基于CDIO机械本科课程教学改革探索与实践

银光球　张福江

摘要：CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。在研究CDIO工程教育模式本土化进程的基础上，结合机械本科专业教学内容和特点，将CDIO工程教育理念与机械本科专业教学过程深度有机融合，提出了M-CDIO项目教学体系。随后，详细地阐述了M-CDIO项目教学体系的特征、实施过程以及M-CDIO项目教学体系在本校机械专业实施以来取得的可喜成效。

关键词：M-CDIO项目教学体系；工程教育；CDIO；项目

中图分类号：G642.0 文献標志码：A 文章编号：1674-9324（2017）29-0152-03

“大众创业，万众创新”是现时代的鲜明主题，创业创新离不开扎实的工科基础，高等工程教育则为创业创新提供理论基础和人才储备。CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。如何将这个工程教育界的最新成果引入国内，并本土化服务于我国的工程教育，国内学者做了大量的研究和工作。潘柏松等提出的S-CDIO培养模式，该教育模式是基于协同理论的CDIO工程教育模式，参与各方必须通力协作，在合作共赢的基础上致力于学生工程知识和能力的培养。吴鸣等提出以工程能力培养为导向的CDIO培养模式，认为工程能力是工科毕业生最重要、最基本的素质之一，工程教育从内容组织、培养方式、实施过程都要着力于培养学生的工程能力，借以提高工科学生的就业适应面。以上的研究成果对CDIO工程教育模式的本土化起了很大的引领作用，加速了CDIO工程教育理念在我国的进程和发展，推动了我国工程教育的发展。但是，纵观以上的研究成果，只就CDIO工程教育模式本土化过程提出相应的框架、课程体系、实施过程以及评价体系，鲜有将CDIO工程教育模式与具体专业知识、专业技能传授过程有机结合的本土化CDIO培养模式，因此，在我国CDIO工程教育模式本土化进程中，有必要研究CDIO工程教育理念与具体专业教学内容的深度融合。笔者在深入研究CDIO工程教育模式的理念、内涵和实施过程后，将CDIO工程教育模式与机械本科专业的基本知识与基础理论传授过程深度融合，提出了机械工程领域的CDIO（Mechanical CDIO，简称M-CDIO）项目教学体系，并对M-CDIO项目教学体系的内涵、特征以及实施过程进行了详细的阐述。

一、CDIO工程教育模式与机械本科专业教学的嵌合

1.CDIO工程教育模式。CDIO工程教育模式是由美国麻省理工学院和瑞典皇家理工学院等四所大学组成的工程教育改革团队提出、并持续发展和倡导的全新工程教育理念。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、和运作（Operate），它是以工程能力培养为目标，将工科毕业生的能力分为工程理论知识、个人能力、人际交流与团队协作能力和企业工程系统运作能力4个层面，涵盖17种不同的主要能力，在执行操作层面细分为更具体的73种不同的技能。国外高等工科院校的实践证明：实施CDIO工程教育模式的学校，这4个层面得到充分培养和训练的工科学生，就业前景普遍看好，大都供职于大型的跨国公司。

2.机械工程本科专业的CDIO项目教学体系。以“厚基础，强能力”为人才培养目标的应用型技术大学，更重视学生工程能力的培养。CDIO工程教育模式的实施必须与专业教学内容深度融合，赋予它新的内涵与特色，图1（见下页）表示了CDIO工程教育模式与机械本科专业的有效嵌合。

由图1可知：机械领域产品开发的四个环节（模糊前端、设计阶段、制造阶段和产品销售）与CDIO工程教育的四个阶段（构思阶段、设计阶段、实施阶段和运作阶段）不谋而合。这样，在机械本科专业的教学中，以CDIO工程教育模式为纲领，以机械产品研发到产品运行的生命周期为载体，以学生为中心，以工程能力培养为目标，以“项目”、“微项目”为手段，将机械领域的基本知识和基础理论糅合在“项目”、“微项目”的方案原理构思，装配图、零件图设计，零件制作实施和产品销售、售后四个阶段，赋予CDIO工程教育模式中构思、设计、实施和运作四个阶段新的内涵，实现CDIO工程教育模式与机械领域教学的有机结合，形成了机械工程领域的CDIO（Mechanical CDIO，简称M-CDIO）项目教学体系，并具有以下特征。

1.良好的工程能力培养。在M-CDIO项目教学体系中，随着糅合了机械领域的基本知识和基础理论的“项目”、“微项目”实施，学生的工程理论知识、个人能力、人际交流与团队协作能力和企业工程系统运作能力4个层面都得到了全面、系统、具体的训练，培育满足现代社会和现代工程需要的、具有较强工程能力的工程技能型人才，符合我国应用型高校的办学定位和人才培养目标。

2.“情境式”、“体验式”学习工程理论知识的环境。在M-CDIO项目教学体系中，学生组成学习小组，通过相互分工、协作完成“项目”、“微项目”的形式学习机械领域基本知识和基础理论，改变了传统以“记忆、考试、拿证”为目的的工程理论知识学习模式，为学生提供了在学中用，在用中学的情境，实现理论与实践的有机联系和良性互动，使知识从实践中来，又回到实践中去，符合哲学领域的认识实践观。

3.“学生中心，教师主导”的授课模式。在M-CDIO项目教学体系中，需以学生为中心，以“项目”、“微项目”为抓手，针对机械工程专业每门课程的特点，设置若干个糅合了课程的基础知识和基本技能不同的“项目”、“微项目”。课程的学习，先通过教师授课，讲解本课程的基本概念、知识点，然后让学生完成这些“项目”、“微项目”来再现、巩固课程知识，使一些抽象的概念具体化，使过去从实践中抽象而获得的知识、理论重新回到工程实践中，指导实践，学生在实践中主动、积极地学习课程知识。

二、M-CDIO项目教学体系在机械工程本科专业的实施过程

机械系统一般由动力系统、传动系统、执行和控制系统等子系统组成。机械类本科专业毕业生应该具备根据机械系统的功能，能够独立地完成机械系统构思、设计、制造和运作的基本能力，为社会、企业提供优质高效、物美价廉的机械产品。如果将机械系统功能、结构的完整呈现看作是一个大“项目”，则系统中的子系统功能、结构的呈现可以看作是一个“微项目”。M-CDIO项目教学体系的实施，关键在于对“项目”、“微项目”的具体落实和完成，大致要经过以下过程。

1.“項目”总体方案原理设计。根据机械系统的功能要求，确定机械系统的基本工作原理，进而获得完成该功能的技术系统，确定总体的主要参数和结构布局设计，形成机械系统总体方案设计图和结构布局图，同时编写总体设计报告及技术说明书，为“项目”的顺利实施和完成奠定基础。

2.“微项目”方案原理设计。根据图的机械系统组成，设计实现各个子系统功能的方案原理，确定实现各个功能的具体机构，形成机构原理图，编写“微项目”方案设计报告及技术说明书。比如原动机采用电动机还是内燃机，传动系统、执行系统采用什么样的机构来实现，是集中驱动还是分散驱动等。“微项目”的功能原理与结构设计服务于“项目”的总体功能，受“项目”的总体结构布局约束。

3.“项目”、“微项目”的工程图设计。根据前面二步形成的图纸和设计报告，对“项目”、“微项目”进行详细的技术设计和结构设计，最终得到“项目”、“微项目”的总装配图、子装配图和零件图及设计技术说明书等资料。

4.“项目”、“微项目”制造工艺、工装设计。根据现有的制造工艺水平和设计的技术要求，设计零件的制造工艺和装配工艺以及相应的工装夹具。形成“项目”、“微项目”完整的制造工艺过程，并编写制造工艺规程及技术文件，比如绘制工序图，制定工序卡，确定切削参数等。最终得到能完成预定功能的机械产品。

5.“项目”、“微项目”过程管理与运作。由于团队的分工和协作，上述过程离不开“项目”、“微项目”的过程管理与运作。过程管理与运作可以使“项目”、“微项目”按顺序、有步骤、有目的地齐头并进，而不至于出现“短腿”现象，缩短“项目”、“微项目”进程。同时，过程管理与运作还与机械产品后期的营销与售后服务等业务流程有关，也与学生个人的组织、沟通、交流与协作能力息息相关。

上述过程中，第一、二步为“项目”的方案设计阶段，属于M-CDIO项目教学体系中的C阶段，即构思阶段；第三步为“项目”的图纸结构设计阶段，属于M-CDIO项目教学体系中的D阶段，即设计阶段；第四步为“项目”的生产制造阶段，属于M-CDIO项目教学体系中的I阶段，即实施阶段；第五步为“项目”的营销与售后服务阶段，属于M-CDIO项目教学体系中的O阶段，即运作阶段。在M-CDIO项目教学体系中，随着糅合了机械专业基础知识和基本技能的一系列“项目”、“微项目”的实施和完成，学生不仅在工程理论知识、个人能力、人际交流与团队协作能力和企业工程系统运作能力4个层面都得到了全面、系统、具体的训练，而且熟悉了“项目”、“微项目”的操作流程，模拟企业项目的运作过程，使学生毕业后能更好的了解和融入企业，寻找到理想的工作。

三、机械本科专业实施M-CDIO项目教学体系的成效

自我校成为全国首批试点学校以来，机械学院在教学上始终坚持CDIO工程教育模式，经过七八年的摸索和实践，形成了自己特色的M-CDIO项目教学体系，具体体现在学生补考率、参加学科竞赛和学生就业率等硬指标上。机械专业自从实施了M-CDIO项目教学体系，专业基础课比如理论力学、材料力学、机械原理、机械设计等都是学生补考率很高的科目，近4年来学生补考率逐年下降，学生组队参加学科竞赛获奖数逐年增加，获奖质量也得到改善，2012年国家级获奖为0，2013年获得0的突破，到2015年获得国家级奖项7项，省级获奖也在逐年增加，2015年达到52项，历年最高；机械工程本科专业毕业生的平均就业率不仅从2012年的86.6%上升到2015年的95.69%，提高了近10个百分点，成效相当可观。

四、总结

CDIO工程教育模式是国际工程教育改革的最新成果，也是我国高等工程教育改革的方向。M-CDIO项目教学体系是以CDIO工程教育模式为纲领，以机械产品研发到产品运行的生命周期为载体，以学生为中心，以工程能力培养为目标，以“项目”、“微项目”为手段，将机械领域的基本知识和基础理论糅合在“项目”、“微项目”的方案原理构思，装配图、零件图设计，零件制作实施和产品销售、售后四个阶段，赋予CDIO工程教育模式中构思、设计、实施和运作四个阶段新的内涵，实现CDIO工程教育模式与机械领域教学的有机结合。M-CDIO项目教学体系不仅系统地解决了学生重知识学习，而轻知识运用的问题，而且学生通过做“项目”、“微项目”对知识认识深化，进而固化为学生的能力，符合应用型本科高校“厚基础，强能力”的人才培养目标。因此，M-CDIO项目教学体系的实施和应用为我国高等工程教育的改革提供了借鉴与参考的案例。

参考文献：

[1]朱高峰.中国工程教育的现状与展望[J].清华大学教育研究，Vol.36，No.1，2015.（2）：13-20.

[2]潘柏松，胡珏，秦宝荣.基于协同理论的CDIO工程教育模式探索[J].中国大学教育，2012，（05）：35-38.

[3]吴鸣，熊光晶.以工程能力培养为导向的工程教育改革研究[J].理工高教研究，Vol.29，No.3，2010，（6）：54-59.

Abstract：CDIO engineering education model is the latest achievement of international engineering education reform.Based on the studying for localization process of CDIO engineering education model，combined with the content and characteristics of mechanical undergraduate teaching，the M-CDIO project teaching system is put forward through the deeply organic integration of CDIO engineering teaching idea and mechanical undergraduate education.Subsequently，the characteristics and implementation process of the M-CDIO project teaching system and the encouraging results achieved after the implementation of the M-CDIO project teaching system in our school are described in detail.

Key words：M-CDIO project teaching system；engineering education；CDIO；project