基于CDIO模式的机械系统设计课程教学改革研究
钟宇光+史东岩+展勇
[摘 要]针对机械系统设计课程的特点和存在的问题，基于CDIO工程教育思想及理念，建立了机械系统设计课程改革体系架构，在此基础上，提出课程内容模块化、教学过程层次化、综合型的成绩考核等课程环节的具体实施策略。通过课程改革的实践，能够使学生更加深入地理解和掌握机械系统设计的基本理论和方法学，提高课程的教育教学质量。
[关键词]CDIO;工程教育;机械系统设计;教学改革
[中图分类号] G423.07 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）01-0144-02
一、引言
CDIO（Conceive——构思，Design——设计，Implement——实施，Operate——操作）作为一种全新的教育模式是由美国麻省理工学院、瑞典查尔姆斯技术学院、瑞典林克平大学、瑞典皇家技术学院4所工程大学发起的。CDIO是以项目设计为载体，所有需要学习和掌握的内容都围绕项目设计这个核心进行，让学生以主动的、实践的、课程之间具有有机联系的方式学习工程知识，从而获得工程能力。
CDIO的理念继承和发展了欧美20世纪90年代以来工程教育改革的成果，具有很强的可操作性和广泛的适应性。近年来，我国许多高校参与了CDIO教育改革研究和试点工作，并取得了明显的效果。
机械系统设计是体现机械设计工程学特点和性质的专业核心课程之一，其课程任务和目标是使学生熟悉机械产品设计的一般规律和特点，掌握机械产品设计的基本方法和技术，培养学生综合运用机械原理、机械设计、机械制造工程学、现代设计方法、机械装备设计等课程的知识进行机械产品整机设计的能力。该课程既有独立的理论框架，同时又通过重要知识点把前序的相关课程加以综合，形成一个有机联系的机械设计类课程体系。
CDIO所倡导的“做中学”的教学模式和“以工程为导向”的教学方法，尤其适合于工程性、综合性较强的机械系统设计的理论与实践教学。基于CDIO理念改革机械系统设计课程体系，能够为该课程的培养目标、课程设计、教学方式方法、教育评价等方面的建设提供新的思路和方法。
二、现阶段机械系统设计课程教学存在问题
机械系统设计是机械类学生必修的专业主干课程，也是大学本科毕业设计前最后一门理论综合课程，该课程起到了从理论过渡到实际，从基础过渡到专业的桥梁作用。但从目前教学效果看，无论是教学大纲、教材还是教学方法都无法适应高等工程教育的快速发展，传统的应用型机械系统设计课程体系还存在以下不足之处。
（一）教材内容涉及面广，各部分内容之间缺乏有机联系
机械系统设计教材中一般都涉及机械设计基础、机械装备设计、设计方法学、可靠性设计、机电传动与控制、液压与气压传动、机械制造工艺学等方面的知识，而且往往以设计原则和规律加以总结、概括，使学习者抓不住重点。其次，教材各章所举的例子涉及机床、工程机械、轻工机械、农业机械、成型机械等，这些例子大多一提而过，没有从系统的观点阐述他们之间的联系与区别，使学生没有能形成对机械系统设计的整体性理解。
（二）课程中部分内容与机械装备设计课程内容重复
现有的教材中多以机床部件作为示例对象，讲授相应的子系统设计，甚至有的教材整本书讲授的就是机床的整机设计。实际上，机械系统设计有自己特定的研究角度和范畴，是一门综合性的、全方位的、研究机械系统整机设计方法的课程，不应只局限于机床的设计。
（三）教学上缺乏实践环节与手段
机械系统设计是一门实践性较强的课程，应该边学习边实践才能实现提高设计能力、培养创造性素质的目的。但由于教材缺乏完整的样例分析，在教学中缺乏有针对性的实践训练，使学生对于所学内容掌握得不够深入，学习过程中穷于理解、背记概念和各种公式及其推导，从而淡化了实践能力的培养和训练。
三、基于CDIO模式的课程教学改革
（一）基于CDIO的课程教学改革体系建设
教学内容、课程讲授、课程实践和课程评价是机械系统设计教学改革的四个基本教学环节，根据CDIO的理念，结合“做中学”的指导思想以及机械系统设计课程特点，为每个教学环节明确具体的目标要求，在此基础上，细化了相应课程环节的具体实施内容，并按照逐层递进的实施途径构建了基于CDIO的机械系统设计课程体系。
（二）模块化的教学内容设计
CDIO倡导以项目设计为导向的人才培养模式，通过项目设计将整个课程的知识体系系统地、有机地结合起来。在机械系统设计的教学内容设计上，根据“项目驱动”和模块化思想将课程内容划分为导论模块、总体设计模块、动力系统设计模块、运动系统设计模块、结构设计模块和整机综合设计实践模块（见图1）。
图中，中间主鱼骨代表6个课程内容子模块，每个斜鱼刺代表对应子模块中的核心知识内容，是进一步细化的知识单元。在每个子模块的知识单元中，包含了具有针对性和实践性的实习项目和基础知识单元，基础知识单元主要解决完成实习项目所牵涉的必要知识问题，力争做到以实习项目作为核心，将所有需要学习和掌握的知识都围绕项目设计核心展开，并与这个核心融合在一起。在总体上，还要注意各个模块上的相互关联性，并通过最后一个整机的课程设计将课程知识体系形成一个有机整体。
（三）层次化的教学过程
基于上述机械系统设计课程模块的知识递进关系，在教学过程中采用分层次教学法。在第一层次，按照教学任务的要求有选择、有目的的设计课堂讲授、实例演示和分析等环节，让学生在教学过程中理解和掌握核心知识单元的内容。在第二层次，通过每个课程模块的项目实习，让学生去构思所学的知识，设计具体课程模块涉及的内容，并通过课上的讲评和互评，进一步加深对课程内容的理解，达到“学中做”和“做中学”的目的。在第三层次，要完成整机系统的课程设计，这是毕业设计前的一次综合的、系统的训练过程，既要完成总体方案的构思、拟定，又需要完成图纸的绘制与计算结果的校验，使学生能够更加深入地理解和掌握机械整机系统化设计的内涵和方法学。
（四）综合型的课程考核
在课程考核方面，将考核内容细分并分配了不同的权重，具体为综合考试0.4，课程设计0.3，设计作业0.15，方案讲评与互评0.15。在执行的过程中，考虑到学时的限制，将学生按照设计作业进行分组，组内细化每个学生的任务，以团队合作的方式完成项目的设计工作，课上进行小组间的互评和讲评，并强化小组内每个学生的参与性，避免个别学生“搭车”。整个评价体系达到了对于学生的基本理论的理解与掌握、实践能力和协作与沟通能力的综合考查目的，实现了课程评价从结果驱动向过程驱动的转变。
四、结论与建议
通过三年的教学实践，基于CDIO模式的机械系统设计课程体系取得了较好的教学效果，学生能够通过理论学习、项目实习、方案讲评和课程实践等课程环节的培养和训练，真正地理解和掌握书本上的设计原则、规律和方法学，特别是以具体案例和项目驱动的“做中学”的实践教学，让学生致力于对工程问题的独立思考和协调解决，充分调动了学生的主观能动性，提高了学生的实践能力和相互协作与沟通能力。本课程的改革得到的相关教学成果，可为机械专业的其他课程的建设提供借鉴作用。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 于凤琴，黄华贵，左大为，陈雷.CDIO在轧钢机械设计课程改革中的应用[J].教学研究，2012（6）.
[2] 曹兵.机械系统设计课程教学改革初探[J].大众科技，2006（7）.
[3] 曹秒艳，卢秀春.基于CDIO模式的机械系统设计课程体系整合与创新[J].科技信息，2011（1）.
[4] 郝智秀，季林红，冯涓.基于CDIO的低年级学生工程能力培养探索——机械基础实践教学案例[J].高等工程教育研究，2009（5）.
[5] 徐强.基于CDIO的机械制造模块教学模式探讨[J].合肥学院学报，2013（1）.
[责任编辑：钟 岚]
[摘 要]针对机械系统设计课程的特点和存在的问题，基于CDIO工程教育思想及理念，建立了机械系统设计课程改革体系架构，在此基础上，提出课程内容模块化、教学过程层次化、综合型的成绩考核等课程环节的具体实施策略。通过课程改革的实践，能够使学生更加深入地理解和掌握机械系统设计的基本理论和方法学，提高课程的教育教学质量。
[关键词]CDIO;工程教育;机械系统设计;教学改革
[中图分类号] G423.07 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）01-0144-02
一、引言
CDIO（Conceive——构思，Design——设计，Implement——实施，Operate——操作）作为一种全新的教育模式是由美国麻省理工学院、瑞典查尔姆斯技术学院、瑞典林克平大学、瑞典皇家技术学院4所工程大学发起的。CDIO是以项目设计为载体，所有需要学习和掌握的内容都围绕项目设计这个核心进行，让学生以主动的、实践的、课程之间具有有机联系的方式学习工程知识，从而获得工程能力。
CDIO的理念继承和发展了欧美20世纪90年代以来工程教育改革的成果，具有很强的可操作性和广泛的适应性。近年来，我国许多高校参与了CDIO教育改革研究和试点工作，并取得了明显的效果。
机械系统设计是体现机械设计工程学特点和性质的专业核心课程之一，其课程任务和目标是使学生熟悉机械产品设计的一般规律和特点，掌握机械产品设计的基本方法和技术，培养学生综合运用机械原理、机械设计、机械制造工程学、现代设计方法、机械装备设计等课程的知识进行机械产品整机设计的能力。该课程既有独立的理论框架，同时又通过重要知识点把前序的相关课程加以综合，形成一个有机联系的机械设计类课程体系。
CDIO所倡导的“做中学”的教学模式和“以工程为导向”的教学方法，尤其适合于工程性、综合性较强的机械系统设计的理论与实践教学。基于CDIO理念改革机械系统设计课程体系，能够为该课程的培养目标、课程设计、教学方式方法、教育评价等方面的建设提供新的思路和方法。
二、现阶段机械系统设计课程教学存在问题
机械系统设计是机械类学生必修的专业主干课程，也是大学本科毕业设计前最后一门理论综合课程，该课程起到了从理论过渡到实际，从基础过渡到专业的桥梁作用。但从目前教学效果看，无论是教学大纲、教材还是教学方法都无法适应高等工程教育的快速发展，传统的应用型机械系统设计课程体系还存在以下不足之处。
（一）教材内容涉及面广，各部分内容之间缺乏有机联系
机械系统设计教材中一般都涉及机械设计基础、机械装备设计、设计方法学、可靠性设计、机电传动与控制、液压与气压传动、机械制造工艺学等方面的知识，而且往往以设计原则和规律加以总结、概括，使学习者抓不住重点。其次，教材各章所举的例子涉及机床、工程机械、轻工机械、农业机械、成型机械等，这些例子大多一提而过，没有从系统的观点阐述他们之间的联系与区别，使学生没有能形成对机械系统设计的整体性理解。
（二）课程中部分内容与机械装备设计课程内容重复
现有的教材中多以机床部件作为示例对象，讲授相应的子系统设计，甚至有的教材整本书讲授的就是机床的整机设计。实际上，机械系统设计有自己特定的研究角度和范畴，是一门综合性的、全方位的、研究机械系统整机设计方法的课程，不应只局限于机床的设计。
（三）教学上缺乏实践环节与手段
机械系统设计是一门实践性较强的课程，应该边学习边实践才能实现提高设计能力、培养创造性素质的目的。但由于教材缺乏完整的样例分析，在教学中缺乏有针对性的实践训练，使学生对于所学内容掌握得不够深入，学习过程中穷于理解、背记概念和各种公式及其推导，从而淡化了实践能力的培养和训练。
三、基于CDIO模式的课程教学改革
（一）基于CDIO的课程教学改革体系建设
教学内容、课程讲授、课程实践和课程评价是机械系统设计教学改革的四个基本教学环节，根据CDIO的理念，结合“做中学”的指导思想以及机械系统设计课程特点，为每个教学环节明确具体的目标要求，在此基础上，细化了相应课程环节的具体实施内容，并按照逐层递进的实施途径构建了基于CDIO的机械系统设计课程体系。
（二）模块化的教学内容设计
CDIO倡导以项目设计为导向的人才培养模式，通过项目设计将整个课程的知识体系系统地、有机地结合起来。在机械系统设计的教学内容设计上，根据“项目驱动”和模块化思想将课程内容划分为导论模块、总体设计模块、动力系统设计模块、运动系统设计模块、结构设计模块和整机综合设计实践模块（见图1）。
图中，中间主鱼骨代表6个课程内容子模块，每个斜鱼刺代表对应子模块中的核心知识内容，是进一步细化的知识单元。在每个子模块的知识单元中，包含了具有针对性和实践性的实习项目和基础知识单元，基础知识单元主要解决完成实习项目所牵涉的必要知识问题，力争做到以实习项目作为核心，将所有需要学习和掌握的知识都围绕项目设计核心展开，并与这个核心融合在一起。在总体上，还要注意各个模块上的相互关联性，并通过最后一个整机的课程设计将课程知识体系形成一个有机整体。
（三）层次化的教学过程
基于上述机械系统设计课程模块的知识递进关系，在教学过程中采用分层次教学法。在第一层次，按照教学任务的要求有选择、有目的的设计课堂讲授、实例演示和分析等环节，让学生在教学过程中理解和掌握核心知识单元的内容。在第二层次，通过每个课程模块的项目实习，让学生去构思所学的知识，设计具体课程模块涉及的内容，并通过课上的讲评和互评，进一步加深对课程内容的理解，达到“学中做”和“做中学”的目的。在第三层次，要完成整机系统的课程设计，这是毕业设计前的一次综合的、系统的训练过程，既要完成总体方案的构思、拟定，又需要完成图纸的绘制与计算结果的校验，使学生能够更加深入地理解和掌握机械整机系统化设计的内涵和方法学。
（四）综合型的课程考核
在课程考核方面，将考核内容细分并分配了不同的权重，具体为综合考试0.4，课程设计0.3，设计作业0.15，方案讲评与互评0.15。在执行的过程中，考虑到学时的限制，将学生按照设计作业进行分组，组内细化每个学生的任务，以团队合作的方式完成项目的设计工作，课上进行小组间的互评和讲评，并强化小组内每个学生的参与性，避免个别学生“搭车”。整个评价体系达到了对于学生的基本理论的理解与掌握、实践能力和协作与沟通能力的综合考查目的，实现了课程评价从结果驱动向过程驱动的转变。
四、结论与建议
通过三年的教学实践，基于CDIO模式的机械系统设计课程体系取得了较好的教学效果，学生能够通过理论学习、项目实习、方案讲评和课程实践等课程环节的培养和训练，真正地理解和掌握书本上的设计原则、规律和方法学，特别是以具体案例和项目驱动的“做中学”的实践教学，让学生致力于对工程问题的独立思考和协调解决，充分调动了学生的主观能动性，提高了学生的实践能力和相互协作与沟通能力。本课程的改革得到的相关教学成果，可为机械专业的其他课程的建设提供借鉴作用。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 于凤琴，黄华贵，左大为，陈雷.CDIO在轧钢机械设计课程改革中的应用[J].教学研究，2012（6）.
[2] 曹兵.机械系统设计课程教学改革初探[J].大众科技，2006（7）.
[3] 曹秒艳，卢秀春.基于CDIO模式的机械系统设计课程体系整合与创新[J].科技信息，2011（1）.
[4] 郝智秀，季林红，冯涓.基于CDIO的低年级学生工程能力培养探索——机械基础实践教学案例[J].高等工程教育研究，2009（5）.
[5] 徐强.基于CDIO的机械制造模块教学模式探讨[J].合肥学院学报，2013（1）.
[责任编辑：钟 岚]
