基于“雙導師制CDIO”本科生課程教學改革與實踐

王保建， 李 兵， 陳雪峰， 訾艷陽， 曹洪瑞

(西安交通大學 機械基礎國家級實驗教學示范中心，陜西 西安 710049)

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基于“雙導師制CDIO”本科生課程教學改革與實踐

王保建， 李 兵， 陳雪峰， 訾艷陽， 曹洪瑞

(西安交通大學 機械基礎國家級實驗教學示范中心，陜西 西安 710049)

為了實現我校行業領軍人才的培養目標，在“卓越計劃”的框架指導下，采用CDIO的工程教育理念，加入學校-企業雙導師制的教學手段，建設了《設備控制與故障診斷》課程，詳細介紹了課程前期建設目標、建設理念及具體教學流程，經過兩年的開設實踐表明，該課程組織形式新穎、教學理念先進、教學成果突出，為我國高校的工程教育改革提供了一個成功的范例。

卓越計劃； 雙導師制； 教學改革

0 引 言

2010年國家教育部在教高[2011]1號文件中發布了 “教育部關于實施卓越工程師教育培養計劃的若干意見”(簡稱卓越計劃)[1]，以該計劃為契機我國高等教育的教學改革和素質教育的開展進入了快速發展的階段，作為高等教育的重要組成部分，實驗教學也正在隨著人才培養模式的改革進行著深刻的變革。實驗教學是傳授知識與訓練技能相結合的過程，是學生創新思維和創新能力培養的重要環節，具有課堂理論教學不可替代的作用[2-3]。隨著卓越計劃的提出，實驗教學正在從過去的驗證理論課教學的附屬地位，逐步變成獨立的教學體系，實驗教學從教學方法、教學理念、課程設置、師資隊伍上都涌現出新的理論和好的實踐結果[4-9]。

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的新成果[10]，它是以現代工業產品從產品研發到產品運行的全生命周期為載體的一種教學理念[11]，CDIO教育模式就是基于項目的探究式學習方式，通過項目設計將知識點有機的系統的整合起來，使得所有需要學習的知識、需要培養的能力和需要具備的素質都圍繞團隊項目這個核心形成一個整體，學生在項目進行中經過構思、設計、實施、和運行的過程學習專業知識、養成主動學習的習慣、培養綜合創新能力、鍛煉團隊精神[12-13]。CDIO在世界各地多所大學進行了實施并取得良好的效果。

1 改革前課程現狀

在2012年本課程沒有建設開課之前本學院的實驗教學體系主要還是以課內實驗為主，課內實驗也是以驗證性實驗為主，盡管本學院一直在進行實驗教學的教學內容、教學方法、教學手段的改革，也對課內驗證性實驗進行了深入的改革，增加了綜合設計性實驗[14]，但是實驗教學無論在學時設置、教學安排上在一定程度上依然是依附于理論課教學之后，學生存在被動實驗，對實驗的興趣和積極性較低，學生的主動性和創造性無法達到培養。

鑒于以上的現狀本學院于2012年初在新版教學大綱下決定建設6門CDIO課程，這6門CDIO課程作為必修課程列入教學大綱，要求大四學生必須選修最少一門，學時56，學分為2。這樣全院學生都獲得了參與CDIO項目的機會，都進行了以知識的學習和能力的鍛煉相結合的培養過程[15]，使得全院學生大面積獲益。以下以“設備控制與故障診斷”課程為例詳細闡述本院課程改革的過程和內容。

2 課程前期建設情況

2.1 課程建設目標

課程建設伊始學院課程建設指導小組就把該課程的建設目標定為該課程要具有一流的師資隊伍、一流的教學環境、一流的教學資源最終獲得一流的教學成果[16]，為我院實施“寬口徑、強能力、高素質”的行業領軍人才培養目標提供有力支撐，為我校卓越計劃提供實質性的響應。

2.2 課程教學理念

課程負責人通過大量理論學習，實地考察汕頭大學CDIO教學經驗及參加CDIO工程教育年會等會議交流一致決定該課程以CDIO工程教育理念為課程的教學理念的基礎，課程的教學大綱及培養目標都參考CDIO的大綱和標準撰寫，采用基于“項目”的多層級漸進式教學方法[17]，突出學生在課程中的主導性，以提高學生自主學習意識，培養學生動手能力、創新能力及團隊合作能力等為課程的教學目標。

同時各課程建設過程中允許在CDIO教學理念的基礎上有一定的改進和創新，在《設備控制與故障診斷》課程建設過程中，就在CDIO教學理念下提出雙導師制CDIO教學理念[18-19]。雙導師制采用每個項目組配備學校-企業兩個導師進行項目的指導，加入企業導師后可以把企業的實際問題最直接的展示給項目組，學生選擇的項目具有最直觀的工程背景和工程意義，企業導師也可以把企業的工作思路、工作方法、工作流程傳授給學生，在一定程度上學生是在企業的環境下進行學習和工作，對于即將步入工作崗位的學生來說受益匪淺。同時學校的指導教師可以對學生提供解決問題所需理論知識的引導、項目進行的場地、實驗條件等，這樣就把學校的理論優勢和企業的實際問題結合起來，把學生的培養與解決企業具體問題形成了有機的統一，有望會產生良好的社會效益。

2.3 課程師資隊伍

按照學院”一流的師資隊伍”的指導思想，“設備控制與故障診斷”課程依托于我院在故障診斷領域的科研優勢，配置了故障診斷領域有卓越貢獻的3名年輕教授、1名年輕的副教授作為各個項目的校內指導教師，同時配置了3名骨干實驗技術人員協助校內指導教師進行項目的指導，3名骨干實驗技術人員全部為碩士研究生學歷，一名實驗技術人員還具有4年大型企業工作經歷。聘請陜鼓的優秀工程師作為本課程的企業導師，每個項目組安排1名理論指導教師、1名實驗技術人員及1名企業導師，這樣可以有力地保證項目的順利進行從而保證教學效果。

2.4 課程教學環境及教學資源

“設備控制與故障診斷”課程的教學場地在我院的機械基礎國家級實驗教學示范中心，中心專門為該課程提供了兩個測試與診斷專業實驗室及一個CDIO工作室，實驗室及工作室的開放時間為7×14，即1周7天，每天從早上8點到晚上10點全天候開放。實驗室有SQI綜合故障模擬實驗臺兩臺、行星齒輪箱實驗臺一臺、轉子實驗臺四臺、風機試驗臺兩臺及各種數據采集儀及開發板，學生可以根據自己的時間及項目要求隨時在實驗室進行實驗與學習，極大的提高了學生主動學習的積極性。

教學資源上除了示范中心提供的資源外，我校機械工程國家重點實驗室也向學生開放，如需使用大型設備可隨時在重點實驗室的預約系統上預約。各個任課教授自己的專業實驗室也向學生開放，例如本課程的項目組在重點實驗室的航空發動機軸承故障模擬實驗臺及高速主軸實驗臺上面都進行了大量的實驗。

教學經費上，在已經開設的兩年里學院每年為該課程專門劃撥2萬元課程建設經費，除了課程總體的一些建設經費，每個項目組的項目經費是800元；除了課程提供的項目經費，項目組也可以申請學校的本科生科研訓練創新基金，創新基金一般有4 000元，這些經費一般情況下足夠支持項目完成實物樣機。這2年本課程的項目獲得學校創新基金支持累計12組，占課程總項目數的50%。

2.5 課程教學規劃

“設備控制與故障診斷”課程總學時為56學時，兩個學分，前期理論引導8學時，項目實踐44學時，答辯4學時。理論引導主要是對基本理論知識、項目管理、文獻檢索的總體引導和介紹，項目實踐44學時為項目進行C(構思)—D(設計)—I(實施)—O(運行)的過程，答辯是項目組匯報成果及課程考核的環節。

項目以小組為單位，每組3～5人，每個項目自己選擇出組長，在整個項目進行過程中組長負責本項目的人員組織、分工、任務協調、進度監控和風險應對等措施，教師在整個項目中作為引導者和監督者的角色。

每個教授負責3個小組的指導，同時每個小組配置1個實驗技術人員及1名企業導師，實驗技術人員負責全程協助指導，企業導師來校講座或指導1或2次，企業導師帶領學生考察企業1次(4學時)，介紹企業現狀和亟待解決的瓶頸問題，幫助學生完成一個可行的項目選題，協助指導項目組的項目實施，企業導師參與最終的項目驗收答辯。

在項目設置上本課程有兩個模式，一個是任課教授根據自己的科研項目或者行業現狀設置一個難度適中、有階段性目標、可行性較高的具體項目，提供詳細的項目任務書，學生按照項目任務書的要求完成項目；另外一個就是學生可以根據自己去企業考察、了解行業需求或者根據自己的興趣自選一個題目，例如2014年本課程學生自選項目就有人體疲勞檢測系統的開發、基于Android平臺的瓜果品質識別APP的開發等生活氣息比較濃厚的項目。教師規定的項目風險可控、可行性高也符合課程教學目標，而學生自己選擇題目的項目，我們發現學生的積極性得到了極大的提高，有的項目完成的成果甚至超出教師的預期。所以為了達到課程培養目標及學生積極性的平衡本課程規定教師規定項目和學生自選項目比例為2∶1，即每個教授的三個組里有一組可以自選項目。

3 課程實施情況

課程具體實施分為C(構思)—D(設計)—I(實施)—O(運行)四個過程，每個過程按照CDIO的大綱和標準設置了詳細的流程和能力培養目標。每個項目小組在項目開始就要求每次課內實驗及課外討論溝通都要填寫項目工作記錄本，記錄本上要求詳細記錄每次出勤情況、具體議題、具體任務、任務負責人及任務完成時間，教師通過工作記錄本可以有效監控項目進度和風險。

3.1 構 思

構思階段，學生在企業導師和教師的帶領下去企業實地考察，對企業現狀及存在的主要問題進行了解。教師根據考察情況給學生提供項目任務書，任務書包括項目技術難點、項目目標、CDIO能力培養目標及項目實施條件等。要求學生根據項目目標對行業進行市場調研，提交市場調研及可行性報告，讓學生了解同類產品的優缺點、技術專利等情況，引導各個項目組思考幾個問題：你們組想要做什么？從你們的市場調研情況來看你們組做的東西是否有價值，是否比同類產品更有競爭力？大概的思路是什么？等，通過一步步引導學生讓每個項目組首先確定本項目的最終目標和具體任務。本階段安排8個課內學時，兩周課外時間。

3.2 設 計

在該階段要求每個項目組根據前期確定的具體項目目標和任務設計出總體框架圖和各個子系統框架圖并對關鍵探究點進行資料查閱和自學。在該階段引導學生具體的探究點：風機/電機都有那些主要類型的故障？故障類型怎么模擬？需要測量什么信號？用什么工具開發軟件系統？等。圖1為某小組診斷子系統框架圖。該階段課內學時為12學時，課外為3周時間，該階段結束后要求每個項目組提交項目技術方案可行性報告。

圖1 某小組診斷子系統框架圖

3.3 實 施

在該階段要求各組根據設計階段的流程一步一步的完成材料采購、硬件系統搭建、實驗數據的采集、實驗數據分析、軟件編程的開發、軟件系統的測試等項目具體任務，在項目實施過程中如果發現某組思考的問題和方向偏離目標或者想法不可行要及時給予學生引導。探究點要求各小組組內通過討論、查閱資料、實驗后給出答復。本階段安排20個課內學時，5周課外時間。圖2為某兩組學生在實施過程中的實驗掠影。

在本階段還需要把產品的概念引導給學生，簡單的說一個產品除了必要功能實現外還要從客戶的角度和產品競爭力的角度思考產品應該具有什么特點，圖3為某小組首版軟件和引導后二版軟件界面圖，從圖上可以看出2版軟件在界面美觀、可操作性、人機對話上更具有競爭力。

圖2 某兩組學生在實施過程中的實驗掠影

圖3 某小組首版軟件(上)和2版軟件(下)界面圖

3.4 運 行

運行階段是對整個項目實施成果的驗證，要求各組把項目的成果在實際工況下進行運行演示，保證項目各項指標和功能得到了預期目標，可以投入市場銷售。運行對象要求脫離實驗室，在實際工業對象上對產品進行運行驗證。從兩屆學生的項目成果最終運行結果上看，各組結果基本達到了預期項目目標。本階段課內8學時，課外2周時間。本階段結束到答辯之前要求每個項目組提交項目整體設計報告及產品設計說明書。

3.5 課程評價機制

本課程建立清晰詳細的評價體系，整個項目要求學生提交市場調研及可行性報告、技術方案可行報告、整體設計報告、設計說明書及工作記錄本，整個文檔體系提供了評價學生項目實施過程中詳細的立體化評價依據。

平時每個階段結束后會對每個小組及組員進行一次課內答辯，根據小組進度、階段性成果及每個組員的貢獻給出本階段的成績。最后課程結束會對整個課程所有小組組織最終答辯，答辯要求以小組為單位把整個項目從構思到運行的一系列工作及成果進行匯報，匯報形式以PPT加現場演示，匯報時間為10 min，評委提問5 min，評委組成包括本課程所有指導教師及企業導師，企業導師重點對項目成果的實用價值進行評價，根據PPT匯報情況及項目實施過程提交的報告為每個項目組給出最終答辯成績[20]。最后小組最終成績的構成為最終答辯成績占60%，平時成績占40%，平時成績主要參考工作記錄本及階段成績。該成績為該組所有成員的平均成績，而每個組員的成績由指導教師和組長根據組員平時表現、出勤率和貢獻度在小組平均成績的基礎上浮動。

4 課程建設成果

“設備控制與故障診斷”課程經過兩屆的開設實施，從整個過程及結果來看課程達到了預期的課程培養目標，對CDIO大綱和標準規定的一些能力的培養都涉及到了，圖4是學生答辯的一些資料摘錄，從這些資料上也可以看出學生通過本課程的培養基本具有了主動實驗能力、發現問題的能力、創造性思維、批判性思維及在企業和社會環境下進行學習的能力。

圖4 CDIO大綱與本課程結果對應圖

從學生的角度，經過兩屆課程實施結果上看，學生在答辯及報告上寫的感想中普遍表示本課程教學方法新穎，通過本課程的學習不光學到了專業知識，最重要的是在項目進行過程中通過和組員的合作在團隊協作方面得到了很大的鍛煉，隨著團隊不斷地解決遇到的難題，最終完成項目，在看到自己團隊的成果及自己對團隊的貢獻時，極大地增加了個人的自信心，感觸很深，受益匪淺。

另外本課程經過2年的實施也產生了一些優秀的成果，其中包括提交專利申請兩項，學生發表會議論文兩篇并參加國內大型學術會議，目前為止有學生參加2014年在秦皇島舉辦的全國設備檢測診斷與維護學術會議并在會議上做學術匯報，參加在2015年3月即將在武漢舉行的the International Research Conference on Systems Engineering and Management Science 2015 (IRC-SEMS2015)會議并發表英文會議論文。

5 結 語

在本課程實踐教學中實現了三個大的教學改革和教學目標：

(1) 課程整個采用CDIO的教學模式，以項目為載體讓學生在完成項目的過程中學習專業知識，了解行業最新發展情況，同時讓學生形成了主動學習的習慣、訓練了溝通能力、團隊合作能力，養成了良好的工程素養。

(2) 引入學校-企業雙導師的教學手段，企業導師在整個項目過程中起到了畫龍點睛的作用，他以企業的目光和要求對學生的項目目標給予準確定位，把學生完全放在一個員工的地位，去嚴格要求他們，讓學生提前體會了一個員工的心態和責任。

(3) 提出了一套全過程立體化的學生評價體系，課程沒有閉卷考試，只有最終的課程答辯，根據學生學習過程和最終結果的綜合評判來給出學生的成績，該成績更具有客觀性和科學性。

該教學模式最大的困難和問題在于企業導師和企業深度參與的意愿和積極性，本課程考慮除了給予企業導師一定的課時費外主要依靠學校及教師在該行業的影響力先讓企業參與進來然后依靠課程成果對企業有實質的幫助和借鑒來維持和提高企業參與課程教學的積極性。

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·名人名言·

我們有力的道德就是通過奮斗取得物質上的成功；這種道德既適用于國家，也適用于個人。

——羅素

Teaching Reform and Practice of Undergraduate Course Based on “Double Tutorial CDIO”

WANGBao-jian,LIBing,CHENXue-feng,ZIYan-yang,CAOHong-rui

(The National Demonstration Center of Mechanical Foundation Experimental Teaching,Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

In order to realize the target of cultivating industry leading talents of our school, guided by the framework of “Excellent Engineer Project”, using the CDIO engineering education concept and the teaching method of school-enterprise double tutorial system, the paper builds a course entitled “Equipment Control and Fault Diagnosis”. It describes in detail the course pre construction target, the construction concept and the teaching process. After two years practice, the result shows that this course has a novel curriculum organization, an advanced teaching philosophy, It achieves an outstanding teaching achievement, provides a successful example for the engineering education reform in colleges and universities of our country.

excellent engineer project； double tutorial mechanism； teaching reform

2015-03-19

2014年西安交通大學教師教學發展中心專項項目(1402Q-21)

王保建(1983-)，男，陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向為工程教學改革和航空發動機故障診斷研究。

Tel.：15349254352;E-mail：wangbaojian@mail.xjtu.edu.cn

N 45;G 642.0

A

1006-7167(2016)03-0196-05