基于IEET工程認證的產品綜合設計與實踐課程教學研究

祝勝光　劉保軍　鄭茂溪　王海雄

［摘 要］面向機械專業IEET工程認證所開設的產品綜合設計與實踐頂石課程，旨在檢視和提升學生的專業核心能力，然而在實踐過程中，存在選題過于開放、團隊成員“吃大鍋飯”、進度管理困難、報告質量一般、評分模糊等問題。為改變這一現狀，文章提出實戰性強的選題方法，構建出基于CDIO模式的實踐報告框架，引入甘特圖進行成員設計進度可視化管理，并對12項核心能力指標進一步細分和量化。通過引入這些教學措施，整個設計實踐過程目標明確、協作高效、報告質量較高、評價較為客觀。

［關鍵詞］IEET；產品綜合設計與實踐；CDIO；甘特圖；核心能力

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）20-0080-04

中華工程教育學會（IEET）2014年執行認證審查時，要求大學的課程組成中必須包括整合性的“總整課程”，也就是所謂的頂石課程。關于頂石課程的建設，許多教育學者提出了各種建設辦法，其中陳仁等[1]提出基于OBE（成果導向教育）理念的頂石課程建設，開展了以教師團隊建設和專題實作為抓手培養和檢驗學生核心能力的教學研究；SIIN等[2]研究了CDIO［Conceive （構思）、 Design （設計）、Implement （實現）、Operate （運行）］工程教育模式在機械工程頂石課程項目中的應用。

然而基于核心能力培養的頂石課程項目在實施過程中，關于存在的團隊成員“吃大鍋飯”、進度管理困難、報告質量一般、評分難以量化等現狀的探討，卻較為少見。為解決上述問題，本文將對作為IEET工程認證的產品綜合設計與實踐頂石課程開展教學研究與建設，通過提出實戰性強的選題方法、構建出基于CDIO模式的實踐報告框架、引入甘特圖對成員設計進展進行可視化管理、對12項核心能力指標進一步細化和量化等措施，使整個設計實踐過程目標明確、協作高效、報告撰寫規范、評價客觀。

一、課程培養目標

基于IEET工程認證面向機械專業所開設的產品綜合設計與實踐頂石課程，是對學生以往大學所學知識的一次整合、對大學學習成效的一次檢測。學生通過具體產品案例的設計實踐，了解產品開發從市場調研、競品分析、產品設計制造到產品市場運營的全過程。該課程學習的重點在于如何在指定題目和要求的約束條件下完成設計，重在提升學生應用所學知識的能力，培養學生的設計思維及設計過程中遇到問題時分析解決問題的能力，并通過設計合作實踐活動，培養學生團隊協作的能力。

二、課程教學設置

根據IEET工程認證的要求，頂石課程的核心為團隊合作、動手做、整合所學[3]。因此該課程主要目的不在學習新知識新技能，實踐過程必須分組而非個人獨自完成，每小組5～6名學生，通過合作共同開展一個主題設計，學生整合所學動手做，教師給予充分指導。實踐過程產出的成果可以是實物制作、3D模型、計算機仿真或其他形式的可視化設計，要求撰寫實踐設計報告并進行課題答辯。本課程在第七學期設置，共64學時，具體配置見表1。

三、課程實施過程改革

（一）選題

為了讓產品綜合設計與實踐課程更具有實戰性和專業性，并能有科研成果或競賽成果產出，同時約束跨專業或跨領域選題，機械專業實踐選題優選圍繞以下三大方向：

1.教師的科研項目，優選機械自動化產品開發項目

讓學生參與教師的機械自動化產品開發項目是非常適合的，因為機械自動化產品開發同時需要團隊合作和較多的機械專業基礎知識，符合機械專業培養方向。同時，學生參與結構設計等，容易產出專利等成果。

2.以競賽為驅動進行選題

參與競賽，能在很大程度上調動學生的積極性、激發學生的潛能，非常能夠鍛煉與提升學生的綜合能力，同時學生出現在各種競賽中，也能提升學校的影響力和知名度。適合機械工程專業學生的競賽有全國/省機械創新設計大賽、全國大學生課外學術科技作品競賽和創業計劃大賽等。

3.將產品專利逆向設計作為選題

公開的專利說明書里會給出專利產品的技術領域、背景技術、發明內容、附圖說明和具體實施方式。教師可選擇難易程度合適的高質量機械產品專利，讓學生對其開展逆向設計。學生通過對專利說明書的解讀，可以認識專利、深化對機械產品的認知。在專利逆向設計過程中，鼓勵學生對其進行優化，并挖掘出新的專利。

（二）基于CDIO模板的設計實踐過程

CDIO工程教育是一種較新的教育模式，通過產品的構思、設計、實施和運行，讓學生以主動的、實踐的方式學習工程，其核心是以工業產品生命周期為背景，以項目為主線把學生必須學到的知識、素質和能力融合在一起[4-5]。然而對于缺少項目開發與產品設計經驗的大學生來說，面對一個設計對象，往往容易陷入思維陷阱，即混沌、茫然、不知從何下手的狀況。為了能夠引導學生有序地開展產品設計與實踐，在企業開發工程師的協助下，教學團隊為學生構建了一個基于CDIO工程教育模式的設計框架（見表2），非常有助于學生設計實踐活動的順利開展，同時也有助于培養學生嚴謹、邏輯清晰的框架設計思維。

本文所創建的表2所示的CDIO實踐報告模板，除了符合機械自動化產品開發的流程，還融合了機械專業學生所學的專業課程（如機械原理、機械制圖、工程力學，液壓與氣壓傳動等）及專業軟件（如SolidWorks、AutoCAD、Ansys等）。因此本文所創建的CDIO模板既符合IEET工程認證所要求的專業知識整合，又給學生提供了一個明確的工程設計開發流程。

（三）基于甘特圖的設計實踐過程

團隊合作、動手做是頂石課程的核心要求，但在缺乏外界環境的約束與管理時，人的惰性容易讓執行力大打折扣，實踐進度也會很難推進。甘特圖作為項目進度管理的可視化工具與方法[6]，簡單易懂，因此在產品綜合設計與實踐課程中可引入甘特圖進行實踐進度管理。設計實踐分組完成后，設定項目組長進行任務分配與進度跟蹤管理，各項目組長定期向指導老師提交甘特圖，反饋進度狀況。

在設計實踐活動中，任務間存在三種關系：串行，即一個任務的開始依賴于前一個任務的輸出，如運動仿真，工程圖依賴于前一任務的3D建模；并行，即一個任務與另一個任務可以同時開展，如一臺設備可拆分為多個子裝配體同時進行設計；耦合，即每個任務的完成都需要另一個任務的輸出，如力學分析與結構優化。要求項目組組長繪制好任務關系圖，在甘特圖中做好時間節點分配。

（四）基于CDIO設計實踐模板的核心能力量化指標評分表

基于IEET工程認證的12項核心能力要求能滿足絕大多數課程培養的評價，然而其核心能力指標比較主觀，在實際評分過程中，存在難以量化的不足[7]。本課程根據機電一體化技術的應用型人才培養方向制定CDIO實踐模板，有的放矢地匹配核心能力指標，也根據核心能力指標配置CDIO模板內容，從而構建出基于CDIO設計實踐模板的機械專業核心能力量化評分表（見表3）。限于篇幅，本文只列舉其中一個核心能力。

核心能力9：能夠在團隊中承擔個體角色，具有團隊合作的能力。評分點分為在團隊中承擔個體角色與團隊合作能力，權重均為0.05。對核心能力要點評分主要根據甘特圖和組員評價細分為4個檔次，從而實現進一步的精準客觀評價。

（五）答辯路演展示環節

答辯路演展示環節是整個實踐過程中非常重要的環節，從流程上，可檢查推進學生的設計實踐進度；從技術上，可給予指導老師與學生面對面交流及組員間相互學習的機會；從心理上，可讓學生基于所付出的努力獲得成就感。答辯路演展示環節至少分三個階段，即開題答辯、中期答辯與結題答辯。答辯會上，項目團隊制作好匯報PPT，講解設計過程、展示設計成果、提出所遇到的困難等。PPT答辯匯報時，可采取團隊成員同時上臺、組員根據各自任務分工進行分時講解的模式。答辯路演展示環節根據實際情況需要，可線上或線下增加答辯次數。

四、結語

在 IEET工程認證指引下，本文根據頂石課程的核心思想，探討了面向機械專業所開設的產品綜合設計與實踐頂石課程的教學設置與實施過程。本文提出可科研產出與競賽獲獎的選題方向，結合企業自動化機械設備開發流程與CDIO模式構建出實踐報告模板框架，引入甘特圖進行項目進度可視化管理，并進一步細分和量化核心能力評分表。通過這些舉措，為即將畢業的學生提供實戰性鍛煉與檢視自身能力的機會。本課程教研團隊將跟蹤統計修過該課程的畢業生的反饋與建議，逆向完善該課程的教學實踐舉措。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 陳仁， 謝嘉寧， 陳國杰， 等. 基于成果導向教學理念的Capstone課程建設探究[J]. 佛山科學技術學院學報： 自然科學版， 2020， 38（5）：6-11.

[2] SIIN M Y Z，NAMASIVAYAM S N，FOULADI M H， et al.Utilisation of the conceive?design?implement?operate framework in a mechanical engineering capstone project[J].International journal of mechanical engineering education，2020，48（1）：32-54.

[3] MICHEL F C ，GUIDA B .Teaching process design in a multidisciplinary capstone design course[J].The Canadian journal of chemical engineering，2021，99（10）：2173-2185.

[4] 張偉，柳玉輝，王麗云.CDIO模式下的壓頂石項目設計與實施[J].沈陽師范大學學報（自然科學版），2017，35（2）：220-227.

[5] 莊宏，陳忠，唐文獻，等.CDIO項目式教學研究與設計：以面向工程教育專業認證的工程圖學課程為例[J].大學教育，2019（3）：18-21.

[6] SHIBUYA M ，CHEN X B. Production planning and management using Gantt charts[J].Journal of mechanics engineering and automation，2021（3）：68-76.

[7] SASIPRABA T ，NAVAS R K B，NANDHITHA N M， et al.Assessment tools and rubrics for evaluating the capstone projects in outcome based education[J].Procedia computer science，2020，172（C）：296-301.

［責任編輯：周侯辰］