基于職業(yè)特征和CDIO的機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位研究生案例庫教學(xué)與實(shí)踐

王家忠　弋景剛　王澤河

摘? 要：針對(duì)機(jī)械工程全日制專業(yè)學(xué)位碩士研究生的職業(yè)特征和培養(yǎng)要求，將CDIO的教學(xué)理念引入教學(xué)實(shí)踐中，以案例形式呈現(xiàn)。分析教學(xué)案例庫建設(shè)的意義、對(duì)策，并進(jìn)行案例庫建設(shè)實(shí)踐。案例素材源于科研項(xiàng)目和工程實(shí)踐，具有實(shí)用性、先進(jìn)性和科學(xué)性。結(jié)合自動(dòng)化智能化制造單元與系統(tǒng)課程教學(xué)案例給出案例要素設(shè)計(jì)示例。實(shí)踐表明，案例庫教學(xué)能夠在理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐訓(xùn)練之間架起溝通的橋梁，縮短從理論到實(shí)踐的距離，達(dá)到理想的教學(xué)效果。該案例庫的建設(shè)對(duì)專業(yè)學(xué)位研究生其他課程有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：案例庫建設(shè);專業(yè)學(xué)位研究生;CDIO;自動(dòng)化智能化制造單元與系統(tǒng);案例教學(xué)

中圖分類號(hào)：G643 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2022）11-0001-05

Abstract： In view of the professional characteristics and training requirements of full-time master degree students in mechanical engineering， the CDIO teaching concept is introduced into teaching practice and presented in the form of cases. The significance and countermeasures of the construction of graduate teaching case database is analyzed， and the practice of case database construction is carried out. The case material is derived from scientific research projects and engineering practice， and is scientific， advanced and practical. Combined with the teaching case of the "automatic intelligent manufacturing unit and system case library" course， the example of case element design is given， and the case library teaching is practiced. The teaching practice shows that case base teaching can build a bridge between theory learning and practice training， shorten the distance from theory to practice， and achieve a better teaching effect. The construction of the case base can be used for reference for other courses of professional degree graduate students.

Keywords： case base construction; professional master's degree programs; CDIO; automated intelligent manufacturing unit and system; case-based teaching

專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)目標(biāo)是以專業(yè)實(shí)踐為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)學(xué)術(shù)性與實(shí)踐性、應(yīng)用性的有機(jī)結(jié)合，注重其職業(yè)素養(yǎng)和社會(huì)適應(yīng)性，造就高層次應(yīng)用型專門人才[1-3]。培養(yǎng)研究生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、提出問題及思考問題，并學(xué)會(huì)主動(dòng)動(dòng)手解決問題的能力，是專業(yè)學(xué)位研究生教育中的重要課題[4]。國(guó)外大學(xué)對(duì)專業(yè)學(xué)位人才培養(yǎng)進(jìn)行了卓有成效的探索，案例教學(xué)是美、英等國(guó)研究生培養(yǎng)中運(yùn)用最廣泛的教學(xué)形式，尤其以商學(xué)院與管理類專業(yè)學(xué)位研究生發(fā)展最為成熟[5]。

為了盡快培養(yǎng)高層次應(yīng)用型專門人才，國(guó)家對(duì)專業(yè)學(xué)位教育非常重視。2013年，教育部等三部委明確提出，專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)“以職業(yè)需求為導(dǎo)向，以實(shí)踐能力培養(yǎng)為重點(diǎn)”[4]。2015年，教育部在借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出：加強(qiáng)案例教學(xué)，是強(qiáng)化專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐能力培養(yǎng)，推進(jìn)教學(xué)改革，促進(jìn)教學(xué)與實(shí)踐有機(jī)融合的重要途徑，是推動(dòng)專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式改革的重要手段[6]。我國(guó)的案例教學(xué)在管理類專業(yè)應(yīng)用較早，但在理工專業(yè)中難度較大。本文對(duì)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)進(jìn)行探索與實(shí)踐，期望對(duì)其他課程的案例庫建設(shè)有一定的借鑒意義。

一、機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位案例庫建設(shè)的意義

（一）機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)目標(biāo)及要求

機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位研究生主要面向機(jī)械工程行業(yè)及相關(guān)工程部門培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、素質(zhì)全面、工程實(shí)踐能力強(qiáng)并具有一定創(chuàng)新能力的應(yīng)用型、復(fù)合型高層次工程技術(shù)和工程管理人才，培養(yǎng)獲取知識(shí)能力、應(yīng)用知識(shí)解決工程問題的能力和組織協(xié)調(diào)能力。專業(yè)學(xué)位具有相對(duì)獨(dú)立的教育模式，具有特定的職業(yè)指向性，是職業(yè)性與學(xué)術(shù)性的高度統(tǒng)一。專業(yè)學(xué)位教育以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力為核心，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性與應(yīng)用性[3]。

（二）高級(jí)工程技術(shù)人員的工作職責(zé)和能力要求

經(jīng)調(diào)研，企業(yè)對(duì)高級(jí)工程技術(shù)人員的工作職責(zé)和能力要求如下[7]：

1. 根據(jù)項(xiàng)目要求完成設(shè)備結(jié)構(gòu)、機(jī)械部件的設(shè)計(jì)及方案的制訂，繪制工程圖及編制BOM;

2. 估算設(shè)備的設(shè)計(jì)成本和制造成本;

3. 對(duì)設(shè)備裝配圖樣、零件圖樣進(jìn)行繪制，參與產(chǎn)品加工過程中的質(zhì)量跟蹤;

4. 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)、協(xié)調(diào)與溝通;

5. 負(fù)責(zé)非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備的規(guī)劃，并指導(dǎo)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員設(shè)計(jì)。

由此可見，現(xiàn)代企業(yè)對(duì)高級(jí)工程技術(shù)人員的能力要求包括核心能力和非技術(shù)特質(zhì)兩個(gè)方面[7]，如圖1所示。

核心能力包括機(jī)械加工工藝、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和項(xiàng)目管理三個(gè)方面。其中，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能力需要基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備。大型項(xiàng)目經(jīng)常采用并行設(shè)計(jì)的方法，需要項(xiàng)目組之間的溝通與協(xié)調(diào)，項(xiàng)目管理能力在現(xiàn)代的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)中更加重要;非技術(shù)性特質(zhì)包括團(tuán)隊(duì)精神、經(jīng)驗(yàn)積累、責(zé)任心和抗壓能力等，在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天顯得非常重要。

（三）當(dāng)前專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)中存在的問題

目前，我國(guó)專業(yè)學(xué)位研究生在人才培養(yǎng)方案、教師隊(duì)伍、工程理念、教材建設(shè)和評(píng)價(jià)體系等方面還不健全、不完善，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[8-10]：

1. 與學(xué)術(shù)性培養(yǎng)的同質(zhì)化嚴(yán)重

多數(shù)研究型高校常常按照學(xué)術(shù)型研究生的培養(yǎng)方式來培養(yǎng)專業(yè)學(xué)位人才，存在課程安排與學(xué)術(shù)型學(xué)位研究生雷同等現(xiàn)象，有的學(xué)校培養(yǎng)方案趨同率達(dá)96%。職業(yè)性的缺失導(dǎo)致專業(yè)學(xué)位學(xué)術(shù)化、應(yīng)用型實(shí)踐性的缺失導(dǎo)致人才培養(yǎng)模式同質(zhì)化，普遍存在專業(yè)實(shí)踐時(shí)長(zhǎng)不足問題，忽略專業(yè)學(xué)位研究生的專業(yè)特點(diǎn)和實(shí)踐性。

2. 工程理念淡化或缺失

一名合格的機(jī)械設(shè)計(jì)師需要經(jīng)過模仿、改造和創(chuàng)造的成長(zhǎng)過程，需要按照工程教育理念和產(chǎn)品開發(fā)流程組織教學(xué)，在教學(xué)過程中需要營(yíng)造一個(gè)適當(dāng)?shù)墓ぷ鳝h(huán)境，但傳統(tǒng)的教學(xué)模式淡化或缺失了工程理念。

3. 評(píng)價(jià)體系不健全

目前，對(duì)研究生教育的評(píng)價(jià)存在“重知識(shí)、輕能力;重工具講授、輕責(zé)任培養(yǎng)”的局限，缺少“環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展”“個(gè)人與團(tuán)隊(duì)工作”“項(xiàng)目管理與財(cái)務(wù)”等能力的培養(yǎng)。這些和圖1中企業(yè)對(duì)高級(jí)工程技術(shù)人員的能力要求是不匹配的。

4. 學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力差

由于沿用傳統(tǒng)的教學(xué)模式和方法，發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題的能力沒有得到充分鍛煉，學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力差。低年級(jí)研究生借助文獻(xiàn)和工具提出解決方案以及將專業(yè)知識(shí)活學(xué)活用方面明顯不足。

針對(duì)以上問題，如何在有限的時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)機(jī)械工程專業(yè)研究生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、簡(jiǎn)化問題并最終解決問題的能力，是擺在我們面前的迫切任務(wù)。迫切需要采用工程教育理念“以職業(yè)需求為導(dǎo)向;以實(shí)踐能力培養(yǎng)為重點(diǎn);以產(chǎn)學(xué)結(jié)合為途徑”。采用案例分析、現(xiàn)場(chǎng)研究和模擬訓(xùn)練等方法，使其在發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的實(shí)踐探索過程中，理解知識(shí)、激活知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)。同時(shí)培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、表達(dá)能力、領(lǐng)導(dǎo)能力以及動(dòng)手能力。

二、基于CDIO理念的案例庫教學(xué)是解決問題的有效手段

CDIO（Conceive構(gòu)思、Design設(shè)計(jì)、Implement實(shí)現(xiàn)和Operate運(yùn)行，簡(jiǎn)稱CDIO）是一種高等工程教育模式，由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)從2000年起探索研究創(chuàng)立的，并成立了以CDIO命名的國(guó)際合作組織。CDIO采用以學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的教育理念，以產(chǎn)品或工程項(xiàng)目的全生命周期為背景環(huán)境開展工程教育。它以全過程為載體培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，包括個(gè)人的工程科學(xué)和技術(shù)知識(shí)，學(xué)生的終生學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)交流能力和大系統(tǒng)調(diào)控等方面的能力[11]。CDIO的模式、過程鏈、價(jià)值鏈及產(chǎn)品研發(fā)流程，見表1。

CDIO強(qiáng)調(diào)主動(dòng)學(xué)習(xí)，采用合作和小組討論、演示、辯論、概念提問、學(xué)習(xí)反饋，模仿工程實(shí)踐進(jìn)行，包括4個(gè)層面，分別為復(fù)雜的工程系統(tǒng)（level 1：技術(shù)）、有成熟思維的個(gè)體（level 2：個(gè)人）、基于工程環(huán)境的現(xiàn)代團(tuán)隊(duì)（level 3：團(tuán)隊(duì)交流）和構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)作（level 4：CDIO）。將社會(huì)對(duì)工程人才的具體要求與工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造和基本原理相結(jié)合，為工程教育制訂出一套合理的、較完整的、通用的及可操作的教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)方法，教學(xué)路徑和教學(xué)背景環(huán)境，使之適合工程教育領(lǐng)域。

案例教學(xué)是CDIO的一種教學(xué)模式，在專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)中發(fā)揮橋梁作用。尤其在理論與實(shí)踐之間起著橋梁、紐帶、媒介和過渡作用，它可以縮短課堂與社會(huì)、理論與實(shí)踐之間的距離，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化成動(dòng)手實(shí)踐能力，提升專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)質(zhì)量。

三、案例庫建設(shè)方法與步驟

近年來，我國(guó)專業(yè)學(xué)位研究生招生數(shù)量逐年增加，國(guó)家非常重視研究生的培養(yǎng)質(zhì)量和案例庫建設(shè)。但查詢中國(guó)學(xué)位與研究生教育信息網(wǎng)的中國(guó)專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例中心發(fā)現(xiàn)，目前較成熟的案例庫在財(cái)會(huì)管理類專業(yè)居多，工程類課程極少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高級(jí)工程技術(shù)人員培養(yǎng)的需要。本文以機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位研究生的自動(dòng)化智能化制造單元與系統(tǒng)的案例庫建設(shè)為例，介紹案例庫的建設(shè)過程。自動(dòng)化智能化制造單元與系統(tǒng)課程案例庫的建設(shè)流程包括案例庫建設(shè)規(guī)劃、案例庫設(shè)計(jì)、案例庫制作和案例庫維護(hù)幾個(gè)步驟[12]。

（一）案例庫建設(shè)規(guī)劃

案例庫建設(shè)總體思路為：按照CDIO工程教育理念，結(jié)合動(dòng)化智能化制造單元與系統(tǒng)課程大綱和專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)目標(biāo)，制定本課程的教學(xué)案例庫建設(shè)方案。依托行業(yè)背景，保證案例庫工程真實(shí)性、科學(xué)性和實(shí)用性，對(duì)真實(shí)案例高度概括、精簡(jiǎn)、升華。在案例庫設(shè)計(jì)過程中將環(huán)保理念、標(biāo)準(zhǔn)意識(shí)等工程倫理意識(shí)融入到案例中。每個(gè)案例庫包括“工藝分析-功能模塊-整體布局-生產(chǎn)效率約束-各模塊的工作節(jié)拍-機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)-工作性能-持續(xù)改進(jìn)”步驟。

（二）案例庫設(shè)計(jì)

素材收集和整理工作量很大，需要長(zhǎng)期的工作積累，這也是工程專業(yè)案例庫建設(shè)難度大的主要原因。本課程案例庫的素材來自實(shí)驗(yàn)室多年科研成果的積累，以及本科生機(jī)電一體化課程群的教學(xué)和研究生教學(xué)多年教學(xué)實(shí)踐。按照模塊化設(shè)計(jì)，模塊之間可組可拆，方便使用。按照模塊將案例庫分為：數(shù)控機(jī)床類、機(jī)器人類、自動(dòng)化生產(chǎn)線類和產(chǎn)學(xué)研類等。

（三）案例庫制作

案例庫的制作包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、初步制作和試用修改等環(huán)節(jié)。教學(xué)案例庫中每個(gè)案例都是相對(duì)完整的事件，案例與案例之間、案例與教學(xué)內(nèi)容之間相互關(guān)聯(lián)，使案例教學(xué)具有系統(tǒng)性。一般包括：案例標(biāo)題，教學(xué)目的與用途，案例背景，主題內(nèi)容，結(jié)尾，相關(guān)附件，啟發(fā)思考題，分析思路，理論依據(jù)分析，關(guān)鍵要點(diǎn)和教學(xué)建議等要素。

（四）案例庫維護(hù)

案例庫維護(hù)包括案例優(yōu)化、案例管理和案例更新等，根據(jù)上課時(shí)反饋的具體情況，對(duì)案例庫及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化和修改，保證課程的持續(xù)改進(jìn)與案例庫的科學(xué)性、先進(jìn)性和實(shí)用性。

四、案例庫建設(shè)實(shí)踐

本文以扇貝前處理自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)模塊為例，介紹案例庫建設(shè)實(shí)踐過程。在講授具體案例之前應(yīng)該讓研究生了解和掌握案例的研究和開發(fā)背景以及在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中的作用，找到制約產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的瓶頸問題，即發(fā)現(xiàn)問題。水產(chǎn)品加工最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、智能化以及成套化技術(shù)體系，以扇貝加工前處理成套技術(shù)為例，扇貝加工包括原材料前處理和后處理，前處理非常重要，為后處理提供新鮮的原材料。前處理包括扇貝清洗、分級(jí)、剝殼、內(nèi)臟分離和裙邊分離等工序;后處理包括成品的冷凍、干燥、殺菌和活性組分提取等環(huán)節(jié)。扇貝前處理自動(dòng)化生產(chǎn)線的案例內(nèi)容描述見表2。

五、案例教學(xué)實(shí)踐及思考

自動(dòng)化智能化制造單元與系統(tǒng)課程非常適合采用CDIO模式進(jìn)行教學(xué)。為了解決在有限的時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)研究生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、簡(jiǎn)化問題并最終解決問題的能力，完成由學(xué)生明白 “怎么做”到“會(huì)做”的轉(zhuǎn)變。采用基于CDIO的案例教學(xué)模式，通過項(xiàng)目鍛煉學(xué)生解決較復(fù)雜工程問題的能力。案例庫素材來自于產(chǎn)學(xué)研的真實(shí)案例、本科生和研究生的教學(xué)實(shí)踐。從案例庫的組織、選題、實(shí)施過程、考核方式和評(píng)價(jià)體現(xiàn)等環(huán)節(jié)做了大量細(xì)致的工作，案例結(jié)構(gòu)完整，整理成報(bào)告、動(dòng)畫和視頻的形式，結(jié)合教材和PPT 課件、樣機(jī)和三維數(shù)字化模型，豐富了教學(xué)內(nèi)容和教材內(nèi)容。

本課程的教學(xué)方法采用線上線下混合式教學(xué)模式，分組學(xué)習(xí)和討論，一般3人一組。線上發(fā)布預(yù)習(xí)和作業(yè)信息，提前布置學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)研究生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，查閱文獻(xiàn)資料;線下以項(xiàng)目為線索，采用講授、演示、討論、學(xué)生匯報(bào)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)以及觀摩樣機(jī)等形式，指導(dǎo)每個(gè)研究生通過案例進(jìn)行深入思考和分析，提出自己的觀點(diǎn)。經(jīng)過3輪的教學(xué)實(shí)踐，效果明顯，主要表現(xiàn)在：

1. 通過基于CDIO的案例庫教學(xué)，完成了課堂中師生角色的轉(zhuǎn)變，教師由過去的講授變?yōu)椤皩?dǎo)學(xué)”，學(xué)生由過去的“聽課”變?yōu)椤爸鹘恰保钴S了課堂氣氛。

2. 案例庫中的案例采用模塊式結(jié)構(gòu)，可組可拆，可以針對(duì)不同基礎(chǔ)的學(xué)生任意裁剪，方便便捷，便于案例庫的優(yōu)化和維護(hù)。

3. 案例教學(xué)通過案例呈現(xiàn)、情境模擬和實(shí)踐體驗(yàn)等環(huán)節(jié)，在理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐訓(xùn)練之間架起溝通的橋梁，能夠幫助研究生從靜態(tài)的書本知識(shí)向動(dòng)態(tài)應(yīng)用型知識(shí)轉(zhuǎn)化，縮短從理論到實(shí)踐的距離。從近3年的教學(xué)效果看，選題、開題報(bào)告以及科研討論會(huì)明顯感覺到研究生開闊了思路，拓展視野，能夠主動(dòng)查閱文獻(xiàn)資料，提高了發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、簡(jiǎn)化問題并最終解決問題的能力。同時(shí)培養(yǎng)了研究生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和工程倫理理念。

案例教學(xué)邁出了從理論到實(shí)踐的關(guān)鍵性一步，使專業(yè)學(xué)位研究生知識(shí)學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)性和完整性。但是案例教學(xué)不是萬能的，它無法使專業(yè)學(xué)位研究生形成熟練的技術(shù)技能，還需要結(jié)合課題和項(xiàng)目將案例變活，舉一反三，達(dá)到事半功倍的效果。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)案例教學(xué)方式方法的探索，利用網(wǎng)絡(luò)資源和平臺(tái)開發(fā)優(yōu)秀案例，優(yōu)化案例資源庫。

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