新CDIO理論在《機械原理》課程教學中的應用

宋娓娓　施云貴　劉勝榮　汪洪峰　高琴

摘要：本文選用《機械原理》這門課程，從傳統的教學方法、CDIO教學方法分析教學過程中存在的弊端和不足，進而創新性的引用新的CDIO教學模式，有效解決了目前學生不能很好掌握《機械原理》知識的不足，提升了學生的理解能力，促進了學生積極、靈活的應用《機械原理》的相關知識，并由此提出了能夠在實踐、理論的不斷切換中教授《機械原理》知識，更加有效的發揮學生的想象力和創造力，進而實現應用型本科學生掌握這一門課程知識的最佳方法。

關鍵詞：新CDIO;《機械原理》;教學模式;應用型本科學生;創新能力

中圖分類號：G642.0???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1674-9324（2019）13-0201-03

美國麻省理工學院、瑞典皇家工學院等四所大學在全球經濟一體化大背景下，經過四年理論分析和科學實踐獲得了CDIO（Conceive（構思）—Design（設計）—Implement（實現）—Operate（運作））教學理論[1，2]。其主要培養學生的理論基本素質、個人能力基本素質、協調發展基本素質和實踐操作工程基本素質。單純的從CDIO基本描述來看，其能夠帶領學生掌握應有的基本能力，同時也提高學生的操作動手能力，有利于學生未來的就業。但從CDIO起源地來看，就知道歐美國家的CDIO教學模式很難在中國實現教學，因為它受到企業、高校、政府以及其他方面的多重因素制約，造成單純的CDIO教學模式在中國不易實現。為了引進CDIO的新的教學模式，又結合我國的實際國情，應對CDIO教學模式提出了適合中國國情的新CDIO教學模式，即在構思之前加上結構整體認識，讓學生從基本的實物分解出各種運動，然后在通過運動感官認識實現構思，這是第一步，也是最重要的一步;在構思之后再進行設計，而設計過程中就應該教授學生基本原理，原理的正確把握才能實現設計的基本功能;從設計到實現又是一個飛躍，僅有設計圖未必能夠精準的制造出想要的設備或零件，因此，需要增加制造工藝知識，讓學生從設計到制造能夠精準對接;最后是運作過程，也就是產品的成型及調試過程，這是一個復雜的過程，其涉及很多的不確定因素，需要在解決的過程中一一排查，這之間需要增加裝配與維修知識。基于上述的分析，本文提出新的CDIO教學模式即是實物展示—構思—基本原理—設計—加工工藝—實現（制造）—運作（裝配調試）。下面，依據新的CDIO教學模式對《機械原理》課程教學進行新的闡述和理解。

一、傳統的《機械原理》教學模式

為了有效的闡述新的CDIO教學模式在《機械原理》課程教學過程中發揮的作用更大，必須先對傳統的《機械原理》課程教學模式進行分析掌握。傳統的《機械原理》課程教學模式過于教條和死板，基本上按照章節先是自由度、然后是齒輪設計、凸輪設計和行星齒輪設計等，涉及的內容理論性較強，一些剛接觸機械的學生很難掌握，只能機械的記憶和理解，在這種背景下經常造成學生理解錯誤、甚至偏離[3-5];近年來，隨著多媒體技術的應用，一些教師對《機械原理》課程教學方法有所改進，增加了一些機械運動動畫等，讓學生能夠基本掌握《機械原理》這門課是干什么的，但在后期的實踐和工作中，大家卻往往忘記它或忽視它了，這是造成今天的大學生為什么很少有創造力的原因[6-8]。

《機械原理》課程雖然是一門原理性的課程，但其應用性強，因此，單純的割裂原理和應用很難實現學生對知識的掌握應用，也就造成了學生認為原理知識可要可不要的現象，這其實是一種可怕的想法，也不利于機械專業學生掌握應有的知識。

在傳統的教學模式中，《機械原理》課程教學讓學生記憶的知識較少，實踐性較差，基本沒有任何創造思維和想法，從學生的角度來講，會認為這門課程的存在必要性較小，未來工作中應用的也較少。

二、CDIO《機械原理》課程教學模式分析

在CDIO教學《機械原理》課程中，很多學者一味地追求增加設計題目的多樣化來培養學生的創新思維能力。這種思維模式從表面上看很有道理，多增加題目提高學生的認識度，讓他們接觸不同的題型，設計不同的實物，可以鍛煉他們的動手能力。但這并沒有改變學生的自我認識、意識和自主能動性，因為學生在教學過程中沒有具體概念、具體實物的教學分析，無法體現功能的重要性，所以，即使他們設計出了所需的產品也沒有多少自己的東西，更談不上有設計的靈魂了，他們只是簡單的模仿。隨著現代化技術的發展，特別是三維設計軟件的快速發展，不少學者認為能讓學生應用不同的設計軟件設計出所需要的產品就是一種設計、就是一種創新。這是嚴重的違背了設計的初衷，違背了設計者的創作始源。三維軟件的出現，只是節約了大家設計的時間，提高了設計效率，同時也展示出設計的最佳效果。而設計本身與三維軟件無關。單純的應用設計軟件也不可能促進學生創新能力的提高和設計能力的提高。

在CDIO教學中，還有人提出通過整體結構設計的培訓，可以促進學生的設計能力的提高，進而促進整體協調能力的提高。實質上這種想法也是很片面的，任何事物的發展都是有規律的，不論是單個零件的設計還是整體設備的設計，最主要的是要保證設計原理的正確性以及后續加工工藝的正確性，這樣才能保證設計產品的合格性和使用性。僅強調整體設計，忽視設計原理也是無法實現創新的。從簡單的設計到復雜的整體設計，充分應用原理和集體智慧是能夠很好的解決一些應用問題的，但前期必須是基于原理設計基礎和整體協調、合作過程的有機結合，只有這樣，才能在一定程度上發揮CDIO教學的作用。CDIO教學注重團隊合作是十分必要的，但現階段所提到的合作僅為成立一個興趣小組或者是設計小組，共同完成一個產品的設計，鍛煉學生的團結合作精神。如果小組的學生知識掌握較為牢固，這種組合也許能發揮一定的作用，可實際過程中學生是邊學習邊設計鍛煉，根本無法自由組合完成設計任務，即便能實現設計，設計的產品也不是客戶需要的，因為，組合小組里面根本沒有掌握產品設計過程和制造過程的知識統領者，所以，師徒制的創造設計也許更適合現有學生的設計學習鍛煉。還有一些學者已在強調《機械原理》教學過程中要注重實踐，這也與CDIO教學模式相一致。實踐教學固然重要，但是，沒有正確、有效的掌握理論知識，怎樣才能實現設計創新和制造創新，這本身就是一對矛盾體。在這里，理論和實踐的教學應該是“黃金分割”點才能保證理論、設計與制造的統一。

三、新CDIO《機械原理》教學模式的分析

為了更好的提升學生的學習能動性，促進學生很好的掌握《機械原理》相關知識并能夠靈活應用，在原有CDIO教學模式的基礎上進行新的CDIO模式探索，具體體現在以下幾個方面。

（一）增強實物認識和動手能力

學生在學習《機械原理》知識之前，最佳的方式是相關制造企業短期實習半個月或一個月，這也是本課程學習的一部分，通過在制造企業的實習過程，讓學生掌握什么是設備，設備是干什么的，它由哪些東西構成，每樣東西又是什么樣的，怎樣組裝它們才能成為設備，才能解決某一問題。通過這樣一系列的問題思索，學生就知道機械原理是解決實際生活中能夠代替部分人力達到省力的設備或實現部分人力無法直接操作的設備的基本原理。這樣，學生的思維能力、想象能力以及創新初步概念就會慢慢形成。同時，在制造企業實習階段，授課教師要經常引導學生思考動手拆卸、組裝的設備或零部件的功能能不能用在其他方面上去解決某一個實際問題。授課教師的不斷引導、不斷提問，學生的思維就會緊跟授課教師，就會發揮自己的能動思維，從而提高自己的主觀能動意識，進而形成了一定的創新思考行為，這也是學好《機械原理》這門課程的關鍵步驟，有利于學生日后的掌握及應用。它是新CDIO教學模式的開篇功效。

（二）產品構思的發展及完善過程

有了前面的實物認識及自己親手拆卸、組裝等過程的培訓，再加上授課教師不斷的提問和自己的思考，這種產品構思的思維很快就能實現。但是，光有前面的動手、思考還是不能夠完全實現產品的構思，前期的構思僅為初步設想，必須有機結合所要構思產品的用途以及現代人的欣賞能力等各個方面，才能實現這一構思行為。構思不僅是簡單的想象，還要結合藝術、三維軟件等一系列的綜合體，才能將一個模糊的、未清楚的概念設計成有形的、能看見的、好使用的、完美的產品。這一過程的培養需要第一階段的實習，還需要平時多看、多練、多思考，慢慢形成這一過程。培養產品構思思維最快、最有效的途徑就是由此物聯想它物，要站在此物的基礎上看更遠的它物。

（三）產品的設計與制造過程

《機械原理》講述的知識點很多，原理應用也很多，但實際設計和制造過程中還是要遵循一定的規律，不能夠要求設計制造要將所有原理應用一遍。因此，在產品設計過程中必須先應用簡單的原理實現現有功能，在簡單原理無法實現這一功能時考慮是否應用較為復雜的原理實現這一功能，再不行就考慮應用多原理有機結合實現這一復雜功能。總之，設計的思維就是要從簡單到復雜，在授課過程中也要培養學生的思維方式和準則。另外，在產品設計過程中還應考慮產品的制造過程，有些原理雖然簡單，但涉及實現原理的零部件具有復雜性和難加工性也是不可取的，依然需要棄用這一原理，采用其他原理或組合原理實現這一功能。《機械原理》課程內容從表面看僅為理論分析，與實踐相差較遠，實質上，這一原理知識是從長期的實踐中提煉而成的，其過程是復雜、漫長的，其理解、應用需要大量的實踐經驗基礎才能滿足。因此，設計與制造是有機結合體，不能夠割裂雙方，否則無法實現最終產品需求功能。

（四）《機械原理》知識點應用操作

掌握了《機械原理》知識點的設計和制造過程，如何自如的應用這一知識點，光靠簡單的課程設計和簡單的產品加工那是很難實現的。鑒于這種情況，要求授課教師拓寬學生的學習知識面，由授課教師帶領學生參與自己課題中的產品設計或引導學生參與企業相關產品的設計，并通過企業的加工設備最終加工出產品，實現相應的功能，同時，要求學生還應結合自己的知識和水平，發散思維，拓展自己的空間想象能力，將現有的知識點串聯起來進行多方位、多角度的混合組合、實現更多的功能。這有利于促進學生創新能力的提高，進而將《機械原理》知識掌握的更加扎實、能準確的靈活使用。

四、結語

傳統的CDIO教學模式應用在《機械原理》課程教學過程中，能夠提高學生的設計、制造以及應用能力，但是，學生掌握這一知識的程度較低，因為，學生很難認識和真正意義上了解這一原理及其用途，不能通過書本的理解和后期的實踐想象結合，就不能很好的將知識與實踐有機結合，提升學生更多的想象和理解能力。新的CDIO教學模式就是在傳統的CDIO教學模式前面增加了一個實習教學過程，先讓學生掌握實物，并通過動手讓學生了解那些機構、零件是干什么的，這樣的組合可以實現哪些功能？為什么？帶著這些問題，后面的課程學習就能夠用心聽，就能夠自己解決這些疑惑。從實踐到理論學習，再到實踐，再到理論，再到實踐的多角度變化，可以將復雜的原理知識簡單化理解，學生在動手中掌握、在動手中應用，這就是新CDIO教學模式的目的。

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The Application of the New CDIO Theory in the Teaching of "Mechanical Principles"

SONG Wei-wei，SHI Yun-gui，LIU Sheng-rong，WANG Hong-feng，GAO Qin

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Huangshan University，Huangshan，Anhui 245041，China）

Abstract：This paper uses the course of "Mechanical Principle" to analyze the shortcomings and shortcomings in the teaching process from the traditional teaching methods and CDIO teaching methods，and then innovatively cites the new CDIO teaching mode，which can effectively solve the students' lack of knowledge of the mechanical principle and improve the students' understanding ability.To promote the students to actively and flexibly apply the knowledge of "Mechanical Principles"，and to put forward the knowledge of "Mechanical Principles" in practice and theory，and to give full play to students' imagination and creativity，and to realize the best way for the students to master this course knowledge.

Key words：new CDIO;"Mechanical Principle";teaching mode;applied undergraduate students;innovative ability