機械設計專業基于CDIO教學理念的項目式教學體系改革

汪飛雪等

摘要：以國際先進的CDIO工程教育理念為指導，結合機械設計專業的特點，考慮課程的銜接關系，完成了以項目實施為主線的課程體系改革工作。以培養學生為本、以提高教師的責任意識和師德意識為核心、以教學改革立項為依托，完成了三級項目[CD*4/5]二級項目[CD*4/5]一級項目的全面實施，取得了可喜成果。

關鍵詞：CDIO；課程體系；機械設計；項目式

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A文章編號：10054634（2015）05008705

0引言

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO（ConceiveDesignImplementOperate）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1，2：。2005年起，我國開展了CDIO工程教育模式改革的研究和實踐35：。燕山大學是國內首批加入CDIO教育改革的高等院校之一，并作為機械專業類小組召集單位于2007年即開始實施基于CDIO模式的教育教學改革。目前，機械設計專業已完成了基于“CDIO”理念的教改方案建設，實施了部分教改立項，完成了專業課程體系的構建，設立了形式多樣的實物項目，全面培養了學生的各項能力，取得了良好的教學效果。

1課程體系的構建

機械設計專業的特點是寬口徑，不像其他產品專業具有非常明顯的研究對象，就業面也很寬泛。為此，筆者設置的專業課程主要包括4方面的內容：（1）設計類課程：機械設計學，機械系統設計，掌握各種典型機械系統的設計；（2）制造類課程：機械制造工程學，完成典型零件的設計加工；（3）分析類課程，包括彈性力學、機械系統動力學，完成機械設備靜力學和動力學分析；（4）計算機類課程，計算機輔助設計、現代設計技術，完成三維模型建模，有限元仿真研究?；诖?，在課程學習過程中，以5～10人為一組，二學期為一周期，進行項目式培養。通過典型設備設計、制造、加工等，掌握現代設計理念和設計方法，讓學生了解現代設計理論與方法的基本原理和主要內容，培養二維、特別是三維設計能力，掌握機械優化設計和有限元分析方法，能夠對一般難度的機械設計問題進行優化建模并能夠利用MATLAB進行優化求解；能夠對于機械設計中的結構強度問題、結構動力問題進行建模并能夠利用商用有限元軟件進行求解。圖1所示為課程體系改革拓撲圖。每門課程都開設有三級項目，在此基礎上完成機械系統設計及制造二級項目，該項目完成設計、制造、分析優化等環節，最后一學期完成畢業設計一級項目。所有項目設置根據實際情況可做調整，圖2所示為課程體系項目設置。

2改革建設與成效

2.1三級項目

三級項目是跟隨本門課程設置的小型設計性項目。以機械設計學課程為例，該課程的教學目標是“使學生初步具備提出創新構思并將其盡快轉化為有競爭力產品的能力”，教學主線是“產品功能原理設計—實用設計—商品化設計”，教學內容覆蓋了產品設計的整個流程，但是由于機械設計學課程研究的是機械產品設計的共性問題，學生沒有經過系統的機械產品設計訓練，很難理解所講授的知識內容，因而需要對教學方法進行更新、改進。為此，實施了仿生機械產品設計與實踐的教改項目，將課程教學內容與項目式教學相結合，并交叉進行，讓學生即學即用、學以致用，通過實際項目的設計，強化對所學內容的理解和掌握，有效促進機械產品設計與實踐項目的實施，提高機械產品設計開發能力。在教改過程中，培養了學生多種能力：設計能力（功能原理設計，結構方案設計）；計算能力（力能參數計算、運動學、動力學分析）；創新能力；軟件應用能力（數學建模、仿真分析）；動手能力（加工、安裝、調試）；團隊協作能力。項目的執行結合科技競賽，很好的激發學生的參與積極性，共獲得全國機械數字化工程設計競賽一等獎1項，二等獎1項，三等獎4項，學生自主申報專利1項。圖3所示為項目的實施過程，項目實施采用全過程追蹤，包括項目申報、討論、指導、匯報與驗收等環節。圖4所示為項目加工過程，圖5為項目成果，該項目學生完成仿生機械產品10套。

2.2二級項目

二級項目是單獨設課的綜合性設計項目，機設專業主要是開設機械系統設計及制造二級項目，該課程涉及機械設計學、機械系統設計、機械制造工程學、計算機輔助設計與現代設計技術等多門課程的有機融合。一般而言，三級項目的設置是小型設備的設計、計算、分析、制造，而在二級項目的設置中，根據燕山大學重型機械的特色，學生研究大型設備的整體方案、結構設計、計算分析等。圖6所示為課程設計總體思路及完成目標，圖7為項目實施成果，包括大型設備的二維三維設計、主參數計算、典型工藝卡編制、靜力學和動力學分析等。

2.3一級項目

一級項目是融合學生四年所學基礎知識與專業知識設置的大型綜合性項目。2014年，機械設計專業方向試點進行了畢業設計一級項目改革，以校企合作項目為背景，完成了“4層9車位升降橫移立體車庫”1∶24模型的研制，旨在培養學生運用理論知識與工程實際相結合的能力，設置了方案論證、可行性分析、零部件采購加工節、電控程序編制、集成裝配等環節。方案論證環節采取現場答辯形式，充分調動學生的主動性，培養學生的創新意識；可行性分析環節增加了產品的預算評估，增強學生的成本控制意識；零部件采購加工環節由學生獨立完成，使學生了解整個產品加工制造的全過程。做為機械類學生，電氣控制是項目實施過程中的難點，學生不僅要熟悉CPU、PLC、I/O模塊、觸摸屏、行程開關等電子元器件的使用方法，短時間內還要自行編制控制程序和操控界面，這一環節在拓展學生知識面的同時進一步提高了學生的自學能力。集成裝配環節主要鍛煉學生的動手能力，同時發現設計中的不足之處，進而完善以培養學生獨立解決問題的能力。圖8為畢業設計一級項目實施過程，圖9為項目成果。

3結束語

多年來，燕山大學機械設計專業一直以培養適應社會需求的創新型、復合型、應用型人才為目標，探索教學模式改革并取得了顯著成效。借鑒國際先進的CDIO工程教育模式，以教學改革立項為依托，以項目式的教學改革為切入點，對教學內容進行了調整和融合，構建起了專業主干課程三級項目[CD*4/5]二級項目[CD*4/5]級項目相結合的項目式教學體系。該體系以機械產品設計流程為向導，以學生興趣為驅動，學中做，做中學，提高了學習效果；各級項目設置多樣化、自主化，考慮個性，兼顧共性；實施過程中將功能原理設計[CD*4/5]實用化設計[CD*4/5]商品化設計[CD*4/5]產品制造調試相結合，綜合培訓學生設計能力與工程素養，受到廣大師生的好評。[FL）]

參考文獻

[1]雷環，湯威頤，Edward F C，等.培養創新型、多層次、專業化的工程科技人才[CD*4/5]CDIO工程教育改革的人才理念和培養模式J：.高等工程教育研究，2009，（[KG-*6]5）：2935.

[2] Edward F C，et al.重新認識工程教育[CD*4/5]國際CDIO培養模式與方法M：.顧佩華，沈民奮，陸小華譯.北京：高等教育出版社，2009：15.

[3] 顧佩華，包能勝，康全禮等.CDIO在中國J：.高等工程教育研究，2012，（[KG-*6]3）：2440.

[4] 査建中.論“做中學”戰略下的CDIO模式J：.高等工程教育研究，2008，（[KG-*6]3）：19.