CDIO工程教育理念下機械設計課程教學改革與策略

邢繼春+張文會+張楠+顧勇飛

摘要：本文基于CDIO工程教育理念，深化在機械設計課程的改革與策略，提出通過提高教師工程實踐能力，改革與優化理論課程的教學方法，加強現代設計手段與方法的應用等策略培養學生工程實踐與創新能力等綜合素質，為更好地培養新形勢下的全能人才奠定理論基礎。

關鍵詞：CDIO；機械設計；工程實踐；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）44-0105-03

《機械設計》是機械類專業普遍開設的主干專業技術基礎課，是銜接專業基礎課與專業課的關鍵紐帶，在機械類學生知識體系中起到承上啟下的關鍵的節點作用。隨著現代社會工業信息化水平的發展，企業對機械類人才的要求越來越高。而我國傳統教育模式下的《機械設計》課程重理論輕實踐，教學方法單一化、程式化、規?；Ｋ鼪]有重視到學生個性思維的發展、解決實際工程能力的提高以及團隊協作精神的培養。據統計，我國畢業工程技術人才中，適合在國際化公司工作的人不到10%。其中的主要原因為中國教育系統偏于理論，中國學生幾乎沒有受到項目教學培訓和團隊工作的實際訓練。因此，作為關鍵節點的專業技術基礎課，《機械設計》課程需要不斷吸取國內外先進的教學方法，根據本課程的教學特點改變教學方法，提高對未來機械類人才培養的質量。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、人際團隊能力和工程系統能力四個層面，大綱要求以綜合培養方式使學生在這四個層面達到預定目標。國內外的經驗都表明，CDIO“做中學”的理念和方法是先進可行的，適合工科教育教學過程各個環節的改革。那么，如何有機地將這種先進教學理念結合到現階段《機械設計》課程中，以下是對CDIO開放式教學模式下《機械設計》課程教學的改革與思考。

一、教師工程實踐能力的培養

在傳統教學中，教師處于教學活動中的主導地位，教師講授理論知識，學生被動接受相應的知識。這樣只是對以往知識的繼承、積累和掌握，不利于培養學生現代工程技術人員的基本素質。CDIO開放式教學相比于傳統的教學模式，它不僅要求教師在教學活動中角色進行轉變，更要求教師的教學理念與思想從根本上發生轉變。隨著我國教學規模的擴大，教師隊伍數量增大，教師隊伍的年齡結構發生變化。據統計，青年教師的數量占教師隊伍總數的62%，而且青年教師的學歷水平越來越高，這是一個很好的發展趨勢。但縱看青年教師的學習經歷，他們雖然接受過一定的工程教育，并且參與過工程實踐訓練，可是，他們工程實踐的經驗仍存在不足，因此不利于青年教師教學水平的提高與學生工程實踐能力的培養。CDIO工程教育理念告訴我們，只有把《機械設計》課程的教師培養成具有工程實踐理念的準工程師，才能在教學活動不斷地將工程實踐的理念滲透給學生?！稒C械設計》教師的工程實踐理念與能力的培養是一個長期的、不間斷的過程。為增加青年教師工程實踐培訓的機會，在青年教師上講臺前，他們要進行半年以上的工程實踐培訓或掛職工作，讓他們走入企業尤其是畢業學生的用人單位，了解行業的尖端技術與對人才素質的實際需要，積累工程實踐的經驗，從而在以后的教學活動中有的放矢地講授相關知識，做到工程實踐性與理論性相的結合。在實踐培訓結束后，由有經驗的教授和企業工程師聯合考核青年教師水平，通過考核者方可正式走上講臺。完善學校與企業聯合培訓青年教師的制度，將實踐培訓活動不定期地進行下去，做到教師的工程教育教學理念與企業人才素質需要不脫節，為培養青年教師CDIO工程教育理念與可續發展做好重要基礎。

二、理論課教學的改革與優化

《機械設計》理論課教學通常包括課堂講授和實驗操作，內容豐富而繁雜，初次學習者在學習過程中感到教材脈絡很難把握，各章內容銜接性不強，不利于知識點的理解和掌握，因此，學生的學習興趣和主動性大打折扣。在后續的課程設計中，由于對知識點理解不透徹和遺忘，導致他們不能靈活地應用到工程實踐當中，出現生搬硬套的現象。

1.課堂教學方式的改革。學習動力是興趣，學習的捷徑是實施。《機械設計》課程的最終目的是要培養學生將課堂學到的機械設計知識應用于工程實踐中，完成課程設計的設計項目。因此，我們可以在課程開始時，確定每名學生設計任務，從最終目的講起，激發學生學習的興趣與動力，很具象地告訴學生我們最終的目標，讓學生做到心中有數，學習時有的放矢，將所學的知識和設計任務有機地聯系起來。在課堂教學中，教師要充分利用多媒體教學手段，緊密結合專業特點，各有側重，注重講授內容的新穎性，把握專業前沿，做到講授內容廣泛新穎，突出重點和難點，啟發學生的思考和想象。階段性的設置討論課，要增加教師與學生之間的交流。教師總結前一段學習內容，針對課程設計題目，讓學生進行分組討論，聽取學生的構思與設計想法，并給予學生指導與評價。教師要減少固定模式計算的習題作業，可以針對工程實際內容，增加開發式創新型作業題目，努力培養學生解決工程實際問題的能力。

2.開放式實驗課改革。受傳統教育模式的束縛，我國高等教育存在重理論輕實驗的現象，實驗課所占課時比例比較少，它往往作為理論課的“附屬品”存在。而且，實驗模式單一，實驗題目固定，實驗方法陳舊，與理論課及課程設計的聯系不強。學生感覺實驗課完全是在教師的指導下被動完成，這忽視了學生個性思維與動手能力的發展。然而，CDIO工程教育理念強調實驗課對學生綜合素質提高的重要性。為了更好地將實驗課與理論課有機地結合起來，做到理論課是實驗課的指導，實驗課不僅僅是理論課的驗證，筆者認為可以采取以下措施。①整合學校實驗室資源，為學生設立開放式實驗室，全天為學生開放。鼓勵學生利用學生課余時間在開發性實驗室完成CDIO教學項目中的三級項目，將這種開放性的實驗室變成學生的“實驗課自習室”。②增加實驗課課時數量，在保證一定數量的理論驗證性實驗外，增加一定數量的設計性實驗，充分發揮學生的主動構思和設計的能力。③將一部分理論課教學與實驗課相接相結合了，采用現場教學方式，直觀為學生講授機械設計理論在工程實際中的應用。這種方式可加深學生對相關知識點的理解和掌握。機械設計實驗課的改革，充分發揮實驗課培養未來機械類人才的作用，必將會全方位地提高學生的綜合素質。endprint

三、機械設計課程設計改革思路與措施

目前，我國大部分高等院校的《機械設計》課程設計題目以帶式輸送機傳動裝置為主。課程設計題目比較單一，設計任務和數據多年未變，教師教學時程式化現象比較嚴重。這忽略了機械類各專業之間發展的差異，限制了學生個性思維的發展，不能夠充分調動學生設計研究的主動性與激發學生學習相關知識的興趣，易造成抄襲現象，影響課程設計的教學效果。

1.課程設計題目多樣化、自主化。為了培養學生的工程實踐能力，避免設計題目的單一，激發學生的學習熱情與興趣，加強學生獨立思考的能力，機械設計的題目可以適當地多樣化、自主化。筆者認為，課程設計題目可以結合教師的科研項目或工程實際中包含機械設計課程所講內容的典型機械部件。但是，由于學習機械設計的學生大多是在大三階段，其知識的儲備有限，并且課程設計的時間基本在3～4周左右，要注意題目的難度和復雜程度。能力突出的同學也可以通過查閱相關文獻或在工程實際中所發現的問題向教師提出自主化的機械設計題目，機械設計教師掌握好題目的難度與深度。教師將每班學生分成若干小組，讓學生自己選擇有興趣的題目編成3～5人的團隊。團隊成員間的設計方案相同但是數據不同，并要求學生互相監督，檢查對方的設計思路與計算過程，督促學生養成自查互查的習慣，增進了學生團隊協作的意識和能力。

2.加強現代設計手段與方法的應用。隨著電子計算技術的發展與國家制造業信息化進程的迅速推進，現代化的機械制造企業已經完全摒棄了復雜、冗長的手工制圖，而采用更為高效、高質量的計算機輔助制圖CAD技術。但是，機械設計課程設計的教學環節中，部分高校仍要求學生采用手工制圖，工作強度大，工作效率低，不利于學生空間思維的形成，更不利于掌握現代設計方法與設計手段，不能很好地為學生在畢業設計階段打下計算機輔助制圖的基礎。為了更好與國際先進的CDIO工程教育理念接軌，作為專業基礎課《機械設計》的實踐環節，課程設計的改革已經迫在眉睫。我們建議放棄機械設計課程中的手繪制圖階段，要求學生采用AutoCAD或CAXA作為二維圖紙繪圖工具；提倡學生應用Solidwork、creo、UG等三維設計軟件進行結構設計和運動仿真，鼓勵學生運用ANSYS、COSMOS、ABQUS等CAE軟件進行機械零件的力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計。我們將CAD/CAE相結合的設計技術應用于實戰，能深化學生課堂所學到的計算機輔助設計相關內容的理解。在設計計算階段，《機械設計課程設計指導書》和《機械設計手冊》是必不可少的工具。但是，利用工具書查詢相關數據進行設計計算極其煩瑣，效率較低，且易錯選相關數據。現代化的設計手段要求我們培養學生利用互聯網技術檢索查閱相關文獻，利用計算機強大的數據庫功能簡潔快速地查閱相關數據。教師可以鼓勵學生采用軟件版《機械設計手冊》快捷方便查詢各種數據，運用Matlab、VB等編程軟件進行零件設計計算與校核分析。這極大縮短手工設計計算所用的時間，提高設計效率，給學生留出充裕的時間去思考學習三維軟件的應用，為學生出色地完成畢業設計打下堅實的基礎。

3.考核方式改革與激勵創新。機械設計課程設計的考核與答辯是對學生課程設計階段所取得成果的一種總結與肯定?？己酥饕▓D面成績50%、平時成績30%和答辯成績20%。圖面成績和平時成績評分標準完全由教師主觀的判斷給出，答辯成績的給出通常是由老師提出問題，每名學生逐一進行答辯。因此，教師需要在有限度的課程設計時間內擠出大量時間給答辯環節，而且每個同學的問題各不相同，這樣老師需要花費大量時間準備相關問題，而且很難做到全體學生難易程度相近。這忽略了老師與學生之間信息的相互交流。采用將題目相同的學生分成一組的方式，要求學生在結構設計與計算階段、制圖階段互相監督彼此發現存在的問題。教師定期進行小組討論，解決小組成員中的個、共性問題。這樣大大增強了同學間的團隊協作能力與交流溝通的能力，而且節省了老師和學生的時間，提高了設計的效率。答辯環節可以采用很自由的方式。評分時，每位同學的成績由組內其他成員根據評分標準給出，最終由教師綜合給出該名同學的最終分數，讓學生既是“運動員”，又是“裁判員”。這樣，學生通過總結他人設計中的得失和成敗，能夠提高自己的設計實戰經驗。在這種討論式答辯中，它能激發學生的創新意識，鼓勵學生將討論時產生的新的創新想法應用于實踐，引導學生進行課外創新活動的競賽，給學生更為廣闊的發展平臺。

建立以CDIO工程教學模式作為指導思想的機械設計課程改革是現階段高校教師不可推卸的責任。教師要靈活應用CDIO項目式的教學方法，做到教學內容、教學方法的與時俱進。教師要以發展學生的綜合素質為根本，為培養具有高水平的工程實踐能力的創新人才而努力。

參考文獻：

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