企業需求；④將CDIO理念貫穿于工程制圖教學始末，在授課過程中同步提升學生的理論素養和實際動手能力，為企業培養“零適應期”的優秀畢業生。在這些環節中強調國家標準的嚴格貫徹，培養學生嚴謹、細致、踏實的工作作風。安排學生課后多次到實習工廠參觀學習；嚴格考勤并記入平時成績，占綜合成績的40%。

比如機械制圖課程中，我們在組合體部分，設計了構型大賽，在院內初賽后，優秀者代表學校參加省級、國家級建模大賽。在機件表達方法部分，我們發給學生機件模型，讓學生測繪并表達，圖樣作為課外作業上交并記入平時成績；在螺紋緊固件與標準件部分，我們設計了軸系傳動，讓學生分組設計組裝軸系，并表達為裝配圖，綜合運用了螺紋連接、鍵、銷、齒輪、軸承、止動墊片、皮帶輪、鏈輪等的選用和在裝配圖中的畫法等等；零件圖部分，布置了箱體的測繪、三維建模和表達方案的確定等實驗討論等內容；在裝配圖部分，布置了測繪和表達安全閥的三級項目；在焊接部分，組織去實習工廠現場觀摩，并讓學生測繪和標注工廠的焊接件；最后還布置了計算機三維能力的上機指導和測試環節，計入平時成績。這些課外作業、討論、測繪、項目和實訓等折合A3圖紙最低到達16張，可見通過這些課內外的大量的實訓和作業，在圖學課程總學時減少的情況下，尤能有力地保證學生徒手繪圖草圖能力、圖樣表達能力、構型能力和測繪能力以及計算機繪圖能力等現代企業設計人員必需能力的塑造和強化。

為了培養學生的合作意識和團隊精神，倡導自主學習，在工程圖學增加的構形設計、測繪、課堂討論和三級項目環節，加大實踐課程比重。在裝配圖的教學中增設了三級項目。三級項目主要通過綜合分析及合理簡化企業的實際項目，篩選出簡單易懂的裝配體，作為三級項目。比如設計、測繪、組裝和表達軸系傳動，設計和表達齒輪油泵（各組參數不同），設計和表達一級減速器（圓柱齒輪減速器、錐齒輪減速器、渦輪蝸桿減速器）等三級項目，要求學生們利用課外時間，自愿結組，分組測繪、分析和研究已有裝配體模型，進行各零部件創作思想的推理，總結成果并創新設計。由于布置的項目中，關鍵零部件和參數、尺寸與已有結構不同，比如齒輪模數齒數不同、軸的大小結構不同等，要求學生根據已有裝配體，設計創新出符合要求的新裝配體，構思新想法，利用計算機制作出三維模型并裝配仿真，檢驗是否能夠滿足設計要求。以小組為單位進行裝配體設計方案、成本估算、裝配圖表達方案、檢驗、計算機建模等一系列訓練，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，進行項目總結交流，實現經驗分享，在培養學生的自主學習能力和創新能力的同時提高學生綜合運用所學專業知識分析、解決工程實際問題的能力，提高學生的組織能力，并增強了與他人合作意識，培養了團隊精神。通過以完整的工程項目為依托進行的開放式教學，幫助學生融入到項目構思、設計、實施和運作的全過程；要促使學生積極主動地學習工程圖學的相關知識，克服項目實踐中遇到的實際困難，即帶著問題去學習，最大限度地發掘學生的實際操作潛能，從而使學生的理論素養和應用理論知識解決實際問題的能力得到提高。

結合教育部“卓越計劃”和“質量工程”精神，鼓勵學生申報并完成各級（國家級、省級、校級和院級）“大學生創新性實驗計劃”項目；組織承辦多種形式學科競賽，擴大學生參與面；征集課外實驗項目，支持學生題目自擬、方案自選的“自主式”實驗項目，讓更多學生有機會得到鍛煉；組織教師培訓和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”以及每年一度的“銀捷杯”制圖創新競賽（遼寧銀捷機械裝備制造有限公司贊助）等等活動，進一步增強學生就業創新能力，提高學習熱情，鼓勵學生勇于創新、敢于創新，努力提高自主設計的能力。

3.4 建設教材、模型室、網站、課件等教學資源，搭建CDIO特色的立體動態教學平臺

現用教材是2011年編寫的，補充了CDIO特色的工程知識；與該教材配套的多媒體CAI課件，補充和更新了模擬動畫和計算機繪圖、機械加工、金工實習、金屬冷、熱成型、焊接等錄像資料。工程圖學網絡在線系統增加名師講課視頻、計算機繪圖培訓教程、在線答疑系統、虛擬實驗室和教學管理系統等。同時建設了虛擬實驗室，可實現裝配虛擬試驗全過程。工程圖學網絡在線的教學管理軟件包包括師生論壇、成績查詢、試卷標準答案查詢、期末總結和試卷分析，還有課堂板書、教學錄像、實踐認知錄像、動態解題過程和詳盡的文字注解，還包括習題解答、重點難點視頻教學、機械加工知識講解、真實生產加工錄像、計算機繪圖教程、零件測繪講解及操作視頻、焊接知識講解、裝配仿真視頻、典型零部件加工視頻、機械加工工藝工程講解視頻、國外高科技生產加工視頻等等。工程圖學網絡在線系統全天開放，擺脫了傳統實驗室時間和空間等的限制。同時還建設有2個實物模型室，定期補充典型組合體、零部件和各種裝配體模型等，供學生測繪、表達、設計等使用，也保證了制圖三級項目的順利實施。以上教學資源不斷更新建設，最終形成從教材、課件、到網站的多層次、網絡化教學平臺。構建了優質的豐富多樣的數字化教學資源，不僅有多媒體課件，還有生產實習視頻、工藝加工知識講解視頻、名師課堂教學視頻、在線答疑、計算機繪圖教程、實物模型等等多種教學資源，方便學生隨時隨地不斷線多方位地學習和掌握圖學知識，改變了圖學教學環境，有助于創新能力和工程能力的培養，進一步提高了教學效果，也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，激發了學生學習興趣，培養了工程實踐能力。

3.5 建立CDIO特色的考核和評價體系，確保培養質量，充分體現企業需求技能和學以致用

隨著教材內容、教學方法及教學體系的改革，考核方法必須向多元化、多樣化綜合測試的方向轉化，將考試內容與創新學習結合起來，將考試轉變為對學生學習情況的綜合評定。工程圖學的課程考核方式改革除了應考慮卓越計劃和CDIO 培養模式的要求之外，還要以專業自身的特點為依據。因此我們在考核方法改革中加強了對知識應用能力和工程實踐能力的考核，把卓越計劃和CDIO 模式培養目標融入到整個課程體系中，每一個能力點都要具體落實到課堂教學和課外實踐中。課程考核分為三部分內容，一是注重能力測試的平時成績，圍繞本課程的四個主要知識環節（組合體、表達方法、零件圖、裝配圖），分階段設置了課堂測試2次、課堂討論2次、零件測繪至少2次、圖樣最佳表達2次和三級項目等考核內容，占總成績的30%；二是計算機三維繪圖能力的上機考試，測試要求與難度與教育部全國計算機輔助認證CAXC認證一致，占總成績的10%；三是注重知識測試的卷面考核，占總成績的60%。

CDIO提出12條標準來評估學生個人、人際交往能力和產品、過程和系統建造能力等方面，分別考察專業培養理念，課程計劃的制定，設計實現經驗和實踐場所，教與學的新方法，教師提高，考核和評估，這也為卓越工程師能力的評價提供了客觀準確的依據。工程圖學采取了多樣化課程考核方式有利于突出教學重點，有利于引導學生關注課程的核心知識和實踐技能，有利于促進學生實踐能力與理論素養的融會貫通和雙重提高，從而有利于培養兼具基礎理論和實踐能力的高級應用型專業人才。

3.6 密切聯系產業，加強校企合作，創建高校與企業聯合培養人才的新機制

卓越計劃和CDIO工程教育改革成功的關鍵在于運用校企聯合培養的模式實現了學生的“做中學”和“基于項目的教育和學習”，構建了一個政府、用人單位、高校、學生等多個模塊共贏的“一體化”教學體系，著重提高學生的工程實踐能力，要求學生在本科階段，必須累計1年的時間在企業學習，進行操作技能，加工技術、工程師崗位能力必需的培訓。

為了保證CDIO課程體系的運行，必須密切聯系企業與企業合作。我院各專業每年3月召開企業專家研討會（與企業校園招聘會同時進行），傾聽企業專家意見，通過深入溝通，將企業急需知識納入培養計劃，共同實施“訂單式”人才培養模式；5月舉辦全院教學研討會；6月舉辦由企業與學院共同參與的教學方案審定會議，進而共同制定出以工程項目設計為導向、工程能力培養為目標的項目制的教學方案，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。在對專業的評估中，CDIO模式也要求不斷聽取來自企業界的反饋信息，從而根據存在的問題不斷完善教育教學。鼓勵學生盡可能多地參與到企業實際工程項目、企業技術創新等從研發到運行的整個生命周期。通過加強與企業的科技合作，將企業技術開發與學?？蒲芯o密結合，設立具有長遠發展意義的專題研究，聯合企業、技術單位建立研發中心。

4 結束語

在“卓越工程師教育培養計劃”下基于CDIO的工程圖學教學改革中，逐步重構了基于CDIO和卓越計劃的圖學教學課程體系和考核體系，全面搭建了CDIO特色的立體動態教學平臺，彌補了原課程體系中生產加工知識的空白以及缺乏企業實訓等不足，最終形成多層次、立體化的卓越計劃下具有CDIO特色的圖學教學體系，將培養目標、培養理念與課程體系一體化，將課程體系、教學方法、學習方法、考核方式和持續改進一體化，將知識、能力和素質培養的一體化，使學生能夠在課程中獲得一體化的學習，創造了能力成長的機會，而不是增加內容，給學生機會培養交流能力、團隊能力等。加強了實踐教學，讓學生充分參與產品構思、設計、實施、運作等全過程，從而通過實踐激發學生在工程設計方面的興趣，加強學生個人能力、人際交往能力以及產品、過程和系統構建能力的培養，引導學生綜合能力的逐步提升，使學生能夠順利地融入社會，有利于培養高素質、具有可持續發展潛力的創新人才。

我們經過不斷地教學改革和實踐，并獲得省級優秀教學成果獎和被評為省級精品課程。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。我院機械相關專業畢業生也受到企業的歡迎，每年都有企業提前一年甚至兩年到我們學校預定畢業生，這有力證實了我院基于CDIO的教學改革是成功和卓有成效的。

今后，我們還應該在進一步提高計算機三維設計能力，教學課件的設計與制作，三級項目的選取，試題庫的建設，按照企業和校友要求制定系統可行的與其他專業課有機聯系和相互滲透的分階段培養的圖學教學大綱和培養目標等方面，進行改革和探索，以期進一步提高圖學的教學水平和學生的掌握程度，培養出企業真正需要的合格人才，而不是連一張合格的零件圖都不會畫的花拳繡腿的工科畢業生。

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