鍾宇光+史東岩+展勇
[摘 要]針對機械系統設計課程的特點和存在的問題，基於CDIO工程教育思想及理念，建立了機械系統設計課程改革體系架構，在此基礎上，提出課程內容模塊化、教學過程層次化、綜合型的成績考核等課程環節的具體實施策略。通過課程改革的實踐，能夠使學生更加深入地理解和掌握機械系統設計的基本理論和方法學，提高課程的教育教學質量。
[關鍵詞]CDIO;工程教育;機械系統設計;教學改革
[中圖分類號] G423.07 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）01-0144-02
一、引言
CDIO（Conceive——構思，Design——設計，Implement——實施，Operate——操作）作為一種全新的教育模式是由美國麻省理工學院、瑞典查爾姆斯技術學院、瑞典林克平大學、瑞典皇家技術學院4所工程大學發起的。CDIO是以項目設計為載體，所有需要學習和掌握的內容都圍繞項目設計這個核心進行，讓學生以主動的、實踐的、課程之間具有有機聯繫的方式學習工程知識，從而獲得工程能力。
CDIO的理念繼承和發展了歐美20世紀90年代以來工程教育改革的成果，具有很強的可操作性和廣泛的適應性。近年來，我國許多高校參與了CDIO教育改革研究和試點工作，並取得了明顯的效果。
機械系統設計是體現機械設計工程學特點和性質的專業核心課程之一，其課程任務和目標是使學生熟悉機械產品設計的一般規律和特點，掌握機械產品設計的基本方法和技術，培養學生綜合運用機械原理、機械設計、機械製造工程學、現代設計方法、機械裝備設計等課程的知識進行機械產品整機設計的能力。該課程既有獨立的理論框架，同時又通過重要知識點把前序的相關課程加以綜合，形成一個有機聯繫的機械設計類課程體系。
CDIO所倡導的「做中學」的教學模式和「以工程為導向」的教學方法，尤其適合於工程性、綜合性較強的機械系統設計的理論與實踐教學。基於CDIO理念改革機械系統設計課程體系，能夠為該課程的培養目標、課程設計、教學方式方法、教育評價等方面的建設提供新的思路和方法。
二、現階段機械系統設計課程教學存在問題
機械系統設計是機械類學生必修的專業主幹課程，也是大學本科畢業設計前最後一門理論綜合課程，該課程起到了從理論過渡到實際，從基礎過渡到專業的橋樑作用。但從目前教學效果看，無論是教學大綱、教材還是教學方法都無法適應高等工程教育的快速發展，傳統的應用型機械系統設計課程體系還存在以下不足之處。
（一）教材內容涉及面廣，各部分內容之間缺乏有機聯繫
機械系統設計教材中一般都涉及機械設計基礎、機械裝備設計、設計方法學、可靠性設計、機電傳動與控制、液壓與氣壓傳動、機械製造工藝學等方面的知識，而且往往以設計原則和規律加以總結、概括，使學習者抓不住重點。其次，教材各章所舉的例子涉及工具機、工程機械、輕工機械、農業機械、成型機械等，這些例子大多一提而過，沒有從系統的觀點闡述他們之間的聯繫與區別，使學生沒有能形成對機械系統設計的整體性理解。
（二）課程中部分內容與機械裝備設計課程內容重複
現有的教材中多以工具機部件作為示例對象，講授相應的子系統設計，甚至有的教材整本書講授的就是工具機的整機設計。實際上，機械系統設計有自己特定的研究角度和範疇，是一門綜合性的、全方位的、研究機械系統整機設計方法的課程，不應只局限於工具機的設計。
（三）教學上缺乏實踐環節與手段
機械系統設計是一門實踐性較強的課程，應該邊學習邊實踐才能實現提高設計能力、培養創造性素質的目的。但由於教材缺乏完整的樣例分析，在教學中缺乏有針對性的實踐訓練，使學生對於所學內容掌握得不夠深入，學習過程中窮於理解、背記概念和各種公式及其推導，從而淡化了實踐能力的培養和訓練。
三、基於CDIO模式的課程教學改革
（一）基於CDIO的課程教學改革體系建設
教學內容、課程講授、課程實踐和課程評價是機械系統設計教學改革的四個基本教學環節，根據CDIO的理念，結合「做中學」的指導思想以及機械系統設計課程特點，為每個教學環節明確具體的目標要求，在此基礎上，細化了相應課程環節的具體實施內容，並按照逐層遞進的實施途徑構建了基於CDIO的機械系統設計課程體系。
（二）模塊化的教學內容設計
CDIO倡導以項目設計為導向的人才培養模式，通過項目設計將整個課程的知識體系系統地、有機地結合起來。在機械系統設計的教學內容設計上，根據「項目驅動」和模塊化思想將課程內容劃分為導論模塊、總體設計模塊、動力系統設計模塊、運動系統設計模塊、結構設計模塊和整機綜合設計實踐模塊（見圖1）。
圖中，中間主魚骨代表6個課程內容子模塊，每個斜魚刺代表對應子模塊中的核心知識內容，是進一步細化的知識單元。在每個子模塊的知識單元中，包含了具有針對性和實踐性的實習項目和基礎知識單元，基礎知識單元主要解決完成實習項目所牽涉的必要知識問題，力爭做到以實習項目作為核心，將所有需要學習和掌握的知識都圍繞項目設計核心展開，並與這個核心融合在一起。在總體上，還要注意各個模塊上的相互關聯性，並通過最後一個整機的課程設計將課程知識體系形成一個有機整體。
（三）層次化的教學過程
基於上述機械系統設計課程模塊的知識遞進關係，在教學過程中採用分層次教學法。在第一層次，按照教學任務的要求有選擇、有目的的設計課堂講授、實例演示和分析等環節，讓學生在教學過程中理解和掌握核心知識單元的內容。在第二層次，通過每個課程模塊的項目實習，讓學生去構思所學的知識，設計具體課程模塊涉及的內容，並通過課上的講評和互評，進一步加深對課程內容的理解，達到「學中做」和「做中學」的目的。在第三層次，要完成整機系統的課程設計，這是畢業設計前的一次綜合的、系統的訓練過程，既要完成總體方案的構思、擬定，又需要完成圖紙的繪製與計算結果的校驗，使學生能夠更加深入地理解和掌握機械整機系統化設計的內涵和方法學。
（四）綜合型的課程考核
在課程考核方面，將考核內容細分並分配了不同的權重，具體為綜合考試0.4，課程設計0.3，設計作業0.15，方案講評與互評0.15。在執行的過程中，考慮到學時的限制，將學生按照設計作業進行分組，組內細化每個學生的任務，以團隊合作的方式完成項目的設計工作，課上進行小組間的互評和講評，並強化小組內每個學生的參與性，避免個別學生「搭車」。整個評價體系達到了對於學生的基本理論的理解與掌握、實踐能力和協作與溝通能力的綜合考查目的，實現了課程評價從結果驅動向過程驅動的轉變。
四、結論與建議
通過三年的教學實踐，基於CDIO模式的機械系統設計課程體系取得了較好的教學效果，學生能夠通過理論學習、項目實習、方案講評和課程實踐等課程環節的培養和訓練，真正地理解和掌握書本上的設計原則、規律和方法學，特別是以具體案例和項目驅動的「做中學」的實踐教學，讓學生致力於對工程問題的獨立思考和協調解決，充分調動了學生的主觀能動性，提高了學生的實踐能力和相互協作與溝通能力。本課程的改革得到的相關教學成果，可為機械專業的其他課程的建設提供借鑑作用。
[ 參 考 文 獻 ]
[1] 於鳳琴，黃華貴，左大為，陳雷.CDIO在軋鋼機械設計課程改革中的應用[J].教學研究，2012（6）.
[2] 曹兵.機械系統設計課程教學改革初探[J].大眾科技，2006（7）.
[3] 曹秒艷，盧秀春.基於CDIO模式的機械系統設計課程體系整合與創新[J].科技信息，2011（1）.
[4] 郝智秀，季林紅，馮涓.基於CDIO的低年級學生工程能力培養探索——機械基礎實踐教學案例[J].高等工程教育研究，2009（5）.
[5] 徐強.基於CDIO的機械製造模塊教學模式探討[J].合肥學院學報，2013（1）.
[責任編輯：鍾 嵐]
[摘 要]針對機械系統設計課程的特點和存在的問題，基於CDIO工程教育思想及理念，建立了機械系統設計課程改革體系架構，在此基礎上，提出課程內容模塊化、教學過程層次化、綜合型的成績考核等課程環節的具體實施策略。通過課程改革的實踐，能夠使學生更加深入地理解和掌握機械系統設計的基本理論和方法學，提高課程的教育教學質量。
[關鍵詞]CDIO;工程教育;機械系統設計;教學改革
[中圖分類號] G423.07 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）01-0144-02
一、引言
CDIO（Conceive——構思，Design——設計，Implement——實施，Operate——操作）作為一種全新的教育模式是由美國麻省理工學院、瑞典查爾姆斯技術學院、瑞典林克平大學、瑞典皇家技術學院4所工程大學發起的。CDIO是以項目設計為載體，所有需要學習和掌握的內容都圍繞項目設計這個核心進行，讓學生以主動的、實踐的、課程之間具有有機聯繫的方式學習工程知識，從而獲得工程能力。
CDIO的理念繼承和發展了歐美20世紀90年代以來工程教育改革的成果，具有很強的可操作性和廣泛的適應性。近年來，我國許多高校參與了CDIO教育改革研究和試點工作，並取得了明顯的效果。
機械系統設計是體現機械設計工程學特點和性質的專業核心課程之一，其課程任務和目標是使學生熟悉機械產品設計的一般規律和特點，掌握機械產品設計的基本方法和技術，培養學生綜合運用機械原理、機械設計、機械製造工程學、現代設計方法、機械裝備設計等課程的知識進行機械產品整機設計的能力。該課程既有獨立的理論框架，同時又通過重要知識點把前序的相關課程加以綜合，形成一個有機聯繫的機械設計類課程體系。
CDIO所倡導的「做中學」的教學模式和「以工程為導向」的教學方法，尤其適合於工程性、綜合性較強的機械系統設計的理論與實踐教學。基於CDIO理念改革機械系統設計課程體系，能夠為該課程的培養目標、課程設計、教學方式方法、教育評價等方面的建設提供新的思路和方法。
二、現階段機械系統設計課程教學存在問題
機械系統設計是機械類學生必修的專業主幹課程，也是大學本科畢業設計前最後一門理論綜合課程，該課程起到了從理論過渡到實際，從基礎過渡到專業的橋樑作用。但從目前教學效果看，無論是教學大綱、教材還是教學方法都無法適應高等工程教育的快速發展，傳統的應用型機械系統設計課程體系還存在以下不足之處。
（一）教材內容涉及面廣，各部分內容之間缺乏有機聯繫
機械系統設計教材中一般都涉及機械設計基礎、機械裝備設計、設計方法學、可靠性設計、機電傳動與控制、液壓與氣壓傳動、機械製造工藝學等方面的知識，而且往往以設計原則和規律加以總結、概括，使學習者抓不住重點。其次，教材各章所舉的例子涉及工具機、工程機械、輕工機械、農業機械、成型機械等，這些例子大多一提而過，沒有從系統的觀點闡述他們之間的聯繫與區別，使學生沒有能形成對機械系統設計的整體性理解。
（二）課程中部分內容與機械裝備設計課程內容重複
現有的教材中多以工具機部件作為示例對象，講授相應的子系統設計，甚至有的教材整本書講授的就是工具機的整機設計。實際上，機械系統設計有自己特定的研究角度和範疇，是一門綜合性的、全方位的、研究機械系統整機設計方法的課程，不應只局限於工具機的設計。
（三）教學上缺乏實踐環節與手段
機械系統設計是一門實踐性較強的課程，應該邊學習邊實踐才能實現提高設計能力、培養創造性素質的目的。但由於教材缺乏完整的樣例分析，在教學中缺乏有針對性的實踐訓練，使學生對於所學內容掌握得不夠深入，學習過程中窮於理解、背記概念和各種公式及其推導，從而淡化了實踐能力的培養和訓練。
三、基於CDIO模式的課程教學改革
（一）基於CDIO的課程教學改革體系建設
教學內容、課程講授、課程實踐和課程評價是機械系統設計教學改革的四個基本教學環節，根據CDIO的理念，結合「做中學」的指導思想以及機械系統設計課程特點，為每個教學環節明確具體的目標要求，在此基礎上，細化了相應課程環節的具體實施內容，並按照逐層遞進的實施途徑構建了基於CDIO的機械系統設計課程體系。
（二）模塊化的教學內容設計
CDIO倡導以項目設計為導向的人才培養模式，通過項目設計將整個課程的知識體系系統地、有機地結合起來。在機械系統設計的教學內容設計上，根據「項目驅動」和模塊化思想將課程內容劃分為導論模塊、總體設計模塊、動力系統設計模塊、運動系統設計模塊、結構設計模塊和整機綜合設計實踐模塊（見圖1）。
圖中，中間主魚骨代表6個課程內容子模塊，每個斜魚刺代表對應子模塊中的核心知識內容，是進一步細化的知識單元。在每個子模塊的知識單元中，包含了具有針對性和實踐性的實習項目和基礎知識單元，基礎知識單元主要解決完成實習項目所牽涉的必要知識問題，力爭做到以實習項目作為核心，將所有需要學習和掌握的知識都圍繞項目設計核心展開，並與這個核心融合在一起。在總體上，還要注意各個模塊上的相互關聯性，並通過最後一個整機的課程設計將課程知識體系形成一個有機整體。
（三）層次化的教學過程
基於上述機械系統設計課程模塊的知識遞進關係，在教學過程中採用分層次教學法。在第一層次，按照教學任務的要求有選擇、有目的的設計課堂講授、實例演示和分析等環節，讓學生在教學過程中理解和掌握核心知識單元的內容。在第二層次，通過每個課程模塊的項目實習，讓學生去構思所學的知識，設計具體課程模塊涉及的內容，並通過課上的講評和互評，進一步加深對課程內容的理解，達到「學中做」和「做中學」的目的。在第三層次，要完成整機系統的課程設計，這是畢業設計前的一次綜合的、系統的訓練過程，既要完成總體方案的構思、擬定，又需要完成圖紙的繪製與計算結果的校驗，使學生能夠更加深入地理解和掌握機械整機系統化設計的內涵和方法學。
（四）綜合型的課程考核
在課程考核方面，將考核內容細分並分配了不同的權重，具體為綜合考試0.4，課程設計0.3，設計作業0.15，方案講評與互評0.15。在執行的過程中，考慮到學時的限制，將學生按照設計作業進行分組，組內細化每個學生的任務，以團隊合作的方式完成項目的設計工作，課上進行小組間的互評和講評，並強化小組內每個學生的參與性，避免個別學生「搭車」。整個評價體系達到了對於學生的基本理論的理解與掌握、實踐能力和協作與溝通能力的綜合考查目的，實現了課程評價從結果驅動向過程驅動的轉變。
四、結論與建議
通過三年的教學實踐，基於CDIO模式的機械系統設計課程體系取得了較好的教學效果，學生能夠通過理論學習、項目實習、方案講評和課程實踐等課程環節的培養和訓練，真正地理解和掌握書本上的設計原則、規律和方法學，特別是以具體案例和項目驅動的「做中學」的實踐教學，讓學生致力於對工程問題的獨立思考和協調解決，充分調動了學生的主觀能動性，提高了學生的實踐能力和相互協作與溝通能力。本課程的改革得到的相關教學成果，可為機械專業的其他課程的建設提供借鑑作用。
[ 參 考 文 獻 ]
[1] 於鳳琴，黃華貴，左大為，陳雷.CDIO在軋鋼機械設計課程改革中的應用[J].教學研究，2012（6）.
[2] 曹兵.機械系統設計課程教學改革初探[J].大眾科技，2006（7）.
[3] 曹秒艷，盧秀春.基於CDIO模式的機械系統設計課程體系整合與創新[J].科技信息，2011（1）.
[4] 郝智秀，季林紅，馮涓.基於CDIO的低年級學生工程能力培養探索——機械基礎實踐教學案例[J].高等工程教育研究，2009（5）.
[5] 徐強.基於CDIO的機械製造模塊教學模式探討[J].合肥學院學報，2013（1）.
[責任編輯：鍾 嵐]
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