面向CDIO的工程图学教学改革

郭长虹， 赵炳利， 李兴东， 姜桂荣

（燕山大学机械工程学院，河北 秦皇岛 066004）

面向CDIO的工程图学教学改革

郭长虹， 赵炳利， 李兴东， 姜桂荣

（燕山大学机械工程学院，河北 秦皇岛 066004）

CDIO是当前高等教育的新型人才培养模式，以培养国际化工程师为目标。论文介绍了当前图学教育中存在的弊病和 CDIO人才培养理念，结合燕山大学等高校实施CDIO教学改革的实践，提出一系列基于CDIO的工程图学教学改革措施。实验证明，该教学模式对于启发与培养大学生动手能力和创造性十分有效，为后续专业课程的学习、毕业设计与科研工作奠定良好基础。

工程图学；CDIO教育模式；立体动态教学平台；交叉授课

1 目前图学教学的现状分析

老师们在毕业设计中发现比较典型的问题是：① 方案设计阶段，不少学生感到无从下手，不会表达方案草图，徒手绘图能力较差；② 详细设计阶段，不会表达装配图，如选择主视图和其他视图等。拆画零件图时，不能把零件图与装配图联系起来，导致零件图的结构与装配图不一致；③ 对标准件、常用件的表达，特别是某些规定和简化画法没有掌握好；④ 尺寸、尺寸公差和形位公差标注存在较多问题，重复、漏标、不规范等。运城学院的图学教师曲尔光等也认为：“许多机械制造专业毕业的大学生甚至研究生都画不出能用于生产的图纸……”[1]。

据麦肯锡咨询公司的一份研究报告统计，中国工科毕业生只有不到 10%适合跨国公司的工作。在对企业所做的调查中，不少企业责怪“学校的毕业生花拳绣腿，设计出来的东西不切实际，处理问题思路理想化，如结构不合理，装拆不方便，表达不完善等”。

造成这种局面的原因是传统的工程教育，在很大程度上重理论轻实践，忽视团队协作精神和创新能力培养，与创新型人才的培养目标不相吻合。而CDIO的工程教育模式的改革显然符合了当前工程教育改革的趋势。这一改革使知识传授与能力培养融合在一体化的教育过程与课程实施之中。为此，燕山大学机械工程学院参照外资企业和国产大中型企业对高技能人才的界定，积极借鉴国内外先进教育理念，不断实践，形成具有特色的CDIO工程图学课程体系。

2 CDIO工程教育模式的借鉴和引入

2.1 CDIO的工程教育理念

20世纪末一些国家纷纷进行工程教育模式改革的探索。2000年，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学，经过四年的探索研究后，提出了CDIO工程教育模式，并成立CDIO国际合作组织。2005年，加拿大工程院院士顾佩华率先将CDIO教学理念引入汕头大学。2008年5月在汕头大学召开了“中国 CDIO工程教育模式研讨会”，出席研讨会近一百所院校的二百多位高校校长一致认为：中国的工程教育，需要学习国际先进经验，加大改革力度以适应创新型国家建设的需要[2]。由此，我国工程教育改革应用 CDIO模式掀起新高潮。

2.2 注重综合素质的培养

CDIO是“构思(Conceive )—设计(Design)—执行(Implement)—运作(Operate)”的英文缩写，其本意是代表一种工程教育模式。构思即针对工程实践，让学生掌握专业知识的基本原理，确定未来发展方向；设计即以产品设计与规划为核心，通过研发，拟解决某一具体的问题；执行即以制造或建造为核心，组织一体化的课程实践，其中包括学生必须掌握的理论知识与实践能力；运作即产品应用的各个环节。它以产品的研发到运行的生命周期为载体，通过系统的产品设计培养学生专业技术知识、个人能力、职业能力和态度、团队工作和交流能力等。CDIO培养大纲，将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、团队能力和工程系统能力四个层面。这些要求，是直接参照工业界的要求。如波音公司的素质要求，以及ABET（美国工程与技术认证委员会）的标准EC2000而制定的。这个目标是全方位的，涵盖了在组织中从事工程工作所需的综合素质。目前一些公司专门为CDIO毕业生制定了高于其他教育模式毕业生15%的工资标准，表明产业界对此种CDIO教育模式的肯定[3]。

2.3 密切联系产业

CDIO教育模式以产业需求为导向，教学内容和方法与产业发展同步，理论和实践相结合，以培养适应产业发展的合格的工程人才为目标。CDIO标准直接参照工业界需求，其中构思、设计、实施、运行4个环节就是企业的产品开发流程。同时CDIO模式要求教师具有较好的工程实践能力，能够不断更新工程能力。CDIO模式也要求不断听取来自产业的反馈信息，不断完善教育教学。CDIO模式是融于产业发展并与之同步的工程教育模式。

3 基于CDIO的工程图学教学改革

CDIO模式强调对学生综合能力的培养和密切联系产业等特点，对我国工程教育有较好的启示和借鉴作用，并在我国工程教育界产生了很大的反响，汕头大学、清华大学等率先进行了CDIO工程教育改革，并取得较好的成效，目前已有更多的高校参与到CDIO工程教育改革之中。2005年燕山大学机械工程学院院长赵永生教授也带头提出各门课程的CDIO教学改革。我们重新审视了多年来制图改革所取得的长处和不足，参照CDIO模式又切合我校特点制定了基于CDIO的工程图学教学改革措施，并不断完善，已取得了可喜成绩。

3.1 加强教学团队建设，提倡交叉授课，注重教师队伍综合素质的培养

学习发达国家做法打破教研室概念，组建复合型制图教学团队，吸收专业基础课、专业教师加入，更贴近专业发展。同时原制图教师通过学习提高，不再单一从事制图类课程教学，也从事相关专业基础课、专业课和生产实习、毕业设计指导等教学工作。

复合型制图教学团队的建立，以制图类课程为主线，搭建了基础课与专业课之间的桥梁，实现了制图课程和专业课程的纵向贯通，促进学科基础知识与专业知识的互相渗透和有机结合，有利于合理使用教师资源。同时积极提倡教师进行课程交叉，优化和整合教学内容，承担机械原理和机械设计等课程的课程设计实践环节，这样可以极大丰富和充实制图教师的讲课内容，提高教学质量和教学效率，有助于培养学生的创新意识和工程实践能力，激发学生学习兴趣和热情。

CDIO模式的实施也对教师提出极高的要求，要求教师们具备丰富的工程实践经验，能长期地与企业在各个领域开展合作，并且要对CDIO模式有深刻理解。因此，我院做出相关培育师资力量的规定，比如让教师尤其是青年教师到企业挂职锻炼，并与职称评定、考核晋升等管理制度挂钩，为教师提供很好的发展机遇和机制，到企业进行工程实践，提高自身的教学能力、工程实践能力等综合能力，进一步促进CDIO模式的有效实施。

目前高校在固定资产管理这一环节操作相对混乱，由于大部分工作由人工操作完成，再加之管理理念的相对落后，所以管理权责存在分配不清、落实不到位等等问题。有些高校表现出固定资产管理工作人心涣散或人手不够等等问题，这导致他们在固定资产科学管理配备方面无法保证工作任务执行到位，且在科学管理与价值管理方面也无法做到有效兼容，不能做到“谁使用、谁管理”。同时，其固定资产的采购合理性也相对偏差，在入库登记保管手续方面缺乏健全性，许多固定资产内容随意放置，这造成了校内固定资产的严重流失，间接促使高校出现严重经济损失。

3.2 拓展教学空间，引入典型科研项目

在学院统一安排下，制图教师担当相关课程的课程设计、机械创新大赛、专业实习和毕业设计指导等实践教学工作，使图学课程的教学空间得到拓展和延伸，形成了台阶式的教学模式。实践证明，这种模式使学生工程应用能力得以分阶段逐步提高。我校通过指导学生参加全国计算机三维数字建模大赛、大学生“挑战杯”等等活动，增强学生就业创新能力。

完善教学实践环节，将创新意识切实引入教学各个环节之中。首先习题集中补充和设计了一题多解构型设计题和结构创意设计等习题训练。其次丰富实践教学内容，在组合体、零件测绘等环节中引入创新设计和讨论，并将工程实际图纸引入到教学中，在装配图中也引入典型科研实例进行分析和研讨，使学生对工程图学课程的重要性和工程意识有了全新认识。

重新设计有关实验和项目训练，将校内教师典型创新科研项目进行筛选归类、解剖和综合分析及合理简化，分解出有个性的又简单易懂的装置，制作出示意模型，充分利用现代化教学手段，设计动画和计算机仿真试验等，将其恰如其分的引入图学教学实践中，进行各部件创作思想的推理、构思新想法。通过课题讨论提炼总结创新成果，书写条理清晰的方案分析、创作文挡，使学生达到理解、消化、吸收的目的，并理解科研创新的思路和过程，达到激发学生实践创新兴趣。这些训练都布置给学生以小组为单位作为课外大作业，考核成绩占期末成绩部分比例。学生通过项目创新设计思路的描述和分析讨论，将图学课程与专业课程体系有机的结合起来。

3.3 加强教学资源和网络化课程建设，搭建立体动态教学平台

工程图学网络在线系统的建于 2000年，与校园网相连，目前已建成教学软件包、学习软件包、虚拟实验室和教学管理软件包等。

教学软件包包括电子教案和计算机辅助答疑系统等，电子教案包括机器或部件的工作过程和分解的动画、视频，反映机械零件加工过程的录像、动画、图片和文字等信息。计算机辅助答疑系统是学生学习特别是远程教学必备的辅助教学软件，包括各种题型分析、解题指导、例题、动画和参考答案、习题解答等，并为相应习题配备了三维立体模型。

学习软件包包括电子教材和电子模型库。电子教材包含完整的课堂板书、动态解题过程和详尽的文字注解，还有平面图形和立体对照，可以模拟二维和三维之间的图形转化。拍摄了教学录像和实践认知录像等，最终形成多层次立体化的课程教材体系。电子模型库包含常见机械结构库、零件加工仿真库和装配体模型库等。最后还精选了162张画法几何和机械制图挂图，创建了优秀的三维动画教学挂图系统，适用于多媒体教学。

除了教学网站，我们还建有2个模型室，模型室里有各种典型组合体、零部件和各种装配体模型，如减速器、安全阀和齿轮泵等，可保证学生测绘等实践环节的顺利进行。该图学网络信息平台和丰富的教学资源，使得学生和老师们始终保持“不断线”的学习状态，有助于学生课堂之外的解惑解疑，是对课堂教学极有力的补充。

3.4 创建教学工厂实习基地，营造真实的教学情境

CDIO教育体系旨在培养工程素质，应将项目的全过程置于真实的生产环境中。为此，我院注重教学工厂型实习基地的建设，依托真实的生产环境实现教学与实习、学习与工作、理论与实践的有机结合。校园内建有实习工厂、引进符合专业发展方向的企业、各种国家重点实验室，校园外有燕大科技园和一些高科技企业，让学生在等同生产环境的教学环境下“真枪真刀”地学习和实训。这些教学工厂既是教室又是生产车间，真正做到“车间和实验室合一”。

在教学工厂中进行实际生产，让学生在真实的生产过程中掌握专业技能；让教师参与项目研制与生产，使教师的技术更新与企业同步；让学生参与项目制作，让学生在做中学，学中做，构建属于自我的过程性知识。

引进企业的管理理念和企业文化，用之管理教学工厂中的教学环节，让学生在企业环境中养成良好素养，掌握管理知识，形成企业管理经验，真正做到教学管理与企业运营合一。

3.5 建立模块化教学方案，保证项目制教学的运行

为保证CDIO课程体系的运行，必须制定可执行的教学方案。我院各专业每年3～4月召开企业专家研讨会，倾听企业专家对专业课程体系建设的意见，梳理教学工作任务；5月举办专业教学计划修订研讨会；6月举办由企业与学院共同参与的教学方案审定会议，进而形成了模块化、项目制的教学方案，推进了CDIO工程教育模式在我院的施行，切实加强学生的综合职业能力培养。

3.6 增强合作意识，培养学生团队精神

美国国家自然基金会资助康乃尔大学、斯坦福大学、加州伯克利大学等8所院校承担的工程教育综合改革项目。其中斯坦福大学的工程图学教学内容与我们相近，但制图和构形设计融在其他课程设计中，使该课程与工程实践紧密相连。课程设置强调对能力的培养，并贯穿整个培养体系，这对我们很有启示[4]。

为了培养学生的合作意识和团队精神，在工程图学增加的构形测绘环节和小型设计作业，我们安排学生以小组为单位，一个小组合通常由4～6个学生组成，共同完成不同规格、类型的减速器等装配体的零部件的尺寸测绘和构形设计，计算机建模，最终绘制装配图和计算机模拟仿真，最后每人提交一份设计报告或小论文，进行项目总结交流，实现经验分享，并拓展学生的知识，培养了学生的语言表达等沟通协调能力。让学生自由组合，确定组长，明确分工，从而让学生学会分工、学会计划、学会协调、学会沟通，提高学生的组织能力、团队合作，最终的成绩是以小组的设计作品为评分依据，同组组员得分相同。通过类似的这些活动，调动学生的主观能动性，并增强了与他人合作的意识，培养了团队精神。

4 CDIO工程图学教学改革的效果

基于CDIO的工程图学教学改革，强化了学生综合素质的培养，尤其是对现代企业所需工程技能的培养方面起到很大的作用，有利于培养高素质、具有可持续发展潜力的创新人才。我们经过不断的教学改革和实践，完成了两项工程图学教学成果，并获得省级优秀教学成果奖。指导的学生在机械创新设计大赛和全国大学生先进制图技术与技能大赛等大赛中多次获奖。工程图学课程也被评为河北省省级精品课程。

[1]章毓文. 工程图学教学体制现状分析与解决办法的思考[J]. 工程图学学报, 2006, 27(4)：145-149.

[2]焦永和, 张 彤. 我国高校图学教育的现状与发展[J].工程图学学报, 2004, 25(4)：126-130.

[3]章毓文. 工程教育要与国际接轨[C]//机械类课程报告论坛交流文集. 武汉：华中科技大学出版社,2006：56-57.

[4]梁圣复, 李慧莉. 设计图学课程教学改革与实践[C]//机械类课程报告论坛论文集. 北京：高等教育出版社, 2009：3-8.

[5]张瑞林, 魏晓波. 制图类课程发挥教师主导作用培养学生综合能力的探索与实践[C]//机械类课程报告论坛论文集. 北京：高等教育出版社, 2009：52-54.

[6]郭坤州, 尚建中, 徐晓军, 等. 基于网络环境的工程制图学习平台建设的探索与实践[C]//机械类课程报告论坛论文集. 北京：高等教育出版社, 2009：29-34.

[7]刘晓杰, 李庆华, 贺春山, 等. 工程图学教学中工程应用能力培养的探索[C]//机械类课程报告论坛论文集. 北京：高等教育出版社, 2009：13-15.

[8]石加联. 画法几何及机械制图教学质量保障体系的构建与实践[C]//机械类课程报告论坛论文集. 北京：高等教育出版社, 2009：47-51.

[9]谭建荣. 论工程图学在建设创新型国家中的作用[C]//机械类课程报告论坛交流文集. 武汉：华中科技大学出版社, 2006：4.

[10]童秉枢. 十年来工程图学教育界的若干思考与探索[C]//机械类课程报告论坛交流文集. 武汉：华中科技大学出版社, 2006：11.

Teaching Reform of Engineering Graphics Based on CDIO

GUO Chang-hong, ZHAO Bing-li, LI Xing-dong, JIANG Gui-rong
( College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinghuangdao Hebei 066004, China )

CDIO is a new pattern of current higher education, aiming at cultivating international engineers. The defects of current engineering graphics education and the thought of CDIO are introduced in the paper. A series of teaching reforms of engineering graphics based on CDIO have been put forward according to CDIO reform experiences in Yanshan University. The practice shows that such teaching model is very effective to inspire and cultivate practical ability and creativity of students. Meanwhile, it has also laid a good foundation for the follow-up courses,graduation design, even future research work.

engineering graphics; CDIO educational pattern; stereo-dynamic teaching platform; cross-teaching

TB 23

A

1003-0158(2011)05-0056-05

2010-03-17

燕山大学机械工程学院教学改革资助项目（2009ZD06）；河北省图学学会2011年资助项目

郭长虹（1977-），女，河北秦皇岛人，讲师，硕士，主要研究方向为航空宇航、CAD/CAM和图学。

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