基于CDIO理念的機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)改革*

楊恩霞　孔凡凱　劉賀平　龐永剛　應(yīng)麗霞（哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

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基于CDIO理念的機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)改革*

楊恩霞孔凡凱劉賀平龐永剛應(yīng)麗霞
（哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

摘要：通過分析機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)教學(xué)中存在的問題，提出基于CDIO工程理念的機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革的具體措施，以培養(yǎng)學(xué)生工程職業(yè)素質(zhì)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力及增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)；CDIO工程理念；教學(xué)改革

Abstract:By analyzing the problems of teaching in design of mechanical basic curriculum, the detailed steps for teaching reform are introduced based on CDIO concept. The aim is to cultivate engineering professional quality and a spirit of teamwork, to exercise students' manipulative ability and enhance innovation consciousness.

Keywords:curriculum design of mechanical basis; CDIO concept; teaching reform

CDIO是2001年由美國麻省理工學(xué)院聯(lián)合瑞典的查爾姆斯技術(shù)大學(xué)、林克平大學(xué)以及皇家技術(shù)學(xué)院等高校，共同開發(fā)的一種全新工程教育理念和實(shí)施體系。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程，是“基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)”和“做中學(xué)”原則的有機(jī)結(jié)合[1]。CDIO在培養(yǎng)學(xué)生的理論知識(shí)及協(xié)作能力的同時(shí)，還強(qiáng)調(diào)專業(yè)技能、大系統(tǒng)掌控等一系列能力的培養(yǎng)。目前國內(nèi)許多高校都在研究CDIO的先進(jìn)工程理念，并根據(jù)各自學(xué)校的實(shí)際情況，探索工程教育理念的教學(xué)改革之路。

一、機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)教學(xué)存在的問題

《機(jī)械基礎(chǔ)》是工科類專業(yè)的主干課程和重要必修課程，具有基礎(chǔ)性、設(shè)計(jì)性、實(shí)踐性等特點(diǎn)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的主要課程。而其《課程設(shè)計(jì)》是使學(xué)生獲得工程技術(shù)訓(xùn)練必不可少的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際，提高機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)以及創(chuàng)新構(gòu)思能力和分析能力等方面起著非常重要的作用。本課程是學(xué)生首次接觸的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，其重要性不言而喻。然而，由于課程設(shè)計(jì)長期以來一成不變的設(shè)計(jì)方法和教學(xué)模式，給其教學(xué)帶來很多弊端[2]。首先是設(shè)計(jì)題目陳舊，設(shè)計(jì)方法呆板，缺乏創(chuàng)新思維的培養(yǎng)和工程實(shí)踐能力的訓(xùn)練；其次是設(shè)計(jì)內(nèi)容單一，缺乏整機(jī)設(shè)計(jì)理念和系統(tǒng)訓(xùn)練，沒有機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)，學(xué)生處于一種被動(dòng)及按部就班狀態(tài)，自主設(shè)計(jì)和發(fā)揮主觀能動(dòng)性的內(nèi)容少，無法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，不利于對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)；再次是個(gè)體意識(shí)強(qiáng)烈，缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作及溝通交流的能力。這樣培養(yǎng)出來的學(xué)生將難以適應(yīng)快速變化的社會(huì)需求[3]。因此，課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革勢在必行。

每年我校都有機(jī)類和近機(jī)類約十八個(gè)班的學(xué)生接受機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，搞好機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)，不僅是對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的一次全面訓(xùn)練，而且對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至今后的工作都有重要影響。

二、機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革措施

（一）設(shè)計(jì)題目多樣化

課程設(shè)計(jì)的題目應(yīng)體現(xiàn)以學(xué)生為主的教育理念，針對(duì)學(xué)生的實(shí)際情況，改變以往課程設(shè)計(jì)題目單一的弊端，選擇合適的設(shè)計(jì)題目，因此，在選題上應(yīng)注意以下幾個(gè)問題[4]。一是課程設(shè)計(jì)題目應(yīng)滿足綜合性強(qiáng)、難度適中的要求，使學(xué)生能夠綜合運(yùn)用機(jī)械基礎(chǔ)課程所學(xué)理論知識(shí)，系統(tǒng)地完成一個(gè)大型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)課題；二是題目來源的廣泛性，教師不斷從文獻(xiàn)資料、生產(chǎn)實(shí)際和科研工作中累積合適的題目，逐漸擴(kuò)大課程設(shè)計(jì)題目的類型和數(shù)量，形成一個(gè)基本的課程設(shè)計(jì)題庫，表l所示為我校近三年機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)選題。三是題目要有一定的創(chuàng)新性，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己的興趣進(jìn)行選題，興趣是學(xué)習(xí)最好的老師。

表1　機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)選題

（二）采用先進(jìn)工程設(shè)計(jì)方法和手段

傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)結(jié)果常常是學(xué)生上交一份圖紙和一份設(shè)計(jì)說明書，學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)出來的機(jī)器裝置或機(jī)構(gòu)是否可行不得而知，因此，影響了學(xué)生的設(shè)計(jì)積極性。在課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)中，引入機(jī)械專業(yè)常用的三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E、UG、ADAMS等輔助設(shè)計(jì)功能和虛擬樣機(jī)技術(shù)。要求學(xué)生在計(jì)算機(jī)上制造出虛擬機(jī)械，并對(duì)此進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析，最大限度地減少設(shè)計(jì)失誤。從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題簡單化、抽象問題直觀化，深化對(duì)工程實(shí)踐類問題的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生利用現(xiàn)代化手段進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。圖1為學(xué)生設(shè)計(jì)的潛艇艙蓋開啟機(jī)構(gòu)三維圖，潛艇的艙蓋開啟機(jī)構(gòu)用于潛艇艙門的打開和關(guān)閉。開啟角度為0-90°，驅(qū)動(dòng)方式采用電機(jī)。艙蓋的開啟速度較慢，設(shè)計(jì)中采用了蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。圖2為潛器天線升降機(jī)構(gòu)三維圖，潛艇在水下航行依靠水聲導(dǎo)航，但在近水面航行時(shí)需要使用天線與陸上交換信號(hào)。天線的升降角度為0-90°，驅(qū)動(dòng)方式采用電機(jī)。天線的升降速度較慢，需采用減速機(jī)構(gòu)。潛艇的空間較小，要求所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)盡量緊湊，占據(jù)較小的空間位置。設(shè)計(jì)中學(xué)生采用了蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)輸出軸與天線轉(zhuǎn)軸間采用花鍵連接。設(shè)計(jì)結(jié)束后教師對(duì)優(yōu)秀的作品，組織申請(qǐng)專利，并推薦參加各種大學(xué)生競賽，如全國大學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽。

圖1　潛艇艙蓋開啟機(jī)構(gòu)三維圖

圖2　潛器天線升降機(jī)構(gòu)三維圖

（三）改革課程設(shè)計(jì)的教學(xué)方式

首先是變集中時(shí)間式教學(xué)為先部分分散，然后集中式教學(xué)，與機(jī)械基礎(chǔ)理論教學(xué)環(huán)節(jié)有機(jī)融合起來，這樣學(xué)生不僅可以有充分的時(shí)間發(fā)揮創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性及積極性，同時(shí)指導(dǎo)教師通過監(jiān)督和指導(dǎo)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合理的設(shè)計(jì)，并督促學(xué)生改正，這使學(xué)生有充分的時(shí)間進(jìn)行思考及設(shè)計(jì)；其次是變單人一組的設(shè)計(jì)方式為多人一組的團(tuán)隊(duì)方式進(jìn)行，充分利用學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)。具體措施如下：（1）在機(jī)械基礎(chǔ)課程開始時(shí)，就介紹課程設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容和設(shè)計(jì)要求，布置學(xué)生按自愿組合的方式組成設(shè)計(jì)小組，一般以3-5人為一組；（2）在機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)的中期，布置學(xué)生進(jìn)行調(diào)查研究，查閱資料，分析討論現(xiàn)有典型機(jī)器和同類機(jī)器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展歷史，并以研究報(bào)告的形式成為機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明書的一部分內(nèi)容；（3）在機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)結(jié)束后，組織學(xué)生參觀討論，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與典型機(jī)構(gòu)的分析，方案設(shè)計(jì)階段以小組為單位，在分析機(jī)器的結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)方式、工作原理以及各部件的功能順序的基礎(chǔ)上，繪制機(jī)器運(yùn)動(dòng)簡圖，確定最佳設(shè)計(jì)方案；機(jī)構(gòu)的分析與綜合階段主要是從設(shè)計(jì)方案中選取最具代表性的機(jī)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的尺寸綜合、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和力分析，制作機(jī)構(gòu)模型。最后是編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書，準(zhǔn)備答辯。

三、結(jié)束語

通過近兩年的課程設(shè)計(jì)改革探索，我們發(fā)現(xiàn)基于CDIO工程理念的機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)體系有明顯的優(yōu)勢，不僅能夠改變學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，激發(fā)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)興趣，構(gòu)建工科教育中被忽視的工程價(jià)值觀，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。基于CDIO工程理念的機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，它改變了以往理論與實(shí)踐相脫節(jié)的問題，學(xué)生普遍反映課程設(shè)計(jì)效果有很大提高，特別是在學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力方面以及對(duì)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力等方面均有所提高。

參考文獻(xiàn)

[1]朱玉.CDIO工程理念在“機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2010（1）：139-140.

[2]宜亞麗.機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革的探索[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2008（6）：51-53.

[3]王硯軍，等.“機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)的改革探索[J].中國電力教育，2011（23）：95-96.

[4]高志，等.“機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)”的探索與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2015（2）：127-128.

作者簡介：楊恩霞（1963-），女，哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，教授，主要從事機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)。

*基金項(xiàng)目：本文系2015年哈爾濱工程大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目的階段性成果。

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-000X（2016）01-0119-02