基于CDIO的機械專業課程教學研究與探索

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，以培養卓越工程師為目標”的先進工程教育理念指導下，依托課程設計和課程考核方式，將CDIO的構思、設計、實現和運作成功地應用于《機械優化設計》教學實踐中，增強了學生的職業技能和職業道德。

關鍵詞：CDIO人才培養模式；機械優化設計；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A

目前在專業基礎課和專業課的教學中，存在重理論輕實踐、強調學生個人能力而忽視團隊協作精神、重視知識學習而忽視開拓創新能力培養等問題，與創新型人才的培養目標不相吻合。具體表現在：專業課程比較枯燥，課程公式多、數學推導煩瑣，難以激發學生學習的積極性；理論教學學時較長，學生動手實踐的愿望得不到滿足；教學內容與工程實際問題結合不緊密，學生能力與社會需求有較大差距；傳統的學生實驗主要以演示性、驗證性實驗為主，而綜合設計類試驗較少等。而企業對于高校工科畢業生的評價是：畢業生缺乏對企業文化的了解，崗位適應時間長，團隊工作意識匱乏，溝通和動手能力較差，缺乏創新能力，職業道德、敬業精神有待提高。

CDIO是在2001年由4所前沿工程大學（瑞典查爾姆斯技術學院、瑞典林克平大學、美國麻省理工學院、瑞典皇家技術學院）合作開發的一種新型工程教育模型。CDIO是構思（Conceive）、設計（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到運行的生命周期為載體，把職場環境引入到學校作為教育的環境，讓學生以主動實踐的方式學習工程。CDIO以項目為載體，通過“做中學”和“學中做”一體化教學組織原則實施教學，強調在學中做，在學中規范，在學中提升，在做中學，在做中反思，在做中提煉。CDIO培養模式包含工程基礎知識培養、個人能力培養、人際團隊能力培養和工程系統能力培養四個模塊。

機械專業學生畢業后主要擔任工程師和技術人員，要求有很強的動手能力、團隊合作意識以及人際交往能力。《機械優化設計》課程是機械工程及自動化專業的專業選修課，優化設計是指將最優化技術與計算機技術應用到機械設計領域，為工程設計提供了一種基于定量分析選擇最優的設計方法。隨著學校教育改革的深入，《機械優化設計》課程進行了以CDIO人才培養模式的教學改革。

一、基于CDIO模式的教學目標與教學大綱

CDIO培養大綱對工程教育應達到的能力目標做出了全面、系統、具體的表述，將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面，要求以綜合的培養方式使學生在這四個層面達到預定的目標。改革課程教學大綱，將傳統的只包含知識要求的教學大綱轉變為集知識、能力和素質要求為一體的教學大綱。《機械優化設計》這門課程既要求學生專業知識過關，又要求學生實踐能力過硬。因此，設計如表1所示的教學大綱。在大綱中要求了學生的基礎知識，學生的個人技能和職業道德，學生的團隊合作意識。通過改革大綱，可以看出《機械優化設計》這門課程已經由傳統的要求基礎知識的傳統課程轉變成了基礎知識和實踐能力兩手抓的新課程。學生在學習和實踐過程中，會提高學生的學習興趣，減少了學習的枯燥。

二、建立CDIO模式下的教學方法

積極采用并探尋符合教學規律、符合人才成長規律的教與學的方法，比如基于項目的學習、基于問題的學習、探究式學習等，以實現專業培養標準所要求的培養目標。在項目實施中，樹立以學生為中心的觀念，引導學生主動學習。

（一）教學方式的多樣化

1.教學中重視基礎知識、基本概念和基本規律。鑒于往屆同學在學習過程中的重難點，在新學期在授課過程中著重講解，使學生能夠抓住重點，吃透基礎知識。理解規律和掌握方法比記住知識更加重要，所以在教學過程中圍繞優化設計的基礎知識、優化原理和規律展開，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產生與發展的歷史背景知識，使學生看到理論背后的工程背景，在課程講授中設定相關命題論文，激發其學習的動力。

2.采用基于任務的、基于問題的或案例式的教學方法，課堂上教師只講授基本定理和概念，主要是引導學生按照給定的主題（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、演講并展開課堂討論。

3.教學過程中應用歸納總結比較方法。《機械優化設計》這門課程理論性比較強，如不能及時地歸納總結所學知識點，那么學生在應用和選取優化方法的時候會遇到很大的問題，通過歸納總結比較優化方法的優缺點和適用情況，可以為學生以后遇到優化方法選取時能夠更加準確地找到適用的優化方法。

4.學中注重學習的實踐。在課程教學結束時，給學生布置一個課程設計。通過課程設計，培養學生在實踐中探索優化方法的選取和應用的思路以及主動搜索文獻、探尋方法的能力。教師要求學生選擇與本專業方向相關的實際課題，對實際課題做具體分析，確定完成課題的方式、小組分工、課題成果的評價標準以及課程學習的評價標準。然后學生自愿結組，邊學邊做，搜集課題相關的資料，將小組成員思想融入完成課題的過程中。同時，講解課本中典型應用問題的實際操作過程，對于實際應用的優化設計問題，因有其特殊性和個性，需要結合專業知識對其求解。

（二）增加自學內容

建立好優化問題的數學模型之后，對于比較復雜數學模型的求解相對比較麻煩，這時需要借助一些數學軟件對數學模型求解。MATLAB是一個很強大的數學軟件，應用其對數學模型進行求解大大提高了求解速度和準確率。但MATLAB有自己的編程語言，這時就需要學生自己學習MATLAB語言對數學模型進行編程計算，提高了學生的自學能力和動手能力。

三、CDIO模式下的課程教學質量監控

在當前的本科教學中，理論課的考試往往是期末考試的試卷成績決定了學生這門課程的成績，而這種考核方式缺乏對學生平時成績的監控，也缺少對學生能力的評估。目前開展CDIO模式教學的課程中，學生成果形式包括：學生研究討論報告，PPT課件，實踐項目作品展示，學生評價、同行評價等。要減少筆試成績的比例，增加團隊設計項目成績的比例。傳統的學習評價方法仍然是重要的，同時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。為此，《機械優化設計》課程改變了傳統的考核方式，采用課程成績由平時習題成績、課程設計（大作業）、實驗報告和匯報成績、單元測驗成績和結課考試成績組成的考核方式。在完成每章的課程學習之后布置典型習題來消化知識，每兩章學習結束之后安排單元測驗及時檢測學生對知識的理解應用，在課程結束后將學生分組布置大作業并匯報大作業的成果。通過改革考核方式，學生更好地理解了機械優化設計的基本知識和基本方法，熟悉了通過MATLAB軟件處理優化問題的方法，使課程得到了延伸。

四、結語

《機械優化設計》課程經過CDIO培養模式改革后，課程教學注重了改革的科學性，處理好知識與能力的關系，學生對于學習的興趣有了很大提升，學生很好地掌握了本門課程的基礎知識和解決工程實際問題的能力。改革后的課程，使優化設計方法與工程實際問題得到了有機結合，更具有實用性，更有利于學生能力的提高。

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