基于CDIO的機(jī)械專業(yè)課程教學(xué)研究與探索

翟國棟　李振　徐晨　吳飛　孟莉俐

摘 要：在“以CDIO工程教育理論為指導(dǎo)，以培養(yǎng)卓越工程師為目標(biāo)”的先進(jìn)工程教育理念指導(dǎo)下，依托課程設(shè)計和課程考核方式，將CDIO的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作成功地應(yīng)用于《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》教學(xué)實踐中，增強(qiáng)了學(xué)生的職業(yè)技能和職業(yè)道德。

關(guān)鍵詞：CDIO人才培養(yǎng)模式；機(jī)械優(yōu)化設(shè)計；教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的教學(xué)中，存在重理論輕實踐、強(qiáng)調(diào)學(xué)生個人能力而忽視團(tuán)隊協(xié)作精神、重視知識學(xué)習(xí)而忽視開拓創(chuàng)新能力培養(yǎng)等問題，與創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)不相吻合。具體表現(xiàn)在：專業(yè)課程比較枯燥，課程公式多、數(shù)學(xué)推導(dǎo)煩瑣，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；理論教學(xué)學(xué)時較長，學(xué)生動手實踐的愿望得不到滿足；教學(xué)內(nèi)容與工程實際問題結(jié)合不緊密，學(xué)生能力與社會需求有較大差距；傳統(tǒng)的學(xué)生實驗主要以演示性、驗證性實驗為主，而綜合設(shè)計類試驗較少等。而企業(yè)對于高校工科畢業(yè)生的評價是：畢業(yè)生缺乏對企業(yè)文化的了解，崗位適應(yīng)時間長，團(tuán)隊工作意識匱乏，溝通和動手能力較差，缺乏創(chuàng)新能力，職業(yè)道德、敬業(yè)精神有待提高。

CDIO是在2001年由4所前沿工程大學(xué)（瑞典查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典林克平大學(xué)、美國麻省理工學(xué)院、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院）合作開發(fā)的一種新型工程教育模型。CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實施（Implement）、運行（Operate）四個英文單詞的縮寫，它以工程項目從研發(fā)到運行的生命周期為載體，把職場環(huán)境引入到學(xué)校作為教育的環(huán)境，讓學(xué)生以主動實踐的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO以項目為載體，通過“做中學(xué)”和“學(xué)中做”一體化教學(xué)組織原則實施教學(xué)，強(qiáng)調(diào)在學(xué)中做，在學(xué)中規(guī)范，在學(xué)中提升，在做中學(xué)，在做中反思，在做中提煉。CDIO培養(yǎng)模式包含工程基礎(chǔ)知識培養(yǎng)、個人能力培養(yǎng)、人際團(tuán)隊能力培養(yǎng)和工程系統(tǒng)能力培養(yǎng)四個模塊。

機(jī)械專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后主要擔(dān)任工程師和技術(shù)人員，要求有很強(qiáng)的動手能力、團(tuán)隊合作意識以及人際交往能力?！稒C(jī)械優(yōu)化設(shè)計》課程是機(jī)械工程及自動化專業(yè)的專業(yè)選修課，優(yōu)化設(shè)計是指將最優(yōu)化技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域，為工程設(shè)計提供了一種基于定量分析選擇最優(yōu)的設(shè)計方法。隨著學(xué)校教育改革的深入，《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》課程進(jìn)行了以CDIO人才培養(yǎng)模式的教學(xué)改革。

一、基于CDIO模式的教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)大綱

CDIO培養(yǎng)大綱對工程教育應(yīng)達(dá)到的能力目標(biāo)做出了全面、系統(tǒng)、具體的表述，將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個層面達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。改革課程教學(xué)大綱，將傳統(tǒng)的只包含知識要求的教學(xué)大綱轉(zhuǎn)變?yōu)榧R、能力和素質(zhì)要求為一體的教學(xué)大綱。《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》這門課程既要求學(xué)生專業(yè)知識過關(guān)，又要求學(xué)生實踐能力過硬。因此，設(shè)計如表1所示的教學(xué)大綱。在大綱中要求了學(xué)生的基礎(chǔ)知識，學(xué)生的個人技能和職業(yè)道德，學(xué)生的團(tuán)隊合作意識。通過改革大綱，可以看出《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》這門課程已經(jīng)由傳統(tǒng)的要求基礎(chǔ)知識的傳統(tǒng)課程轉(zhuǎn)變成了基礎(chǔ)知識和實踐能力兩手抓的新課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)和實踐過程中，會提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，減少了學(xué)習(xí)的枯燥。

二、建立CDIO模式下的教學(xué)方法

積極采用并探尋符合教學(xué)規(guī)律、符合人才成長規(guī)律的教與學(xué)的方法，比如基于項目的學(xué)習(xí)、基于問題的學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)等，以實現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)所要求的培養(yǎng)目標(biāo)。在項目實施中，樹立以學(xué)生為中心的觀念，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。

（一）教學(xué)方式的多樣化

1.教學(xué)中重視基礎(chǔ)知識、基本概念和基本規(guī)律。鑒于往屆同學(xué)在學(xué)習(xí)過程中的重難點，在新學(xué)期在授課過程中著重講解，使學(xué)生能夠抓住重點，吃透基礎(chǔ)知識。理解規(guī)律和掌握方法比記住知識更加重要，所以在教學(xué)過程中圍繞優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)知識、優(yōu)化原理和規(guī)律展開，避免過多地對知識的羅列。在介紹理論概念及原理前，先介紹一些該理論或技術(shù)產(chǎn)生與發(fā)展的歷史背景知識，使學(xué)生看到理論背后的工程背景，在課程講授中設(shè)定相關(guān)命題論文，激發(fā)其學(xué)習(xí)的動力。

2.采用基于任務(wù)的、基于問題的或案例式的教學(xué)方法，課堂上教師只講授基本定理和概念，主要是引導(dǎo)學(xué)生按照給定的主題（包括命題論文、案例分析、工程項目實施等）來查找資料、整理、歸納、實際項目分析及計算、總結(jié)、演講并展開課堂討論。

3.教學(xué)過程中應(yīng)用歸納總結(jié)比較方法?！稒C(jī)械優(yōu)化設(shè)計》這門課程理論性比較強(qiáng)，如不能及時地歸納總結(jié)所學(xué)知識點，那么學(xué)生在應(yīng)用和選取優(yōu)化方法的時候會遇到很大的問題，通過歸納總結(jié)比較優(yōu)化方法的優(yōu)缺點和適用情況，可以為學(xué)生以后遇到優(yōu)化方法選取時能夠更加準(zhǔn)確地找到適用的優(yōu)化方法。

4.學(xué)中注重學(xué)習(xí)的實踐。在課程教學(xué)結(jié)束時，給學(xué)生布置一個課程設(shè)計。通過課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生在實踐中探索優(yōu)化方法的選取和應(yīng)用的思路以及主動搜索文獻(xiàn)、探尋方法的能力。教師要求學(xué)生選擇與本專業(yè)方向相關(guān)的實際課題，對實際課題做具體分析，確定完成課題的方式、小組分工、課題成果的評價標(biāo)準(zhǔn)以及課程學(xué)習(xí)的評價標(biāo)準(zhǔn)。然后學(xué)生自愿結(jié)組，邊學(xué)邊做，搜集課題相關(guān)的資料，將小組成員思想融入完成課題的過程中。同時，講解課本中典型應(yīng)用問題的實際操作過程，對于實際應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計問題，因有其特殊性和個性，需要結(jié)合專業(yè)知識對其求解。

（二）增加自學(xué)內(nèi)容

建立好優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型之后，對于比較復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的求解相對比較麻煩，這時需要借助一些數(shù)學(xué)軟件對數(shù)學(xué)模型求解。MATLAB是一個很強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件，應(yīng)用其對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解大大提高了求解速度和準(zhǔn)確率。但MATLAB有自己的編程語言，這時就需要學(xué)生自己學(xué)習(xí)MATLAB語言對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程計算，提高了學(xué)生的自學(xué)能力和動手能力。

三、CDIO模式下的課程教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控

在當(dāng)前的本科教學(xué)中，理論課的考試往往是期末考試的試卷成績決定了學(xué)生這門課程的成績，而這種考核方式缺乏對學(xué)生平時成績的監(jiān)控，也缺少對學(xué)生能力的評估。目前開展CDIO模式教學(xué)的課程中，學(xué)生成果形式包括：學(xué)生研究討論報告，PPT課件，實踐項目作品展示，學(xué)生評價、同行評價等。要減少筆試成績的比例，增加團(tuán)隊設(shè)計項目成績的比例。傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)評價方法仍然是重要的，同時結(jié)合進(jìn)行非傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)評價的探索，包括使用學(xué)生自我評價、同伴評價、口頭測試、學(xué)習(xí)記錄、展示作品、發(fā)表論文等。為此，《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》課程改變了傳統(tǒng)的考核方式，采用課程成績由平時習(xí)題成績、課程設(shè)計（大作業(yè)）、實驗報告和匯報成績、單元測驗成績和結(jié)課考試成績組成的考核方式。在完成每章的課程學(xué)習(xí)之后布置典型習(xí)題來消化知識，每兩章學(xué)習(xí)結(jié)束之后安排單元測驗及時檢測學(xué)生對知識的理解應(yīng)用，在課程結(jié)束后將學(xué)生分組布置大作業(yè)并匯報大作業(yè)的成果。通過改革考核方式，學(xué)生更好地理解了機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的基本知識和基本方法，熟悉了通過MATLAB軟件處理優(yōu)化問題的方法，使課程得到了延伸。

四、結(jié)語

《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》課程經(jīng)過CDIO培養(yǎng)模式改革后，課程教學(xué)注重了改革的科學(xué)性，處理好知識與能力的關(guān)系，學(xué)生對于學(xué)習(xí)的興趣有了很大提升，學(xué)生很好地掌握了本門課程的基礎(chǔ)知識和解決工程實際問題的能力。改革后的課程，使優(yōu)化設(shè)計方法與工程實際問題得到了有機(jī)結(jié)合，更具有實用性，更有利于學(xué)生能力的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]翟國棟.《誤差理論與數(shù)據(jù)處理》課程教學(xué)改革的研究與實踐[J].學(xué)理論，2014（6）.

[2]翟國棟.大學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)[J].機(jī)械職業(yè)教育，2007（6）.

[3]顧賢光，張一兵.CDIO理念下的建筑設(shè)計和工程技術(shù)人才培養(yǎng)——《建筑特種構(gòu)造》課程教學(xué)模式探索[J].中國集體經(jīng)濟(jì)，2014（25）.

[4]張翔，陳建能.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計[M].北京：科學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[5]安雙利，何亞飛，孫芳方，林清芝.基于CDIO理念的“機(jī)械工程及自動化”工程項目實踐[J].學(xué)理論，2010（33）：135-136.

[6]李庚英，趙曉華，熊光晶.“土木工程材料”CDIO模式的設(shè)計與實現(xiàn)[J].高等工程教育研究，2009（5）：41-43，51.

[7]王殿君，王偉，張寶生，申愛明，朱加雷.CDIO人才培養(yǎng)模式在機(jī)械電子工程專業(yè)綜合訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011（3）：241-243.

[8]王偉，王殿君，申愛明，林順英，陳亞，代峰燕.基于CDIO人才培養(yǎng)模式的機(jī)械電子工程專業(yè)實踐教學(xué)體系的改革與探索[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010（2）：136-138.