基于CDIO機械本科課程教學改革探索與實踐

銀光球　張福江

摘要：CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。在研究CDIO工程教育模式本土化進程的基礎上，結合機械本科專業教學內容和特點，將CDIO工程教育理念與機械本科專業教學過程深度有機融合，提出了M-CDIO項目教學體系。隨后，詳細地闡述了M-CDIO項目教學體系的特征、實施過程以及M-CDIO項目教學體系在本校機械專業實施以來取得的可喜成效。

關鍵詞：M-CDIO項目教學體系；工程教育；CDIO；項目

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）29-0152-03

“大眾創業，萬眾創新”是現時代的鮮明主題，創業創新離不開扎實的工科基礎，高等工程教育則為創業創新提供理論基礎和人才儲備。CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。如何將這個工程教育界的最新成果引入國內，并本土化服務于我國的工程教育，國內學者做了大量的研究和工作。潘柏松等提出的S-CDIO培養模式，該教育模式是基于協同理論的CDIO工程教育模式，參與各方必須通力協作，在合作共贏的基礎上致力于學生工程知識和能力的培養。吳鳴等提出以工程能力培養為導向的CDIO培養模式，認為工程能力是工科畢業生最重要、最基本的素質之一，工程教育從內容組織、培養方式、實施過程都要著力于培養學生的工程能力，借以提高工科學生的就業適應面。以上的研究成果對CDIO工程教育模式的本土化起了很大的引領作用，加速了CDIO工程教育理念在我國的進程和發展，推動了我國工程教育的發展。但是，縱觀以上的研究成果，只就CDIO工程教育模式本土化過程提出相應的框架、課程體系、實施過程以及評價體系，鮮有將CDIO工程教育模式與具體專業知識、專業技能傳授過程有機結合的本土化CDIO培養模式，因此，在我國CDIO工程教育模式本土化進程中，有必要研究CDIO工程教育理念與具體專業教學內容的深度融合。筆者在深入研究CDIO工程教育模式的理念、內涵和實施過程后，將CDIO工程教育模式與機械本科專業的基本知識與基礎理論傳授過程深度融合，提出了機械工程領域的CDIO（Mechanical CDIO，簡稱M-CDIO）項目教學體系，并對M-CDIO項目教學體系的內涵、特征以及實施過程進行了詳細的闡述。

一、CDIO工程教育模式與機械本科專業教學的嵌合

1.CDIO工程教育模式。CDIO工程教育模式是由美國麻省理工學院和瑞典皇家理工學院等四所大學組成的工程教育改革團隊提出、并持續發展和倡導的全新工程教育理念。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、和運作（Operate），它是以工程能力培養為目標，將工科畢業生的能力分為工程理論知識、個人能力、人際交流與團隊協作能力和企業工程系統運作能力4個層面，涵蓋17種不同的主要能力，在執行操作層面細分為更具體的73種不同的技能。國外高等工科院校的實踐證明：實施CDIO工程教育模式的學校，這4個層面得到充分培養和訓練的工科學生，就業前景普遍看好，大都供職于大型的跨國公司。

2.機械工程本科專業的CDIO項目教學體系。以“厚基礎，強能力”為人才培養目標的應用型技術大學，更重視學生工程能力的培養。CDIO工程教育模式的實施必須與專業教學內容深度融合，賦予它新的內涵與特色，圖1（見下頁）表示了CDIO工程教育模式與機械本科專業的有效嵌合。

由圖1可知：機械領域產品開發的四個環節（模糊前端、設計階段、制造階段和產品銷售）與CDIO工程教育的四個階段（構思階段、設計階段、實施階段和運作階段）不謀而合。這樣，在機械本科專業的教學中，以CDIO工程教育模式為綱領，以機械產品研發到產品運行的生命周期為載體，以學生為中心，以工程能力培養為目標，以“項目”、“微項目”為手段，將機械領域的基本知識和基礎理論糅合在“項目”、“微項目”的方案原理構思，裝配圖、零件圖設計，零件制作實施和產品銷售、售后四個階段，賦予CDIO工程教育模式中構思、設計、實施和運作四個階段新的內涵，實現CDIO工程教育模式與機械領域教學的有機結合，形成了機械工程領域的CDIO（Mechanical CDIO，簡稱M-CDIO）項目教學體系，并具有以下特征。

1.良好的工程能力培養。在M-CDIO項目教學體系中，隨著糅合了機械領域的基本知識和基礎理論的“項目”、“微項目”實施，學生的工程理論知識、個人能力、人際交流與團隊協作能力和企業工程系統運作能力4個層面都得到了全面、系統、具體的訓練，培育滿足現代社會和現代工程需要的、具有較強工程能力的工程技能型人才，符合我國應用型高校的辦學定位和人才培養目標。

2.“情境式”、“體驗式”學習工程理論知識的環境。在M-CDIO項目教學體系中，學生組成學習小組，通過相互分工、協作完成“項目”、“微項目”的形式學習機械領域基本知識和基礎理論，改變了傳統以“記憶、考試、拿證”為目的的工程理論知識學習模式，為學生提供了在學中用，在用中學的情境，實現理論與實踐的有機聯系和良性互動，使知識從實踐中來，又回到實踐中去，符合哲學領域的認識實踐觀。

3.“學生中心，教師主導”的授課模式。在M-CDIO項目教學體系中，需以學生為中心，以“項目”、“微項目”為抓手，針對機械工程專業每門課程的特點，設置若干個糅合了課程的基礎知識和基本技能不同的“項目”、“微項目”。課程的學習，先通過教師授課，講解本課程的基本概念、知識點，然后讓學生完成這些“項目”、“微項目”來再現、鞏固課程知識，使一些抽象的概念具體化，使過去從實踐中抽象而獲得的知識、理論重新回到工程實踐中，指導實踐，學生在實踐中主動、積極地學習課程知識。

二、M-CDIO項目教學體系在機械工程本科專業的實施過程

機械系統一般由動力系統、傳動系統、執行和控制系統等子系統組成。機械類本科專業畢業生應該具備根據機械系統的功能，能夠獨立地完成機械系統構思、設計、制造和運作的基本能力，為社會、企業提供優質高效、物美價廉的機械產品。如果將機械系統功能、結構的完整呈現看作是一個大“項目”，則系統中的子系統功能、結構的呈現可以看作是一個“微項目”。M-CDIO項目教學體系的實施，關鍵在于對“項目”、“微項目”的具體落實和完成，大致要經過以下過程。

1.“項目”總體方案原理設計。根據機械系統的功能要求，確定機械系統的基本工作原理，進而獲得完成該功能的技術系統，確定總體的主要參數和結構布局設計，形成機械系統總體方案設計圖和結構布局圖，同時編寫總體設計報告及技術說明書，為“項目”的順利實施和完成奠定基礎。

2.“微項目”方案原理設計。根據圖的機械系統組成，設計實現各個子系統功能的方案原理，確定實現各個功能的具體機構，形成機構原理圖，編寫“微項目”方案設計報告及技術說明書。比如原動機采用電動機還是內燃機，傳動系統、執行系統采用什么樣的機構來實現，是集中驅動還是分散驅動等。“微項目”的功能原理與結構設計服務于“項目”的總體功能，受“項目”的總體結構布局約束。

3.“項目”、“微項目”的工程圖設計。根據前面二步形成的圖紙和設計報告，對“項目”、“微項目”進行詳細的技術設計和結構設計，最終得到“項目”、“微項目”的總裝配圖、子裝配圖和零件圖及設計技術說明書等資料。

4.“項目”、“微項目”制造工藝、工裝設計。根據現有的制造工藝水平和設計的技術要求，設計零件的制造工藝和裝配工藝以及相應的工裝夾具。形成“項目”、“微項目”完整的制造工藝過程，并編寫制造工藝規程及技術文件，比如繪制工序圖，制定工序卡，確定切削參數等。最終得到能完成預定功能的機械產品。

5.“項目”、“微項目”過程管理與運作。由于團隊的分工和協作，上述過程離不開“項目”、“微項目”的過程管理與運作。過程管理與運作可以使“項目”、“微項目”按順序、有步驟、有目的地齊頭并進，而不至于出現“短腿”現象，縮短“項目”、“微項目”進程。同時，過程管理與運作還與機械產品后期的營銷與售后服務等業務流程有關，也與學生個人的組織、溝通、交流與協作能力息息相關。

上述過程中，第一、二步為“項目”的方案設計階段，屬于M-CDIO項目教學體系中的C階段，即構思階段；第三步為“項目”的圖紙結構設計階段，屬于M-CDIO項目教學體系中的D階段，即設計階段；第四步為“項目”的生產制造階段，屬于M-CDIO項目教學體系中的I階段，即實施階段；第五步為“項目”的營銷與售后服務階段，屬于M-CDIO項目教學體系中的O階段，即運作階段。在M-CDIO項目教學體系中，隨著糅合了機械專業基礎知識和基本技能的一系列“項目”、“微項目”的實施和完成，學生不僅在工程理論知識、個人能力、人際交流與團隊協作能力和企業工程系統運作能力4個層面都得到了全面、系統、具體的訓練，而且熟悉了“項目”、“微項目”的操作流程，模擬企業項目的運作過程，使學生畢業后能更好的了解和融入企業，尋找到理想的工作。

三、機械本科專業實施M-CDIO項目教學體系的成效

自我校成為全國首批試點學校以來，機械學院在教學上始終堅持CDIO工程教育模式，經過七八年的摸索和實踐，形成了自己特色的M-CDIO項目教學體系，具體體現在學生補考率、參加學科競賽和學生就業率等硬指標上。機械專業自從實施了M-CDIO項目教學體系，專業基礎課比如理論力學、材料力學、機械原理、機械設計等都是學生補考率很高的科目，近4年來學生補考率逐年下降，學生組隊參加學科競賽獲獎數逐年增加，獲獎質量也得到改善，2012年國家級獲獎為0，2013年獲得0的突破，到2015年獲得國家級獎項7項，省級獲獎也在逐年增加，2015年達到52項，歷年最高；機械工程本科專業畢業生的平均就業率不僅從2012年的86.6%上升到2015年的95.69%，提高了近10個百分點，成效相當可觀。

四、總結

CDIO工程教育模式是國際工程教育改革的最新成果，也是我國高等工程教育改革的方向。M-CDIO項目教學體系是以CDIO工程教育模式為綱領，以機械產品研發到產品運行的生命周期為載體，以學生為中心，以工程能力培養為目標，以“項目”、“微項目”為手段，將機械領域的基本知識和基礎理論糅合在“項目”、“微項目”的方案原理構思，裝配圖、零件圖設計，零件制作實施和產品銷售、售后四個階段，賦予CDIO工程教育模式中構思、設計、實施和運作四個階段新的內涵，實現CDIO工程教育模式與機械領域教學的有機結合。M-CDIO項目教學體系不僅系統地解決了學生重知識學習，而輕知識運用的問題，而且學生通過做“項目”、“微項目”對知識認識深化，進而固化為學生的能力，符合應用型本科高校“厚基礎，強能力”的人才培養目標。因此，M-CDIO項目教學體系的實施和應用為我國高等工程教育的改革提供了借鑒與參考的案例。

參考文獻：

[1]朱高峰.中國工程教育的現狀與展望[J].清華大學教育研究，Vol.36，No.1，2015.（2）：13-20.

[2]潘柏松，胡玨，秦寶榮.基于協同理論的CDIO工程教育模式探索[J].中國大學教育，2012，（05）：35-38.

[3]吳鳴，熊光晶.以工程能力培養為導向的工程教育改革研究[J].理工高教研究，Vol.29，No.3，2010，（6）：54-59.

Abstract：CDIO engineering education model is the latest achievement of international engineering education reform.Based on the studying for localization process of CDIO engineering education model，combined with the content and characteristics of mechanical undergraduate teaching，the M-CDIO project teaching system is put forward through the deeply organic integration of CDIO engineering teaching idea and mechanical undergraduate education.Subsequently，the characteristics and implementation process of the M-CDIO project teaching system and the encouraging results achieved after the implementation of the M-CDIO project teaching system in our school are described in detail.

Key words：M-CDIO project teaching system；engineering education；CDIO；project