基于卓越工程師計劃和CD IO模式的機械設計課程設計教學改革

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州510641）

隨著我國高等院校招生人數逐年增長，高等工程教育在人才培養方面遇到了一個難題：一方面高校畢業生就業難度加大，另一方面企業技術崗位又難以招聘到合適的、能迅速開展工作的工程技術人員。產生此矛盾的根本原因是學校人才培養的目標與社會實際需求不一致。為破解矛盾，2010年6月教育部決定啟動卓越工程師教育培養計劃[1]，該計劃是貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項目，也是促進我國由工程教育大國轉變為工程教育強國的重大舉措。卓越工程師計劃旨在面向工業界、面向世界、面向未來，培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務，對促進高等教育面向社會需求培養人才，全面提高工程教育人才培養質量具有十分重要的示范和引導作用。

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，它是由瑞典皇家工學院和美國麻省理工學院等高校所創立的一種新型的工程教育模式[2]。CDIO 的含義是構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和操作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。CDIO工程教育是以能夠領導現代工業產品開發的現代工程師所需要具備的知識、能力和素質為目標，以現代工程實際為背景環境，采用相互聯系、相互支撐課程體系培養學生，并讓學生在現代學習和實踐環境中取得豐富的設計制作和主動學習的經驗，促進學生知識、能力和素質的一體化成長。CDIO教育理念是一種面向產品、過程、系統生命周期的工程教育方法，它以產業需求為導向，以學生為主體，通過理論教學與實踐教學的有機結合，培養學生的工程應用能力、交流能力、團隊協作能力和終生學習能力等。因此，CDIO教學法非常適合新時期創新型人才的培養，與卓越工程師計劃的目標不謀而合。

1 課程特點與難點

機械設計是機械類專業的一門技術基礎課，主要講述常規尺寸的通用零部件工作原理和設計方法。該課程內容系統性、邏輯性不太強，包含各種連接件、傳動件、軸系回轉件的設計、選型及結構設計等教學內容，具有公式復雜、標準繁多和實踐性強等特點。該課程不僅要求學生學會各種通用零部件的結構設計和強度計算方法，而且要求學生具備能夠綜合運用先前學過的基礎理論和技術知識，結合生產實際和機器的具體工作條件，進行簡單機械系統設計的能力。

課程設計是機械設計的一個實踐性教學環節，是工科機械類學生首次進行的較全面、較系統、較長時間、較貼近工程實際的綜合性設計訓練，對于培養學生的創新精神，培育學生的工程意識，鍛煉學生的設計能力，激發學生的學習興趣，加深學生對課堂教學內容的理解和掌握都具有十分重要的作用和意義[3]。

通過多年的教學實踐，課程組發現機械設計課程設計在教學安排和教學要求方面存在以下不足之處：首先，課程設計時間一般安排在學期末，學生考試周前后，學生需應對其它課程考試，無法將主要精力集中到課程設計；其次，學生未能充分認識課程設計的意義及重要性，僅僅將其當作理論課的大作業，抄襲現象較為嚴重；三是評價體系過于偏重圖紙質量和設計計算說明書，未能充分合理考慮學生的創新思維與實踐以及日常設計活動過程；四是課程設計的內容未能及時與當前一些最新的應用技術相融合，顯得陳舊、單薄。

同時，學生課程設計的結果也不樂觀，普遍存在以下問題：（1）綜合應用能力較弱。部分學生不能靈活地應用先修課程的相關知識來解決課程設計的實際問題，譬如不知如何靈活應用所學理論力學、材料力學知識對軸進行受力分析、約束反力求解、繪制彎矩圖和強度校核；不能正確地、規范地利用工程制圖、互換性與技術測量等課程所學知識繪制裝配圖、零件圖并合理標注尺寸公差、幾何公差。（2）系統設計的觀念不強。傳統的機械設計課程設計過程為傳動方案分析，電機選擇，運動及動力參數計算，傳動零件與軸的設計計算，軸承、連接件、潤滑密封件和聯軸器的選型及校核，箱體及附件結構設計，繪制裝配圖、零件圖，編寫設計計算說明書。不少學生將各個階段孤立開來，僅僅按照順序依次計算，計算完畢后再開始畫圖，缺乏系統的整體的觀念，不明白各個環節是互相關聯的，牽一發而動全身，某個環節的修改會導致其它環節產生連鎖反應，尤其是在軸系結構設計時未能正確執行“邊計算、邊畫圖、邊修改”的原則，導致結構出現干涉等問題后不得不大面積返工。（3）工程知識匱乏。對零部件的結構、尺寸和加工、裝配工藝認識不足，對減速器的制造、安裝、調整、維護等工藝過程缺乏感性認識。在確定減速器整體及零件的結構尺寸、工藝過程和精度要求方面，只會模仿書本的樣圖，只會硬套指導書的經驗公式，不知結合工程實際進行調整。譬如對齒輪輪轂和輪輻的非加工表面設計了不合理的尺寸和表面質量要求。

2 課程教學改革與探索

為了改進機械設計課程設計的教學質量，提高學生的創新設計和工程實踐能力，培養適應經濟社會發展需要的高素質機械工程技術人才，課程組基于卓越工程師教育培養計劃要求和CDIO模式對機械設計課程設計進行了教學改革。

（1）優化教學計劃

通常課程設計是安排在理論課結束之后集中進行，這讓學生感覺兩者之間關系并不緊密，在態度上呈現重課程、輕設計的趨勢，未能很好地實現通過課程設計鞏固和實踐理論課程的目標。此外，兩周集中設計的時間太短，學生很難完全領悟機械系統設計的要領并貫徹實施，很難充分考慮到一些細節問題并使之完善。再次，課程設計安排在考試周前后，學生要應付課程考試，無法將主要精力用于課程設計。本課程組將課程設計任務化整為零，分散到整個學期相關章節的教學活動中去，突破原有的教學模式，從而保證改革手段的長期實施和監控。

首先在理論課程開課之初，在機械設計概論介紹完畢之后就布置課程設計題目，讓學生充分利用剛學過的機械原理知識根據機構運動簡圖對傳動方案進行分析對比，讓學生自己選擇合適的傳動方案，不搞千篇一律。教師可將課程設計各階段的進度安排提供給學生參考，鼓勵學生先自學理論課未講到的內容，允許學生根據新獲取的知識適時地調整設計方案。由于學生是在接受了設計任務之后帶著問題去學習，學習動力增強了，興奮度也提高了。在講解到相關章節時，學生也容易向教師提出具體問題，更加容易形成互動。而且也便于教師因材施教，根據學生的不同情況進行分別指導，容易突出主要問題，從而使理論課教學也更有針對性。這樣也可盡可能降低期末考試周的影響，使學生能根據自己各項學習任務的輕重緩急合理安排課程設計的進度。

（2）豐富設計內容

機械設計課程是機械類本科生培養方案中的承上啟下的一個環節，按照CDIO教育模式，課程設計內容要充分與其它課程有機結合起來才能發揮更大的作用，尤其應該跟機械原理密切結合，擴大機械原理部分系統方案對比設計的比重，鼓勵使用主流三維CAD軟件進行計算機建模與仿真，還應適時引入有限元分析、機械優化設計的思想，開展研究型教學，鼓勵學有余力的學生深入學習。同時也可嘗試設計題目多樣化，甚至由學生自定題目。

在題目選擇上可設計傳統的齒輪減速器，也可以考慮教師的工程設計課題，或學生自選題目（譬如學生研究計劃項目、機械創新設計大賽項目、創新創業訓練計劃項目等），這樣有利于提高學生的積極性與主觀能動性。適當加大機械原理知識應用在課程設計中的比重，要求學生對傳動方案進行充分的分析與比較，使學生全面經歷從運動設計到結構強度設計，再到精度設計的機械產品設計過程。為適應用人單位對學生計算機應用能力的要求，鼓勵學生利用計算機軟件（Solidworks或ProE）進行三維建模、運動仿真，最終通過軟件實現工程圖出圖，減輕學生繪圖壓力。對于學有余力的學生，將鼓勵其進行有限元分析、疲勞壽命分析和優化設計，在完成課程設計的同時主動深入學習新知識，提高其綜合素質和競爭力。

（3）完善評價方案

通常課程設計成績評定的主要依據是圖紙和計算說明書質量以及答辯情況，這樣的評定方案難以全面客觀評估學生在整個設計過程分析解決問題的能力、獨立的工作能力以及投入時間的多少，甚至會出現抄襲者比被抄襲者成績高的個別現象，同時為鼓勵創新，激發學生的創新熱情，也要求對評價方式進行改革。課程設計成績評定可從選題的難度、方案的創新性、平時的努力程度、計算過程的完整性、計算結果的準確性、圖紙的規范性與正確性、答辯的情況以及學生自我評價等方面綜合權衡確定。

為便于客觀全面地了解學生參與課程設計的情況，教師應該經常前往教室指導課程設計，但由于教師還有其它教學科研任務，無法全天呆在教室指導。教師可加入班級的QQ群，這既便于教師通過計算機、智能手機及時回答學生提出的問題，也便于學生就某一設計問題開展討論，還便于教師根據學生發言的情況和頻率來了解學生對知識點的掌握程度和參與課程設計的熱度，更加客觀公正地評定平時成績。

（4）補充工程知識

招生規模的擴大，加上工程訓練場地和設備等資源擴充的滯后，使得學生參加金工實習的學時縮減，能動手實操的訓練項目也大不如前，這導致學生對機械產品制造技術了解不夠全面，對機械零件的生產工藝過程認識膚淺。工程訓練的不充分直接影響到后續專業基礎課程和專業課程的學習效果。減速器的箱體及其附件的結構設計、軸系零部件的結構設計都需要扎實的加工工藝知識作基礎，否則難以獲得滿意的結構和制造工藝性。教師可以通過互聯網絡獲取箱體、齒輪、轉軸等零件的制造工藝過程錄像，以及常規加工工藝方法如鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、車削、銑削、刨削、磨削、鉆削、鏜削、鉸削和拉削加工的錄像，并將它們作為班級QQ群共享文件供學生課余時間補充學習或加深認識，從而提高設計質量。

（5）剖析常見錯誤

目前絕大多數課程設計指導書偏重于設計思路、設計方法和計算過程的闡述以及機械設計常用標準和規范的收錄，但對設計中常見、易犯的錯誤卻一筆帶過，甚至只字未提，這對保證設計結果的正確性和提高課程設計質量是不利的。課程組根據多年的教學實踐，從設計方法、設計計算過程和繪圖標注等3個方面對齒輪減速器設計中的常見錯誤進行了總結，分析了出錯的原因，給出了相應的處理方法[4]。這樣學生可以避免重蹈覆轍，提高設計效率；教師也可以避免重復對相同的錯誤進行解釋說明，提高工作效率。

3 結束語

根據卓越工程師教育培養計劃要求，采用CDIO模式，從教學計劃、設計內容和評價方案等方面對機械設計課程設計進行了教學改革。通過教學實踐發現：所采用的教學改革措施有利于激發學生的學習興趣，改進機械設計課程設計的教學質量，為學生今后進行畢業設計和從事機械工程行業打下堅實的理論和實踐基礎，從而有利于提高學生的創新設計和工程實踐能力、就業競爭能力、交流能力、團隊協作能力和終生學習能力，有利于培養適應經濟社會發展需要的高素質機械工程技術人才。