基于CDIO的機械電子工程專業(yè)實驗教學探索與實踐

朱學軍+張慶玲+李富娟+史艷國

[摘 要] 圍繞機械電子工程專業(yè)的培養(yǎng)目標，闡述了機電實驗室引入CDIO教育理念后在實驗教學內(nèi)容、教學方法及教學考核等方面的探索和實踐情況。實踐證明，基于CDIO的機械電子工程專業(yè)實驗教學不僅加深了學生對專業(yè)基礎(chǔ)理論知識的理解，而且培養(yǎng)了學生的自學能力、團隊溝通能力及創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞] CDIO;教育理念;機械電子工程;實驗教學

[中圖分類號] G642.0 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）02-0104-03

CDIO教育理念誕生于工程教育系統(tǒng)運動過程中，從構(gòu)思、設計、實現(xiàn)、運行四個環(huán)節(jié)培養(yǎng)工科人才，其不僅能夠激發(fā)學生的學習主動性、增強學生的動手能力、提高學生綜合利用所學知識發(fā)現(xiàn)-提出-分析-解決問題的能力，而且能夠培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神和人際溝通能力。正是由于CDIO教育理念能夠使學生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力得到顯著提升，很多高校實驗室積極引入該教育理念，并且在教學實踐中對實驗內(nèi)容、實驗方法及實驗室建設等方面進行不斷的探索。然而，實驗教學涉及專業(yè)、學科、學院、國家及國情等諸多組織和要素，各組織和要素不僅具有自身獨特的教育環(huán)境和教育需求，且其相互之間的聯(lián)系也具有復雜性，諸多組織和要素之間的相互作用既可以促進實驗教學的開展，產(chǎn)生協(xié)同效應，也可以制約實驗教學的開展，產(chǎn)生消極效應[1]。為此，結(jié)合燕山大學機械工程學院的實際情況，對基于CDIO的機械電子工程專業(yè)實驗教學展開探索和實踐。

1 CDIO教育理念的引入

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，具有國際先進性、實踐可操作性、全面系統(tǒng)性及普遍適應性，得到了國際高等工程教育界的共識，已經(jīng)成為一種國際先進的教育理念。我國高等工科院校的迫切任務是盡快培養(yǎng)與國際接軌的中國工程師，但在教育實踐中普遍存在如重理論輕實踐、強調(diào)個人學術(shù)能力而忽視團隊協(xié)作精神、重視知識學習而輕視開拓創(chuàng)新的培養(yǎng)等問題，尤其是傳統(tǒng)的實驗教學中更是存在實驗課時不足、教學模式單一、實驗內(nèi)容缺乏創(chuàng)新性、實驗室建設不完善等諸多問題，嚴重影響了學生實踐能力與創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。由于CDIO的教育理念能夠讓學生獲得更寬更深知識的同時， 還能夠逐步具備足夠的人際交流能力、專業(yè)知識應用能力、產(chǎn)品和系統(tǒng)的構(gòu)建能力，適應行業(yè)對人才的需求，所以并聯(lián)機器人與機電系統(tǒng)實驗室（以下簡稱“機電實驗室”）作為機械電子工程專業(yè)教學、科研和人才培養(yǎng)的重要基地，于2009 年開始積極引入CDIO 教育理念，從培養(yǎng)目標、課程結(jié)構(gòu)、實驗內(nèi)容、教學方法及實驗教學評價體系等方面做了重大改革。

2 基于CDIO的機電專業(yè)實驗教學改革與 實踐

2.1 培養(yǎng)目標的確定

CDIO的12條標準之一即為以CDIO 工程教育為基本環(huán)境，強調(diào)技術(shù)知識和能力的教學實踐要以產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)的構(gòu)思、設計、實施和運行作為工程教育的框架，使學生的基本個人能力、人際交往能力和對產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)建能力達到專業(yè)設定的目標，并且滿足企業(yè)對人才的需求。機械電子工程專業(yè)培養(yǎng)的是具有機械電子工程專業(yè)基礎(chǔ)知識與專業(yè)技能，且能在生產(chǎn)一線從事機械電子工程專業(yè)產(chǎn)品的設計制造、控制開發(fā)、應用研究和生產(chǎn)管理等工作的應用型專門人才[2]。結(jié)合CDIO教育理念及機械電子工程專業(yè)的培養(yǎng)目標，機電實驗室將以應用型工程師的人才培養(yǎng)目標為主線、以企業(yè)對應用型工程師的能力需求為導向、以企業(yè)生產(chǎn)一線創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)為提升來定位實驗教學的能力培養(yǎng)目標。

2.2 實驗教學內(nèi)容

CDIO教學理念注重一體化教學，強調(diào)能力培養(yǎng)，同時要求培養(yǎng)計劃的設計做到各學科之間相互支撐。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，機械電子工程專業(yè)越來越多的與電氣、控制、通信、材料及系統(tǒng)學等學科進行交叉。因此，實驗教學特別重視基礎(chǔ)訓練、拓寬專業(yè)，重視綜合實踐性以及系統(tǒng)設計開發(fā)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，合理構(gòu)建實驗教學內(nèi)容。

1）加強原有的專業(yè)基礎(chǔ)類實驗，開設課程三級項目。機械電子工程專業(yè)方向的課程設置主要包括三大知識模塊：機械設計及制造知識模塊、強電知識模塊、弱電知識模塊，所涉及專業(yè)課程繁多，倘若側(cè)重理論教學而忽視學生的實際動手操作，則容易出現(xiàn)理論知識與實際應用脫離、學生感到學習枯燥的現(xiàn)象。所以，需要加強原有的專業(yè)基礎(chǔ)類實驗教學的同時，針對一門或兩門課程設計三級項目，將實驗融入到三級項目中，學生可以根據(jù)項目需要自行設計實驗方案，這種基于項目的學習，改革了枯燥無味的呆板實驗，給學生創(chuàng)造了更多動手動腦的機會，加深了對課堂理論知識的理解應用。

2）結(jié)合工程實際設計實驗內(nèi)容。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品設計技術(shù)趨于數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡化，生產(chǎn)自動化和智能化程度相當高，機、電、控已成為一個不可分割的有機整體，企業(yè)對機電類專業(yè)人才的工程能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)提出了更高的要求，培養(yǎng)適應性強且符合市場需求的創(chuàng)新型人才迫在眉睫[3]。因此，機電實驗教學對機電專業(yè)工程應用型創(chuàng)新人才的業(yè)界需求進行分析，從市場需求出發(fā)來培養(yǎng)學生。打破各門課程的界限，拓寬實驗內(nèi)容范圍，按照對學生綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基本要求設計實驗內(nèi)容，為學生提供一種全新的工程應用教學環(huán)境。如結(jié)合工程實際，增設機、電、控綜合實驗，使學生學會綜合應用流體傳動、電氣控制、PLC、機械工程測試、傳感技術(shù)、嵌入式技術(shù)等多門課程的知識，并會使用各種實驗設備儀器[4]。

3）完善機械工程研究實驗平臺，加強理論研究能力的培養(yǎng)。引入CDIO教育理念后，機電實驗室不斷完善機械工程研究實驗平臺，為學生提供充足的實驗設備和計算機，制定具有綜合性、設計性、應用性及研究性的實驗教學內(nèi)容，使學生在實驗過程中能夠結(jié)合相關(guān)技術(shù)進行系列理論研究，開發(fā)學生創(chuàng)新思維，激發(fā)學生探索新的理論知識，鍛煉學生的自學能力、增強學生綜合運用知識的能力，從而培養(yǎng)出具有機械電子工程領(lǐng)域較強實踐操作能力及扎實的理論分析能力的綜合性人才。

2.3 實驗教學方法及考核方式

CDIO教育理念提倡基于項目教育和學習的新型教學模式，注重培養(yǎng)學生的工程能力、職業(yè)道德、學術(shù)知識、運用知識解決問題的能力、終生學習能力、團隊協(xié)作能力、交流能力和大系統(tǒng)掌控能力，從而培養(yǎng)既有過硬的專業(yè)技能，又有良好的職業(yè)道德的國際化工程師[5]。為此，機電實驗室采取以學生為主體，以教師為主導，知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的教學方法，發(fā)動學生參與實驗教學和管理，培養(yǎng)學生的主人翁精神和意識;采用多方面、多樣化的綜合考核方式，不僅對學生進行考核，還要對實驗教學人員進行考核，各個環(huán)節(jié)的考核結(jié)果相互融合，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對學生的技術(shù)能力、工程素質(zhì)、交流與溝通能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的全面考核，也能夠提升教師的技術(shù)應用能力，提高技能操作水平，積累工程應用經(jīng)驗。

2.4 實驗教學案例

實驗教學是高校培養(yǎng)人才戰(zhàn)略方案中不可或缺的教學環(huán)節(jié)， 也是培養(yǎng)學生綜合能力的重要環(huán)節(jié)，以上從培養(yǎng)目標、實驗教學內(nèi)容、實驗教學方法及考核方式等方面論述了機電實驗室引入CDIO教育理念后所采取的改革措施，下面以機電一體化專業(yè)核心項目體系的實施為例，談談機電實驗室引入CDIO教學模式后的教學實踐。

該項目以《機電一體化系統(tǒng)設計》、《單片機原理及應用》和《機器人》三門課程為核心設立，包括兩個實施階段，其中在三級項目階段，學生以團隊的方式自主完成以嵌入式計算機（單片機）控制系統(tǒng)為核心的機電一體化產(chǎn)品—智能小車的構(gòu)思-設計-制作-調(diào)試運行;在二級項目階段，學生運用四周時間，進行自主創(chuàng)新研發(fā)，自主設計集成一個取料手爪或運料的自動翻轉(zhuǎn)車廂，將智能小車升級成為移動式的抓取機器人和移動式搬運機器人，通過進行機器人運動控制規(guī)劃，控制機器人完成一系列復雜的動作，如手爪張合、車體回轉(zhuǎn)、智能循跡和避障、協(xié)同作業(yè)等任務，最終由兩個機器人協(xié)作配合完成一次物料的抓取和運送任務。學生自主完成從方案設計、詳細設計、加工制作到集成調(diào)試的全過程，最后以分組比賽的方式驗收。項目進程的具體計劃及考核方式見表1。

3 教學實施體會

通過總結(jié)和研討，發(fā)現(xiàn)機電一體化專業(yè)核心項目的實施不僅使學生掌握了機電一體化相關(guān)的基本理論和技能，還使學生能夠熟練運用系統(tǒng)的有機集成技術(shù)進行工程設計。同時，加強了團隊協(xié)作能力，提高了思考與決策水平，具備了解決實際問題的能力和終身學習的能力。之所以能夠取得如此理想的教學效果，主要原因還是在于實驗教學中引入了CDIO先進教學理念，突出表現(xiàn)在以下幾點：（1）在實驗教學過程中，以學生為主體，培養(yǎng)學生自主學習能力，教師愛護和保護學生的好奇心和求知欲，對學生學習方法進行適時地指導，從而使學生積極主動地獲取知識，逐步掌握千變?nèi)f化的機電技術(shù)，適應信息社會飛速發(fā)展的需要;（2）注重學科之間的有機融合，教師整合機械設計、機電控制、電路設計等方面的實際經(jīng)驗，給予學生科學系統(tǒng)的指導，使學生在實際操作中通過不斷的探索獲得新的知識，進而培養(yǎng)學生系統(tǒng)設計的能力;（3）學生自愿分組，組內(nèi)成員分工不同，遇到問題開放交流，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力;（4）綜合運用多種考核方式，促使學生將設計和思考的內(nèi)容以多種多樣的方式展現(xiàn)出來，注重應用和實踐，對設計作不斷的修改和完善，從而達到創(chuàng)新的目的。

明確的實驗教學培養(yǎng)目標+高水平開放性研究項目+詳盡可行的項目實施計劃+全過程多方位的實驗教學考核方式，既保證了學生對基本能力的掌握，又為有興趣和有才華的學生提供了無限能力發(fā)揮和發(fā)展的空間;不但保證了大批量合格機電工程師的培養(yǎng)，同時也實現(xiàn)了以學生為主體的個性化培養(yǎng)。實驗教學改革是一項長遠的系統(tǒng)工程，需要多方配合，不僅需要大量資金的支持，還需要建設一支高水平的教師隊伍，不但需要得到學校的高度重視，還需要學院內(nèi)包括學生科、科研科和教務科等部門之間相互協(xié)作。只有多方進行不斷的共同努力和長時間的探索與實踐，CDIO機械電子工程專業(yè)的實驗教學才能不斷完善和發(fā)展。

參考文獻

[1]潘柏松，胡玨，秦寶榮.基于協(xié)同理論的CDIO工程教育模式探索—以機械工程及自動化專業(yè)為例[J].中國大學教學，2012，（5）：35-38.

[2] 楊亮亮，路豐瑜，劉宜勝，等.《實用運動控制技術(shù)》課程改革研究[J].中國科技博覽，2012，（5）：185-186.

[3]劉思遠，姜萬錄，陳剛，等.基于CDIO項目式教學的課程改革與實踐—以電氣傳動與控制課程三級項目教學為例[J].教學研究，2012，35（3）：44-46，73.

[4] 沈瑜，李晶，高曉丁.機械類自主式綜合實驗教學模式的研究與探討[J].高校實驗室工作研究，2012，（4）：17-18，27.

[5] 查建中.工程教育改革戰(zhàn)略“CDIO”與產(chǎn)學合作和國際化[J].中國大學教育，2008，（5）：16-19.