基于CDIO理念的機械基礎課程設計改革*

楊恩霞　孔凡凱　劉賀平　龐永剛　應麗霞（哈爾濱工程大學機電學院，黑龍江哈爾濱150001）

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基于CDIO理念的機械基礎課程設計改革*

楊恩霞孔凡凱劉賀平龐永剛應麗霞
（哈爾濱工程大學機電學院，黑龍江哈爾濱150001）

摘要：通過分析機械基礎課程設計教學中存在的問題，提出基于CDIO工程理念的機械基礎課程設計教學改革的具體措施，以培養學生工程職業素質和團隊協作精神，鍛煉學生的動手能力及增強學生的創新意識。

關鍵詞：機械基礎課程設計；CDIO工程理念；教學改革

Abstract:By analyzing the problems of teaching in design of mechanical basic curriculum, the detailed steps for teaching reform are introduced based on CDIO concept. The aim is to cultivate engineering professional quality and a spirit of teamwork, to exercise students' manipulative ability and enhance innovation consciousness.

Keywords:curriculum design of mechanical basis; CDIO concept; teaching reform

CDIO是2001年由美國麻省理工學院聯合瑞典的查爾姆斯技術大學、林克平大學以及皇家技術學院等高校，共同開發的一種全新工程教育理念和實施體系。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程，是“基于項目學習”和“做中學”原則的有機結合[1]。CDIO在培養學生的理論知識及協作能力的同時，還強調專業技能、大系統掌控等一系列能力的培養。目前國內許多高校都在研究CDIO的先進工程理念，并根據各自學校的實際情況，探索工程教育理念的教學改革之路。

一、機械基礎課程設計教學存在的問題

《機械基礎》是工科類專業的主干課程和重要必修課程，具有基礎性、設計性、實踐性等特點，是培養學生創造性思維的主要課程。而其《課程設計》是使學生獲得工程技術訓練必不可少的實踐教學環節，在培養學生的理論聯系實際，提高機械系統方案設計以及創新構思能力和分析能力等方面起著非常重要的作用。本課程是學生首次接觸的專業基礎知識，其重要性不言而喻。然而，由于課程設計長期以來一成不變的設計方法和教學模式，給其教學帶來很多弊端[2]。首先是設計題目陳舊，設計方法呆板，缺乏創新思維的培養和工程實踐能力的訓練；其次是設計內容單一，缺乏整機設計理念和系統訓練，沒有機械系統方案設計的機構選型設計，學生處于一種被動及按部就班狀態，自主設計和發揮主觀能動性的內容少，無法激發學生的創造力，不利于對學生綜合能力的培養；再次是個體意識強烈，缺乏團隊協作及溝通交流的能力。這樣培養出來的學生將難以適應快速變化的社會需求[3]。因此，課程設計的教學改革勢在必行。

每年我校都有機類和近機類約十八個班的學生接受機械基礎課程設計的訓練，搞好機械基礎課程設計，不僅是對學生動手能力和創新能力的一次全面訓練，而且對后續專業課程的學習、畢業設計乃至今后的工作都有重要影響。

二、機械基礎課程設計教學改革措施

（一）設計題目多樣化

課程設計的題目應體現以學生為主的教育理念，針對學生的實際情況，改變以往課程設計題目單一的弊端，選擇合適的設計題目，因此，在選題上應注意以下幾個問題[4]。一是課程設計題目應滿足綜合性強、難度適中的要求，使學生能夠綜合運用機械基礎課程所學理論知識，系統地完成一個大型機構設計課題；二是題目來源的廣泛性，教師不斷從文獻資料、生產實際和科研工作中累積合適的題目，逐漸擴大課程設計題目的類型和數量，形成一個基本的課程設計題庫，表l所示為我校近三年機械基礎課程設計選題。三是題目要有一定的創新性，鼓勵學生根據自己的興趣進行選題，興趣是學習最好的老師。

表1　機械基礎課程設計選題

（二）采用先進工程設計方法和手段

傳統課程設計結果常常是學生上交一份圖紙和一份設計說明書，學生對設計出來的機器裝置或機構是否可行不得而知，因此，影響了學生的設計積極性。在課程設計教學環節中，引入機械專業常用的三維設計軟件Pro/E、UG、ADAMS等輔助設計功能和虛擬樣機技術。要求學生在計算機上制造出虛擬機械，并對此進行運動和動力學分析，最大限度地減少設計失誤。從而實現復雜問題簡單化、抽象問題直觀化，深化對工程實踐類問題的認識，增強學生利用現代化手段進行機械創新設計的能力。圖1為學生設計的潛艇艙蓋開啟機構三維圖，潛艇的艙蓋開啟機構用于潛艇艙門的打開和關閉。開啟角度為0-90°，驅動方式采用電機。艙蓋的開啟速度較慢，設計中采用了蝸輪蝸桿減速機構。圖2為潛器天線升降機構三維圖，潛艇在水下航行依靠水聲導航，但在近水面航行時需要使用天線與陸上交換信號。天線的升降角度為0-90°，驅動方式采用電機。天線的升降速度較慢，需采用減速機構。潛艇的空間較小，要求所設計的機構盡量緊湊，占據較小的空間位置。設計中學生采用了蝸輪蝸桿減速機構，該機構輸出軸與天線轉軸間采用花鍵連接。設計結束后教師對優秀的作品，組織申請專利，并推薦參加各種大學生競賽，如全國大學生機械產品數字化設計大賽、機械創新設計大賽。

圖1　潛艇艙蓋開啟機構三維圖

圖2　潛器天線升降機構三維圖

（三）改革課程設計的教學方式

首先是變集中時間式教學為先部分分散，然后集中式教學，與機械基礎理論教學環節有機融合起來，這樣學生不僅可以有充分的時間發揮創新性設計和學習的主動性及積極性，同時指導教師通過監督和指導，能及時發現不合理的設計，并督促學生改正，這使學生有充分的時間進行思考及設計；其次是變單人一組的設計方式為多人一組的團隊方式進行，充分利用學生的團隊協作精神，培養學生的團隊意識。具體措施如下：（1）在機械基礎課程開始時，就介紹課程設計的相關內容和設計要求，布置學生按自愿組合的方式組成設計小組，一般以3-5人為一組；（2）在機械基礎課程教學的中期，布置學生進行調查研究，查閱資料，分析討論現有典型機器和同類機器的研究現狀和發展歷史，并以研究報告的形式成為機械基礎課程設計設計說明書的一部分內容；（3）在機械基礎課程教學結束后，組織學生參觀討論，進行方案設計與典型機構的分析，方案設計階段以小組為單位，在分析機器的結構、傳動方式、工作原理以及各部件的功能順序的基礎上，繪制機器運動簡圖，確定最佳設計方案；機構的分析與綜合階段主要是從設計方案中選取最具代表性的機構，進行機構的尺寸綜合、機構運動分析和力分析，制作機構模型。最后是編寫設計計算說明書，準備答辯。

三、結束語

通過近兩年的課程設計改革探索，我們發現基于CDIO工程理念的機械基礎課程設計體系有明顯的優勢，不僅能夠改變學生的學習態度，激發學生的工程設計興趣，構建工科教育中被忽視的工程價值觀，而且能夠培養學生的團隊合作精神?；贑DIO工程理念的機械基礎課程設計更加強調學生綜合素質的培養，它改變了以往理論與實踐相脫節的問題，學生普遍反映課程設計效果有很大提高，特別是在學生獨立分析問題、解決問題的能力方面以及對機構創新設計能力等方面均有所提高。

參考文獻

[1]朱玉.CDIO工程理念在“機械原理課程設計”教學中的應用[J].中國電力教育，2010（1）：139-140.

[2]宜亞麗.機械原理課程設計教學改革的探索[J].太原理工大學學報（社會科學版），2008（6）：51-53.

[3]王硯軍，等.“機械原理與機械設計”課程設計的改革探索[J].中國電力教育，2011（23）：95-96.

[4]高志，等.“機械原理課程設計”的探索與實踐[J].教育教學論壇，2015（2）：127-128.

作者簡介：楊恩霞（1963-），女，哈爾濱工程大學機電學院，教授，主要從事機械原理、機械設計教學。

*基金項目：本文系2015年哈爾濱工程大學教學改革研究項目的階段性成果。

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）01-0119-02