基于CDIO的機電一體化系統設計課程教學改革

姜永成 華秀萍 顏兵兵 郭曉云 陳思羽

摘 要：機電一體化系統設計這門課是佳木斯大學研究生培養的一門專業基礎課，該課程的教學成果極大影響研究生后續科學研究的水平。為提高研究生的實踐技能，基于CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate）理論，采用項目教學法，對本門課程進行教學改革探索，經過2輪的教學改革試驗，學生實踐能力和科研素養大大提高，取得了良好的教學效果。本次改革的成果對其他兄弟院校的研究生培養也具有借鑒意義。

關鍵詞：CDIO 研究生 項目教學法 實踐 科研素養

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914（2015）08-242-02

前言

機電一體化系統設計這門課是一門關于農業工程學科研究生教育的研究農業工程領域里許多基本問題的核心專業基礎課程。研究生經過對本門課的學習能學會如步進電機原理，運動控制方法，上位機軟件設計、機械系統設計等重要技術知識。本課程的開設不僅可以提高研究生的科研素質，為后續科學研究的進行提供必要的專業技術基礎。而且以往的教學過分強調理論教學，僅有的實驗環節也大多是做的演示性實驗，本門課程教學實踐環節卻非常多，可以大幅度提高研究生學習的興趣和主動性、參與度，使教學目標不再難以實現。

一、教學現狀分析

對于現在的研究生教育，要求研究生不但要在專業技術知識方面有扎實的基本功，還必須具備團隊協作精神、動手操作能力、系統分析問題并解決問題的能力。為了更好地適應當前國內迅猛發展的研究生教育水平，分析教學現狀，目前機電一體化系統設計教學主要存在以下問題：

1.授課方法簡單，以教師傳授研究生被動接受式教學模式為主，這種教學形式簡單死板，不能激發研究生的研究潛能、更不利于提高研究生學習興趣和調動其學習的積極性。

2.授課實踐環節較少，以理論知識講授為主，缺乏綜合性實驗，不能幫助提高研究生的動手能力。這種教學方式對研究生教育要求來說遠遠不足。

3.現有的教學模式達不到教學目的，不能提高研究生應有的團隊協作能力、動手操作能力以及科研技能。因此，機電一體化系統設計這門課程急需改革，以便研究生能學以致用，提高自身綜合能力。

二、基于CDIO的教學改革方案設計

1.CDIO的基本思想。CDIO①（Conceive，Design，Implement，Operate）是美國麻省理工學院（MIT）和瑞典皇家工學院等4所大學聯合探索創立的工程教育理念，以構思（Conceive）—設計（Design）—實現（Implement）—運作（Operate）理念開展基于工程項目全過程的學習，著重培養學生全面的工程實踐能力。其指導思想是：以誠信、職業道德培養為基礎，以工程設計任務為導向，以培養個人能力（實踐能力和終生學習能力）、團隊能力和系統的適應與調控能力為主要目標，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有聯系的方式學習工程②③。

《機電一體化系統設計》是一門農業工程學科課程群中最具專業特色的專業基礎課程，教學改革中，完全可以在相應的教學中應用CDIO的理念。

2.基于項目教學法的教學改革方案。在教學過程中打破原有的教師講授，研究生被動接受知識的模式，采用以項目為驅動的教學方法，增添師生通過共同實施一個完整的項目工作而有目標進行的教學活動。這種方式可以提高研究生的學習興趣，讓其有目標地自主學習，進而很好地融入到有意義的任務完成的過程中，使學習變成一個生動有趣的事情。同時，研究生可以通過自己的實踐進行知識構建和技能訓練④，不再需要枯燥無味的重復就能理解并牢牢記憶理論知識。項目法教學流程圖如圖1所示。

（1）研究項目的確定。如圖1所示，在教學活動實施之初根據機電一體化系統設計課程的需要及參與本門課程學習的研究生人數，由教師確定項目個數并進行分配任務。

（2）研究生分組。由教師主導根據研究生的不同興趣、個人擅長的特點及團隊合作需求，對研究生進行分組作業并選舉各組組長。

（3）討論項目目標和任務。由教師布置相關教學任務，組長協助并組織組員進行項目內容討論并確定具體任務目標，進而分配各成員任務分工。

（4）制定項目實施時間表。教師根據本課程的學時數和項目內所包含的任務量，制定具體的項目實施時間表。

（5）講授項目實施規范與考核標準。項目實施前，教師專題講授項目實施規范與具體的相關考核標準，及研究報告的書寫規范。

考核制度采用百分制標準，其中項目研究占80%的分數，其余20%教師根據組員的團隊合作情況酌情給分。

（6）項目實施階段。教師跟蹤各組研究的進展狀態，項目實施過程中根據所遇到困難及問題的普遍性，組織專題討論或者進行個別組具體指導，解決所出現的問題。本課程涉及的主要問題在于硬件系統搭建和上位機軟件設計部分。通過舉辦講座進行具體講解示范及解惑。

（7）項目結題階段。項目完成后組織答辯，各組需要準備好項目技術報告及幻燈片材料，由各組組長匯報項目流程，其他研究生成員分別負責答辯涉及具體問題的解答。答辯結束并完成后，教師會對課程進行綜合總結并給所有研究生打分作為最終成績。

三、教改方案實踐

基于本文的教學改革在佳木斯大學農業工程學科2011級、2012級研究生及2013級留學生教學中實行了教改方案實踐，并取得了良好效果。

1.項目任務的確定。本課程主要講授步進電機、伺服電機的驅動原理、運動控制系統的設計與調試。以我校農業工程學科2011級研究生課程為例，選修機電一體化系統設計這門課共有12名研究生，共計確定分為2組研究項目，每組人數為6人，研究項目表如表1所示。

期間開展的基礎知識講座內容如表2所示。

2.項目實施時間表的確定。培養計劃中規定本門課程共計38個學時，其中理論學時占20學時，實驗占18學時。本次課程改革將全部學時用于項目開發，教學過程中根據各組項目進展和需要，開展定向基礎知識講座，同時要求各組成員每兩周進行一次項目進展報告，每組每周開兩次組會，時間地點由各組自行商議選定，組長負責考核各成員績效并作詳細記錄。學生邊做邊學，理論和實踐結合，教學效果非常好。

3.項目實施過程。在教學改革實踐過程中，全體參與教學改革的研究生體現出極大熱情投入到項目開發過程中，在學習中不但掌握了實踐技能，培養了科研素養，還對自己即將從事的科研項目有了明確思路與方法。對研究生完成后續的碩士學位論文具有重要意義。

四、結論

本文打破原有的機電一體化系統設計課程教授式教學方法，在CDIO教學理念的指導下，進行了基于項目教學法的教學改革實踐活動并取得了良好的效果。具體總結如下：

1.CDIO理念在實踐性較強的機電一體化系統設計課程中的應用符合教學規律，研究生學習方式由被動接受轉為主動探索，達到課堂與課間一致均能開展研究，教學效果良好。

2.研究生通過參與項目的討論研究，使其增強了團隊協作感，能夠各司其職，具有強烈的責任感，看到自己的項目科研成果也有巨大的成就感，這種教學方式有利于研究生科研素養、實踐技能、自信心的提高。研究生隨著項目研究的需要主動探索其他課程，學以致用，知識掌握牢靠。

3.項目教學法需對帶隊教師的水平有一定要求，教師額外的工作量核定、研制資金、必要的設備的支持，在教學方法改革的同時相應的保障機制要隨之改革，才能達到良好教學效果。

4.本次教學改革產生的科研成果不但對我校研究生培養起到巨大提高作用，還對其他兄弟院校的研究生培養起到一定的借鑒意義，具有一定的推廣價值。

[基金項目：黑龍江省新世紀教育教學改革工程項目“地方高校課堂教學有效性的‘分析—策略—實施—評價’過程集成系統研究”（JG2014011044）;黑龍江省教育科研“十二五”規劃2014年度課題“基于CDIO模式的卓越工程師培養中機械設計類主干課程改革”（14G134）;黑龍江省高教學會重點項目“大類招生模式下機械類高素質應用型創新人才培養模式的研究與實踐”（14Z023）。]

參考文獻：

[1] Worldwide CDIO Initiative，CDIO Knowledge Library [EB/OL]（2000-01-10）[2009-09-15].http：//www.cdio.org

[2] 顏兵兵，姜永成，殷寶麟.大類招生模式下專業分流方案設計與實例分析[J].高教論壇，2014（9）：44-47

[3] 姜永成，華秀萍，孫勇，等.基于CDIO的檢測與轉換技術課程教學改革探索[J].中國電力教育，2014（6）：71-74

[4] 馮巧玲，楊存祥，張文忠.基于CDIO模式的“電氣工程基礎“課程的教與學[J].中國電力教育，2010（1）：118-119

（作者單位：佳木斯大學機械工程學院 黑龍江佳木斯 154007）

[作者簡介：姜永成（1976—），男，黑龍江牡丹江人，佳木斯大學機械工程學院，副教授，博士后，主要從事高等教育改革研究及智能檢測與控制技術方面的工作。]

（責編：若佳）