基于CDIO理念的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的組織與實(shí)施

蔡曉君　劉湘晨　竇艷濤

[摘 要]CDIO作為一種新型的工程教育模型其在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的工程教育領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CDIO強(qiáng)調(diào)的是將工程教育融入產(chǎn)品＼系統(tǒng)生命周期的環(huán)境中，通過(guò)學(xué)生全過(guò)程參與工程項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)出企業(yè)真正需要的工程應(yīng)用人才。北京石油化工學(xué)院在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的組織和實(shí)施過(guò)程中，運(yùn)用CDIO理念，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為本，為學(xué)生提供產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試全過(guò)程的訓(xùn)練環(huán)境，極大提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)，社會(huì)效果顯著。

[關(guān)鍵詞]CDIO；工程訓(xùn)練模型；產(chǎn)品＼系統(tǒng)生命周期

[中圖分類號(hào)] G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2017）07-0035-03

工程教育的目的是培養(yǎng)具有熟練技術(shù)基礎(chǔ)和廣泛專業(yè)能力的學(xué)生，在過(guò)去幾十年里，大學(xué)之外的社會(huì)一直在要求工程教育者改進(jìn)工作以更好地滿足以上目標(biāo)。[1]但是20世紀(jì)中期以來(lái)，我國(guó)的工程教育日漸脫離和輕視工程實(shí)踐，工程教育的教師越來(lái)越多的由工程科學(xué)家擔(dān)任，他們其中多數(shù)人從來(lái)沒(méi)有做過(guò)工程師，他們思考、工作、教學(xué)都是在其所熟知的工程研究環(huán)境中。工程研究固然是一個(gè)很重要的領(lǐng)域，但問(wèn)題是，它實(shí)際上逐漸取代工程實(shí)踐環(huán)境而變成了工程教育環(huán)境。這樣，我們就不知不覺(jué)地開(kāi)始把我們的學(xué)生培養(yǎng)成為工程研究者，而不是工程師。

據(jù)麥肯錫季刊的一項(xiàng)分析報(bào)告指出，在中國(guó)160 萬(wàn)名青年工程師中，只有16 萬(wàn)能勝任跨國(guó)公司的工作，能達(dá)到跨國(guó)公司用人標(biāo)準(zhǔn)的合格畢業(yè)生比例不到工科畢業(yè)生的10%， 與印度的25% 、馬來(lái)西亞的35% 、波蘭的50% 、比利時(shí)的80% 以及其他發(fā)達(dá)國(guó)家差距甚大。據(jù)瑞士洛桑國(guó)際管理開(kāi)發(fā)研究院（IMD） 公布的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力排名可知，我國(guó)整體實(shí)力排名由2005 年的第31 位大幅上升到了2006 年的第19 位，但在同一排名榜上，我國(guó)培養(yǎng)的可獲得資格的工程師數(shù)量卻連年忝居末座。[2]因此，中國(guó)的工程教育迫切需要進(jìn)行深層次改革，以適應(yīng)全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要。

一、國(guó)際工程教育大潮中的CDIO

全世界對(duì)工程教育的改革都很迫切，無(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家。在過(guò)去的10年里，美國(guó)的企業(yè)界人士開(kāi)始致力于縮小當(dāng)前工程教育中的理論和實(shí)際操作能力之間的差距，對(duì)工程教育提出了新的目標(biāo)和要求。四所前沿的工程大學(xué)（美國(guó)麻省理工學(xué)院、瑞典查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典林克平大學(xué)、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院）從2000年起組成跨國(guó)研究項(xiàng)目組合，經(jīng)過(guò)4年探索，他們合作開(kāi)發(fā)了一個(gè)新型的工程教育模型，稱為CDIO。其名字的靈感來(lái)源于產(chǎn)品/系統(tǒng)的生命周期過(guò)程。該生命周期可分為四個(gè)階段：構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、操作。它是“做中學(xué)”原則和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”的集中體現(xiàn)。它以工程項(xiàng)目（包括產(chǎn)品、生產(chǎn)流程和系統(tǒng)） 從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)實(shí)踐、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO的理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來(lái)的工程教育改革理念，更重要的是提出了系統(tǒng)的能力培養(yǎng)、全面的實(shí)施指導(dǎo)、完整的實(shí)施過(guò)程和嚴(yán)格的結(jié)果檢驗(yàn)的12條標(biāo)準(zhǔn)，具有很強(qiáng)的可操作性。[3]CDIO標(biāo)準(zhǔn)是直接參照工業(yè)界的需求（如波音公司的素質(zhì)要求和ABET的EC2000標(biāo)準(zhǔn)） 制定的，因而能完全滿足產(chǎn)業(yè)對(duì)工程人才質(zhì)量的要求。迄今已有幾十所著名大學(xué)加入CDIO國(guó)際組織，麻省理工學(xué)院已有兩屆CDIO學(xué)生在畢業(yè)后得到工業(yè)界的好評(píng)。一些公司甚至專門為CDIO畢業(yè)生制定了高于其他教育模式畢業(yè)生15% 的工資標(biāo)準(zhǔn)。

二、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中的“做中學(xué)”模式

2006年初北京石油化工學(xué)院在組織第三屆首都高校機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽時(shí)，大多數(shù)師生根本沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)CDIO，因?yàn)橐獏①惗蚁肽贸龀晒Φ淖髌穮①?，教師帶領(lǐng)學(xué)生“在做中摸索、在做中學(xué)習(xí)、在做中提高”。第三屆首都機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的主題是“健康與愛(ài)心”，大賽要求從這一主題出發(fā)，由學(xué)生設(shè)計(jì)、制作、提交相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品的樣機(jī)進(jìn)行比賽。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)不只是圖紙上的設(shè)計(jì)，還包括從調(diào)研到構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造、裝配、調(diào)試、使用，乃至改進(jìn)設(shè)計(jì)這樣又一輪的實(shí)踐活動(dòng)。這是一套完整的實(shí)踐活動(dòng)，是一套出真知、出創(chuàng)新、出成果的實(shí)踐活動(dòng)。[4]

2006年是我們學(xué)生包括部分教師第一次親臨一種全新機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制作全過(guò)程的體驗(yàn)，開(kāi)頭真是無(wú)從下手，產(chǎn)品都不知如何確定，更不用說(shuō)設(shè)計(jì)與制作了。在教師的指導(dǎo)下，考慮到我國(guó)需助殘、康復(fù)、健身的人群現(xiàn)狀，學(xué)生們開(kāi)展了廣泛的市場(chǎng)調(diào)研，深入到大興康復(fù)醫(yī)院、海淀康復(fù)機(jī)構(gòu)等觀察采訪，結(jié)合不同的康復(fù)人群的需要，擬訂了“多功能電動(dòng)輪椅”、“人性化擔(dān)架和康復(fù)助力拐”等產(chǎn)品的選題組成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)小組。開(kāi)發(fā)小組的分組以學(xué)生自愿組合為基礎(chǔ)，并考慮了專業(yè)和男女同學(xué)的合理搭配，以便于最大限度發(fā)揮每個(gè)人的特長(zhǎng)。過(guò)02級(jí)學(xué)生馬強(qiáng)、機(jī)電02級(jí)學(xué)生龔月圓和機(jī)電02級(jí)學(xué)生楊雄在進(jìn)行“多功能電動(dòng)輪椅”的功能設(shè)計(jì)構(gòu)思時(shí)，為突出“多功能”的特點(diǎn)，對(duì)各種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究和學(xué)習(xí)，最后運(yùn)用機(jī)構(gòu)學(xué)原理設(shè)計(jì)了靠背、桌面和遮陽(yáng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)思路新穎，結(jié)構(gòu)精巧簡(jiǎn)單，將簡(jiǎn)單的靠背根據(jù)殘疾人需要，經(jīng)機(jī)構(gòu)變換可巧妙變化成書桌或遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)（該成果已獲得實(shí)用新型專利授權(quán)）。楊雄同學(xué)在調(diào)試電動(dòng)輪椅時(shí)，面對(duì)項(xiàng)目中驅(qū)動(dòng)與控制問(wèn)題，在請(qǐng)教自動(dòng)化專業(yè)教師的基礎(chǔ)上，自學(xué)掌握了控制工程原理、制定了合理的啟動(dòng)方案，并且利用網(wǎng)絡(luò)查詢小型步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的價(jià)格，為了節(jié)省開(kāi)支，跑遍了大興的各機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)（包括舊貨市場(chǎng)） ，不但購(gòu)買到可用于該項(xiàng)目的小電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，還學(xué)到了一些實(shí)用的技術(shù)、方法。在實(shí)際制作中，學(xué)生們虛心請(qǐng)教工程教育中心的師傅，改進(jìn)原設(shè)計(jì)中的不足，自己動(dòng)手加工零件，組裝出所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，圓滿完成設(shè)計(jì)制作任務(wù)。過(guò)03級(jí)學(xué)生姚明、鐘云青在設(shè)計(jì)制作“人性化擔(dān)架”作品時(shí)，出于最大限度保護(hù)傷殘病人的愿望，巧妙運(yùn)用四桿機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)了可自由開(kāi)合式擔(dān)架，為準(zhǔn)確規(guī)劃擔(dān)架的運(yùn)動(dòng)軌跡，并自學(xué)了Working Model 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件，從理論上保證了機(jī)構(gòu)尺寸的精確性，為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)制作奠定了良好的基礎(chǔ)（該成果已獲得實(shí)用新型專利授權(quán)）。每一個(gè)作品的后期制作，都是考驗(yàn)學(xué)生團(tuán)隊(duì)能否團(tuán)結(jié)協(xié)作、有無(wú)鍥而不舍精神的關(guān)口。內(nèi)行都知道，設(shè)計(jì)工作量為一，那么制造工作量就為十，這表明，后天的制作量是十分大的。學(xué)生們頂著酷暑紛紛自己動(dòng)手，有的到廢舊市場(chǎng)尋找原材料，有的到工廠進(jìn)行加工、組裝、調(diào)試，反復(fù)修改，以求制造操作上易于實(shí)現(xiàn)。這真正體現(xiàn)了“做中學(xué)、學(xué)中做”相互結(jié)合、相得益彰。