以工程能力培養為導向的機械設計課程改革研究＊

朱永梅，撒 紅，王明強

（1.江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003；2.總參氣象水文局檔案館，北京 100081）

我國現在是世界工程教育第一大國，工程能力是工程師最重要、最基本的素質之一。在過去的20年中，學術界、工業界和政府部門的領導提升了對理想工程師特質的認識，開始強調改革的必要性。通過這一努力，我們認識到這樣一種隱含的關鍵需求：要培養學生能夠在現代團隊的環境下，構思-設計-實施-運行工程產品、過程和系統。這種要強調產品、過程和系統的全生命周期的工程教育新方法稱之為CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operation，構思-設計-實現-運作）。

本文根據新世紀工程教育的特點，結合CDIO工程教育理念，對機械設計課程在培養學生的工程能力方面作了一些思考和研究，讓學生初步感受產品研發和產品設計生命周期，參與研究及探索解決問題的過程，通過分層次、分階段合理的工程教育使學生能主動地綜合應用所掌握的知識去探究、分析遇到的問題。

1 國內外學生工程能力培養的現狀分析

如今的工程師除了要牢牢掌握既有的知識，還必須具備終生學習的能力、不斷的更新自己；必須具有良好的交流能力和團隊精神；必須具備對本專業、本行業乃至社會、歷史、文化、環境等方面的大系統的理解、掌控能力，即所謂的現代工程能力。由于受傳統工程教育觀念的影響，目前我國在教學中重視課堂理論教學、忽視工程能力培養的教育理念沒有得到根本轉變；實踐教學環節相對薄弱，必要的工程訓練條件尚未得到很好保證；專業教師隊伍的工程實踐經驗與能力還不能很好適應學生工程能力培養的需要；學生組織管理能力、研究開發能力、社交能力、口語及文字表達能力較弱，工程意識、效益意識和質量意識不強。此外，對學生學習能力、思維方式、應用能力、創新能力、獲取新知識能力、技術情報收集和檢索能力重視不夠。

國外大學非常重視學生工程系統能力的培養，在大學機械工程專業培養目標中均有描述，同時在大學學習階段設置各種實踐活動，社區、企業也介入、滲透到學生培養環節。如麻省理工學院將學生能夠正確地使用工程原則建模、測量、分析和設計機械系統作為其培養目標之一，在培養計劃中設置有機械工程工具和儀器實踐課程、項目實驗，在設計制造類課程中要求完成設計制造項目等，此外在激發學生興趣、引領學生參與研究和學生工程能力培養中，針對新生和高年級學生分別設有新生學習社區和高年級學習研究計劃[1]。國內高校也先后開展了一些以培養學生工程能力為目標的學生培養項目，如清華大學、浙江大學、華中科技大學等先后通過實施大學生研究訓練計劃、開設研討班、開展諸如“挑戰杯”等形式的科技競賽來推進本科生研究性教學，培養其綜合能力。目前正在推行實施的“卓越工程師教育培養計劃”也是為了加強學生現代工程能力的培養。

2 CDIO工程教育模式簡介

由美國麻省理工學院（MIT）發起的CDIO工程教育改革，不僅延續了美國近年來在構思和設計上所具有的優勢，同時強調產品生產的實施和運行環節，以期讓學生全面了解工業生產的流程，增強美國工程科技人才的競爭力。

CDIO 代表構思 （conceive）、設計 （design）、實現（implement）和運作（operate），這四個過程來源于產品／系統的生命周期過程，涵蓋了絕大多數工程師必要的專業活動。現代工程師涉足產品、生產流程以及系統生命周期的各個方面，參與構想、設計、實施以及操作的全過程。構想階段，包括定義客戶需求、考慮工藝、經營策略和調節方法，并且發展概念的、技術的商業方案；設計階段，主要是產生計劃、草圖和算法流程，以及描述需要實現的產品、生產流程以及系統；實施階段，指將設計成品化，包括硬件生產、軟件編碼、測試和驗證；操作階段，指用實現的產品、生產流程和系統傳遞內在的價值，以進化更新現有的系統[2]。

CDIO是基于工程項目全過程的學習，是“做中學”原則和“基于項目的教育和學習”的集中體現。它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。CDIO作為“做中學”戰略下的一種模式，提出了系統的能力培養、全面的實施指導、完整的實施過程和嚴格的結果檢驗等12條標準。

3 基于項目的機械設計一體化教學體系

3.1 課程目標

本課程以“卓越工程師教育培養計劃”為依據，以面向生產一線的應用型機械設計制造及其自動化專業人才為目標，培養學生初步的工程設計基本思想和技能。本課程將分小組完成一次通用機械的實習，采用“項目式教學”，通過“產品選題→文獻調研、查新→可行性（技術和經濟）分析與評估→設計實驗→擬定方案→產品設計→圖紙繪制及三維造型→設計報告編制→設計答辯”完整的工程設計過程訓練，初步形成產品的“構想、設計、實施、改進和展示”全過程工程教育理念，為最終進行高級工程設計奠定基礎。

通過本課程的學習，學生初步得到工程設計訓練，掌握產品設計的基本過程和方法，培養學生的主動思考與探索能力、創新意識和實踐能力、分析與解決問題能力、文獻檢索和綜合能力、思想表達能力、團隊合作精神等，有利于提高學生在社會的競爭能力。培養學生作為未來工程師的職業道德和社會責任感。

課程建設目標從四方面考慮，首先是讓學生進行通用小型機械裝置的設計，并運用力學及數學知識對其進行分析和改進。然后是對于通用機械零部件，包括緊固件、連接件、彈簧、制動器、聯軸器、帶傳動、鏈傳動、軸承及軸的設計。要求能夠描述這些機械零部件的功能；了解在通用機械系統中的應用并給出實例；分析其性能及失效形式；了解機械零部件制造方法及完成同樣功能的其他可替代設計方案；根據特定應用條件，選用合適的機械零件。再次是進行與機械設計相關的實驗和計算分析。能夠分析幾何因素對設計的影響；能以適當的圖解形式表述實驗和計算分析結果；并能設計運用實驗來改進設計。最后通過課程學習和實踐了解工程師應具有的基本素質和應掌握的基礎知識及基本技能；學會資料檢索、調研、分析和整理，進行自主學習；進行工程設計的表達實踐，體驗解決工程問題的具體過程和分析方法，開展團隊合作和交流。

3.2 課程內容

以項目實施為主線，重構課程體系，強化工程與實踐，強調理論與實踐的有機融合。機械設計課程主要內容有四部分，即理論課程教學、課程設計（二級項目）、機器裝拆實驗和虛擬樣機設計，其中課堂教學約占50%，研討課約占15%，研發實驗課約占35%。

課程設計（二級項目）的題目將傳統的（指定參數的）減速機設計項目轉變為具有一定開放性滿足一定條件的傳動系統設計項目。根據本校“卓越計劃”實施目標，借助于校工程實踐中心、鎮江船舶輔機廠等實習工廠，本課程確定了以下項目：船用起錨機的設計、船用鉸纜車的設計、電梯提升裝置的設計、攪拌機的設計、爬式加料機的設計、平板搓絲機的設計、簡易臥式銑床傳動裝置的設計及簡易拉床傳動裝置的設計。學生可自由組合，每個小組以4～5人為宜，題目可根據難度分為基本要求和較高要求兩個層次，由教師指定或學生自由選擇，從指導書中選擇，做到每人一題一組數據。課程設計貫穿課程學習的整個過程，課題的基礎參數計算和方案的制定等工作在課程學習期間完成，其余工作在設計周內完成。

設計過程中增加機器拆裝和虛擬樣機實體造型及裝配等環節。拆裝分析重點放在對機械系統的認識和系統表述，機械中典型的零部件、機械系統中各零件的尺寸、公差與裝配關系的理解和再設計上。虛擬樣機實體造型可由各小組通過分工和協調合作，完成三維設計、加工工藝編制、數控加工編程、數控機床操作和零件裝配等工作。這一鍛煉不僅強化了他們的整機觀念，提高了綜合設計能力和動手能力，還培養了他們協同工作的能力和綜合素質。

3.3 課程教學方法

以機械設計學習網站為平臺，采用課堂教學為主，達到傳授基本的理論知識的目的。以適當的研討時間培養學生認識問題和解決問題的能力。以習題與練習加深學生的理解、強化學生知識體系。通過機械設計試驗讓學生主動去學習知識、思考問題和運用知識去設計方案以解決問題。該設計試驗包括了方案設計、動手實驗、結論分析、探討交流整個過程，實施了從構思、設計、實施到運行的一個全CDIO過程，達到培養學生全面的專業、個人、職業、團隊、交流及社會意識與能力。

在理論課程的講解中，采用多種教學方法。①運用啟發研討式教學法，針對教學重點定期布置思考題，或提出問題，讓學生思考，提出自己的觀點，并進行討論交流；②重視定性分析和原理理論的講解。機械設計教學中往往對每一個零部件設計后都有改進措施。教學中分析影響因素以及影響因素變化對其工作能力的影響，最后歸納改進措施，指出在設計中就考慮這些因素，也就不用到設計校核不合格時才改進，這樣就指出了其實質；③重視結構工程的分析講解。在教學中我們多采用結構實物、模型或CAI進行零部件的充分分析講解，然后歸納在結構設計中應考慮和注意的定性方面和定量尺寸的選擇；④重視內容的綜合貫通分析；⑤重視結合工程應用的分析講解。

研發實驗課程以學生自主學習為主，指導教師輔導為輔。要求學生能根據二級項目中要求的使用功能，構想和設計機械的設計方案。在設計的時候必須考慮機械裝置的實用性、價格等特點，同時還要考慮其他性能。能獨立操作實驗，反復進行機械裝置設計—裝置實現—改進提高過程，最終寫出研發報告并進行全班演示。

在理論課程的教學中就布置課程設計（二級項目）的題目，使學生們做到心里有數，誘導學生主動思維。因而在上課學習的過程中，學生們帶著自己課程設計中存在的問題（如機構的選型、機構的設計、齒輪的材料選擇、參數設計等）有目的的去聽課，在課堂教授的有關章節，教師結合課程設計中機構選型及設計的有關問題，適時進行點撥，在此期間，不少學生拿著自己“不成熟”的方案和老師共同探討，不僅極大的激發了學生們的學習興趣，變被動學習為主動學習，而且有效地提高了課堂教學質量。

3.4 課程考核

CDIO思想提倡“真正的評判”，因為工程教育需要模仿真正的世界。許多現代工程環境所要求的高水平認知，是無法僅在傳統的教學測試方法中被測試、被預言的。因而傳統的學習評價方法要結合進行非傳統的學習評價的探索，包括使用學生自我評價、同伴評價、口頭測試、學習記錄、展示作品、發表論文等等。本門課程的評價用比重法，平時（包括文獻閱讀、研討、參與程度等）約占30%，二級項目設計競賽（包括實驗）約占30%，期終考試約占40%。

二級項目設計競賽考核以研發報告為考核主要依據，在全班展示報告為輔助依據。其中研發報告包括：項目的構想與設計、方案改進過程、研究計算的整理和繪圖、研究結果與討論。成績的評定為研發過程（包括文獻閱讀、動手能力、團隊合作能力、解決問題能力、機械設計與工藝的合理性及創新性）約占40% ，研發報告及其展示（包括任務完成情況、裝配圖質量、零件圖質量、結構錯誤情況、設計說明書、答辯等）約占60%。

4 教學實踐總結

由于學生課程設計的前一階段（即方案設計）是在課外進行的，所以教師要及時了解學生的進度，定期組織方案研討會，分析比較各方案的優劣。在這種研討會上，要求學生要充分展示研究和解決問題的過程和結論，以開放的心態接受老師和同學的評論，同時聆聽他人的研究過程和結論，坦率的發表自己的意見，最后再由老師作出總結，給出指導性意見，確定方案。通過這樣的過程，可以促進學生積極主動地進行思考，同時也培養了學生對知識的整合能力。

課程設計中除了方案的確定以外，還包括初步計算、草圖設計、裝配圖設計、零件工作圖設計、編寫設計計算說明書等幾個階段。其中，草圖設計和裝配圖設計即結構設計階段是重點階段，也是學生感到困難，失誤較多的階段。由于在《機械設計》課上重點都是基礎理論，很少涉及結構方面的知識，而影響結構的因素很多，例如零件結構尺寸的確定，除了計算，還常常需要借助于類比、初估或通過草圖等手段，交叉進行，逐步完成，所以，在這一階段，指導教師應悉心指導，多進行正誤結構的比較，另外要引導學生抓重點，培養學生樹立整體設計的概念。

由于使用多個設計題目，在設計計算部分各組之間以及同一組內各位同學之間計算任務不同，所用繪圖軟件自選，這就增大了老師輔導和管理的難度，對教師提出更高的要求。老師不僅要花費更多的時間，嚴格認真地給學生輔導、考勤，更應該了解基本的計算機語言及CAD、UG等技術，才能游刃有余地輔導課程設計。

[1]郝智秀，季林紅，馮涓.基于CDIO的低年級學生工程能力培養探索：機械基礎實踐教學案例[J].高等工程教育研究，2009，（5）：36-40.

[2]顧佩華，陸小華.重新認識工程教育：國際CDIO培養模式和方法[M].北京：高等教育出版社，2009.

[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，2010，（6）：54-59.

[4]吳洪特，甘光奉，胡達.探索應用型工科大學生工程能力培養的途徑[J].中國現代教育裝備，2009，（6）：70-72.