結合CDIO理念的“材料成形技術”課程教學改革

張華麗

摘 要：CDIO工程教育模式是一種開放性的工程教育體系結構構想。CDIO的培養目標是教育學生掌握深厚的技術知識基礎，致力于創造新產品及新系統，了解未來工作核心的戰略價值。CDIO教育模式強調以構想-設計-實施-運行四個環節規劃產品的開發流程。根據卓越工程師教育培養的需要，該文結合CDIO教育模式，從教育策略、評估方法的創新、轉換新型教學方法對學生的影響等方面，介紹了材料成形技術課程的雙語教學改革實踐。

關鍵詞：材料成形技術 教學改革 機械類專業 CDIO工程教育模式

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0170-02

進入本世紀，社會發展越來越全球化，成功的工程師和企業取決于他們能否適應新的環境和新興技術的運用。這一轉變急需通過對工程類教育的改革來實現。全球化、多樣性、全球文化和語言的不同、交流的需要、種族、領導地位等，必然構成了工程類教育改革的核心內容[1-2]。過去的20年來，美國工程教育協會、美國國家專業出版社、美國國家自然科學基金等組織對工程教育改革進行了廣泛的研究。然而即使有如此多關于工程教育改革的文獻，今天的工程類課程設置仍然未能滿足培養優秀工程師們這一基本需要。工程類課程必須改變40年來的課程體系和教學思想。針對我國工程類教育實踐存在的重理論輕實踐，重視知識學習而輕視方法創新的培養等問題[3-4]，結合未來畢業的工程技術人才國際化工作環境，應大力培養學生工程實踐訓練，及英語工程化應用的能力。

1 CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式是2000年以來由查爾姆斯理工大學、瑞典皇家理工學院、瑞典林雪平大學、麻省理工學院四所大學創立的針對工程類教育改革新理念。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）。CDIO核心特點是圍繞各學科組織課程，同時強調工程實際項目、活躍的教學模式、體驗式的小組學習，以及多樣的學習環境包括教室、車間、外部世界。

2004年美國機械工程師協會發表了“面向21世紀工程類知識”的核心標準。標準包含15項內容，涵蓋技術、專業實踐等方面。

技術類的指標包括：應用數學、科學、工程知識的能力；設計、完成實驗，及分析數據的能力；根據需要設計系統、零件、所需工藝的能力；對工程類問題判斷、公式化表達、解決的能力；掌握工程實踐所需技術、技能、現代化工程工具的能力；應用所學知識解決機械工程特定領域問題的能力；理解工程管理、資產管理的基本理論。

專業實踐類的指標包括：多學科團隊協作能力；遵守專業、道德職責；高效的溝通能力；全球化背景下具有較寬的解決工程問題的知識面；熟悉商業、公共政策及組織的基本架構；理解領導者的角色、領導原則和態度。

在CDIO教學方法實踐中，教師有三個主要任務：首先，確保每部分學習內容最終匯集為整體學習成果，保證單個學生遇到問題可以得到解決。其次，教師要為個人考核成績。機械工程領域的教學簡單通過學生的考試成績來評價是不全面的。最后，教師要負責協助學生學習的過程，引導學生適應新的雙語教學環境。鼓勵學生間的溝通，創造良好的學習氛圍。

2 教育策略的改革實踐

結合CDIO能力大綱內容，在《工程材料及機械制造基礎》課堂上，涉及了大綱內的大部分內容，如技術知識和推理能力、工程推理和解決問題、系統思維、求知欲和終生學習、團隊協作能力等。需特別提出的是大綱中的交流技能，通過本課程雙語教學逐步提高了學生的外語交流能力。相關教學改革實踐如下。

（1）為了培養學生的工程推理和解決問題能力，亦可給出學生某種工程實際問題，如激光立體成形加工技術適用的合金材料。這樣的問題多半需要聯系學生已學的工程材料知識。除了之外，學生們對市場進行調查，了解工程中常用的材料，如鋼、高溫合金、鈦合金等是否適合進行激光立體成形加工毛坯或半成品件。給出各材料成形方法的優缺點和經濟性分析，撰寫相關報告后提交。

（2）課程結束前對學生進行分組，針對一種新型成形技術進行英語報告。每組學生的題目從板液壓成形技術、溫壓成形技術、熔絲沉積成形技術到半固態金屬成形技術等任選，并且提供幾篇相關文獻作為背景材料。分組成員們通過現代化圖書搜索工具找到更多的相關文獻，撰寫出一篇符合正式出版論文一般要求的報告。最后，每組選派代表在討論會上講解自己的報告，并接受其他討論組的提問和評價。

需要特別指出的是，上述教學實踐內容并不新穎，如何執行、貫徹CDIO精神是關鍵。在這一過程中，堅決杜絕學生簡單地照搬網上已有的英文資料。以一個案例研究為題目（如熔模鑄造的全膝關節置換體，或LotusElise汽車的懸掛組件成形方法等），時間為1-2周，培養學生團隊工作能力，學習如何做演講及撰寫學術報告。除了這些技能，學生們也得到了計算機程序方面的鍛煉。指導學生采用ProE，Solidworks軟件建立毛坯件的數學模型，為大四的畢業設計將來工作打基礎，同時也培養學生的工程實踐素養。

在前述教學方法的實踐改革后，有一個關鍵的問題需要思考：如何在激勵學生合作性學習和以學生為中心的教學目標的同時，不遺漏課程的重點內容？筆者最初的想法是教學的目的不是覆蓋所有的知識點。但通過教學實踐發現雖然課堂上的分組討論等占據一些講授時間，主動學習的方式并不意味著要減少教學大綱內容。

《材料成形技術》作為我校大二本科生的必修課程，結合CDIO教學思想，進行了教學內容的改革實踐。以“金屬鑄造工藝”內容為例，根據大綱要求講授方式劃分為介紹類、詳細講授類、學生實踐類。如“金屬鑄造工藝及設備”內容劃為介紹類，簡單介紹或把學習任務下發給學生，不再布置附加的學習內容。例如請學生們分組做各鑄造工藝方法的口頭演講。將“金屬鑄造的理論基礎”列為詳細講授類，目標是提升學生的知識層面，清晰完整講授金屬凝固理論、流體流動、熔融金屬的流動性、鑄件缺陷等基本理論。將“金屬鑄造：設計、材料、經濟性”列為學生實踐類，首先教師講解鑄件設計時的關鍵考量，使學生掌握鑄件設計的一般原則，將這部分內容作為課后作業下發學生。

3 轉換新型教學方法對學生的影響及解決策略

習慣了教師講授，學生在考試時重復教授內容的模式，學生們對新的教學方法可能不會很快接受。當教師要求學生自己學習部分內容時，他們可能會感到教師教課不認真。這種敵對情緒將非常影響教師，使之感到受挫。學生的抵觸在合作型、基于問題的學習方式中較為常見。特別是這次的教學改革實踐結合了雙語教學方式。一些同學能夠迅速地通過最初的不適應，但有些同學整個學期深陷抗拒、后退階段。這一過程是正常的，作為教師，可從以下幾個方面改善學生的抵觸情況。

（1）循序漸進。以學生為中心的教學模式應在課程開始之初在學生心里埋下學習目標。循序漸進地開展，逐步增加強度。

（2）向學生解釋講授方式和理由。當學生初次經歷新的教學方法，特別這種方法讓學生有所負擔，他們就可能感覺自己是實驗對象，有所抵觸。故在授課前將實施新方法的原因要解釋給學生接受。

（3）查閱相關發表的研究結果，證實采用的教學方法是可行的。

（4）教師要避免生硬地實施新的教學方法，應認識到部分學生有其獨特的需求和局限性，遇到問題的解決方法也要基于個體不同分類展開。

在《工程材料及機械制造》課程教學改革實踐過程中，課題研究者感覺到除了耐心地引導學生適應新的教學方式，進行適當的教學手段改進是有效的。為此實踐了以下教育方式。

（1）將每次學生的展示報告題目與近期學習的材料成形方法、相關應用結合起來。題目可以是實際問題或者具有說明性的事例。

（2）課程內容的教學目標詳細地呈現給學生們，作為未來考試的復習指導。

（3）課堂上進行簡短的小組討論，引導學生對提出的問題進行構想、提出解決方法、衍生出新的想法。

（4）布置學生完成一到兩個課下分組作業，而不是立即開展全面地小組合作式的學習。

（5）以課堂隨機測驗方式定期提問或測試學生，如本次課程的主要學習點、模糊點。教師只需瀏覽這些反饋意見，在接下來的課程中對困惑點進行重點復習講解。

（6）進行教學中期評價。例如課堂上的教學方法哪種促進了學生的學習熱情，哪種方法讓學生反感思考并接受其中有建設性的建議。

4 結語

《工程材料及機械制造基礎》作為機械類專業本科生的必修課，是一門介紹材料成形基礎方法、工藝、結構工藝性的課程，是踐行雙語教學和CDIO理念的最佳平臺。課程講授時可結合成形技術領域的新思想、新方法、新工藝，實踐、發展CDIO精神，培養學生的創新、實驗中探索知識、團隊精神。雖然學生初期感覺雙語教學阻力較大，但通過一學期的努力，學生們掌握了知識，鍛煉了公開場合下使用英語進行技術性報告的能力，增強了自信心。

建立學生完整合理的工程師素養，僅僅一個課程的雙語+CDIO教學模式不能勝任。關鍵問題是如何設計整個課程體系，如何將CDIO能力大綱的各項貫穿在課程體系之中。對于四年本科教育的每個階段，應建立不同的能力培養階梯。本科教育的初期非常重要，也就是學生的第一、二學年，是建立學生熱愛機械工程行業的奠基期。問題仍在于前兩年的課程如何實現CDIO能力大綱的基礎部分，如何與工程教育中其他課程的銜接，如何更有效地激勵學生的興趣。這些都需要高等教育工程類教師們繼續努力實踐改革。工程類教學改革需要各專業、企業、工程類組織持續、有效的協作。為滿足21世紀知識型社會工作需要，工程教育必須立即實踐改革，并且對碩士研究生學位課程進行制度化改革。

參考文獻

[1] 李宏偉，張志遠，李偉，等.面向工程實際的應用型機械人才培養模式研究[J].機械管理開發，2010（3）：149-150.

[2] 林大鈞.機械工程教育的改革與發展[J].化工高等教育，2003（4）：10-11.

[3] 于濤，王素玉，范云霄.構建以工程素質為取向的煤炭高校機械類人才培養模式的研究與實踐[J].高教論壇，2011（7）：33-36.

[4] 朱劍英.信息技術、機械工業與機械工程教育[J].高等教育研究，2002（1）：68-73.