基于CDIO模式的数控创新实验教学探讨

2012-08-29杨金林陈元斌王惠姣聂三军竺志超

装备制造技术 2012年8期

杨金林，陈元斌，王勇，王惠姣，聂三军，竺志超

（1.浙江理工大学，a.机械基础实验教学中心；b.自动化研究所，浙江杭州 310018；2.杭州中策橡胶有限公司，浙江杭州 310018）

数控技术是现代制造技术的基础，是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，其广泛的使用，给机械制造的生产方式、产品结构及产业结构带来深刻的变化。随着我国国民经济的高速发展，数控机床的应用急剧增加。高校作为培养人才的重要基地，针对数控人才的培养，必须不断创新教学模式，以满足市场经济发展及企业的需求和时代的要求。

浙江理工大学在建设国家级机械基础实验教学示范中心过程中，划拨部分资金开展了20个创新实验项目，数控创新实验项目也是其中之一。笔者在该项目的实施过程中，从学校实际出发，以CDIO工程教育理念为导向，对数控创新实验教学进行了研究与实践。

1 CDIO工程教育模式

CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate）这4个英文单词的缩写。其中：

构思，包括顾客需求分析，技术、企业战略和规章制度设计，发展理念、技术程序和商业计划制订；

设计，主要包括工程计划、图纸设计以及实施方案设计等；

实现，是将设计方案转化为产品的过程，包括制造、解码、测试以及设计方案的确认；

运行，则主要是通过投入实施的产品对前期程序进行评估的过程，包括对系统的修订、改进和淘汰等[1~3]。

CDIO作为国际先进的工程教育理念和模式，从2005年开始被我国高校引进，2008年教育主管部门开始有组织地研究、交流CDIO理念，实验其做法，成立专家组指导有关院校开展试点工作。

我国汕头大学工学院在顾佩华教授的率领下，2005年起引入并实施CDIO工程教育模式，2006年1月下旬，CDIO委员会经过严格审查，一致同意接受汕头大学成为中国高校第一个CDIO成员。

清华大学工业工程系教授顾学雍博士在《数据结构》和《数据库技术》两门课中，创造性地采用CDIO方法教学。这两门改革前经常被学生评为最差的课，改革后首次被评为最优。

以上两例都说明，实施CDIO教学方法，在一些高校已取得明显效果[1-2]。

CDIO以产品研发到运行的生命周期为载体，让学生积极主动地通过实践环节掌握相关知识和能力的学习模式，注重培养学生的工程基础知识、个人素质、发展能力与协作能力以及工程－社会大系统适应与调控能力四大能力。

CDIO系统地提出了极具可操作性的12条标准并有相应的培养大纲[2,4]。

2 数控创新实验教学存在的问题

数控实验教学，是一门实践性很强的课程，传统教学中存在以下的问题：

（1）教学内容抽象、干瘪。教学中验证性内容偏多，设计性、综合性和探索创新性实验内容偏少，应用性不强，使得学生对不同的零件、不同的材料难以合理制定工艺和正确编程，对各种加工方法也知之甚少，影响学生创新能力的提高；

（2）教学方法单一。数控教学的传统教学是一种完全以教师为中心的传授接受式教学模式，效果不理想，不利于技术的掌握，难以激发学习兴趣，调动学生的学习积极性；

（3）实验项目中各个知识点之间，缺乏有效的衔接和延伸。系统性不够，不利于学生对知识的掌握和应用，对基本概念缺乏深层次的理解，对数控编程、操作、加工之间的联系，缺乏系统的掌握；

（5）实验教学的考核不到位。目前大多数高校实践考核只注重结果的考核，没有对实践的过程进行考核，不能真正考核学生的真实水平。没有对实验过程中吃苦耐劳、团队合作等职业素质的考核，而这些，恰是当前多数企业重要的用人标准之一。

3 基于CDIO模式的教改实践

中心在数控创新实验教学过程中，在教学内容上，主要是探索创新性实验，以提高学生创新能力。

教学方法上，以学生讨论、答辩为主体，充分调动他们的学习积极性。

实验项目上，将零件设计、工艺、编程、操作和加工各个知识点有机衔接成一体，使他们系统地掌握数控技术知识。聘请杭州傲立机械、杭州中策橡胶等企业的工程师，直接给学生授课，以企业实际加工零件作为对象，针对工程，实际培养同学们的“工程”概念。

实验考核上，实行项目全生命周期考核，不仅考核实验结果，更注重实验过程中个人能力的发挥。

每一个实验项目，均采用构思、设计、实施和运作4个阶段来实现。

构思阶段，要学生明白自己做什么，并考虑怎样做。

今年70岁的翟大姐，早在年轻时赚足了自己所需的钱，大可不必到处奔波，但是看到农民高兴，翟大姐自己就觉得非常有成就感。那么翟大姐的销售之路都是一帆风顺的吗？事实并非如此。当记者问起翟大姐是否遇到过一些困难时，翟大姐激动地向记者讲述：“那可多了。因为我卖的化肥是大厂家正规的肥，相对来说比较贵，当时都和农民说好了价格。后来不曾想有外县的人来我们县低价砸货，砸得我一点利润点都没有了，当时我心里很憋屈。但是，我回过头来一想，只要农民用得好，无论是用谁的肥，只要他把地种好了，我就高兴了，我没有利润就没有吧！”

设计阶段，要求学生自己设计项目实施方案。

实现阶段，要求学生自己动手完成项目。

运作阶段，根据任务要求，对学生完成情况进行评价和反馈。

下面以来自企业实际产品的“橡胶模具零件数控加工”为例，来介绍学校基于CDIO模式的数控创新实验教学的实施过程。

3.1 构思（Conceive）阶段

参与数控创新实验的同学，都是在大三上学期，已经完成大部分专业基础课程学习，对数控技术有了一个大概印象，但由于接触专业课程时间不长，对行业研究热点不够敏锐。为此，我们特地邀请杭州中策橡胶有限公司的工程师，作为大家实验的辅导教师，回答学生的疑问，帮助同学们在实验过程中解决发现的实际问题。同时要求学生充分地利用学校内部的数据库资源、网络资源等，查找橡胶模具相关的资料，并且进行汇总整理，以报告的方式提交或在课堂上分组讨论。

在这个过程中，锻炼了学生收集资料、提炼资料、展示自我的能力。最后根据实际企业任务目标，构思出企业要求的橡胶模具零件的结构，并将学生按照3～4人一组，组成团队，进行该产品的可行性分析、功能分析和零件建模，以图纸的形式，给出零件的初步结构设计。

3.2 设计（Design）阶段

在此阶段，完成项目实施计划。学生分组建立学习小组，小组讨论编写计划书，进行任务描述，说明任务目标，制定零件的加工工艺方案（包括毛坯准备、机床选择、工装夹具选择、零件加工工序流程等）。在接下来项目设计及实施过程中，加工工艺辅导教师（全部来自杭州傲立机械有限公司的工程师）通过要求大家定期汇报或不定期讨论的方式，来解决实施项目过程中存在的问题。

根据学生制定的方案，教师进行点评，讨论实施计划的可行性，并及时反馈，学生进行修改，如此反复，最终确定项目完成计划和实施方案。

3.3 实现（Im plement）阶段

在此阶段，完成零件的数控加工检测。每组根据前一阶段定下的分工内容，参加实验的同学用CAM软件完成零件数控编程，经小组讨论认可程序无误，并经过软件仿真后，输入数控机床，安装毛坯和工装夹具，将零件加工出来，然后通过三坐标等测量仪器给出零件的测量报告。

整个过程中，要求同学们注意实际生产安全，考虑各种外界因素（如转速、进给量、冷却等），对产品最终加工品质的影响，同时将最终加工好的零件，与前面的设计进行对比，看看是否符合企业的要求。

3.4 运作（Operate）阶段

每个小组成员，按照任务书要求进行汇报，根据CDIO评估方面的标准11和标准12进行评估,评估包括学习评估和项目专业评估两个方面[5]。在学习评估中，可以考虑在整个项目从构思、设计、执行、实施过程中，学生个人学习经历和人际关系技巧、产品、生产流程、系统构建技能以及团队合作知识等方面，进行综合评估。

专业评估由结题专家组（由各个阶段的实验指导教师组成），通过对该项目提交的资料、成果以及最终的结题答辩情况进行评定，得到学生的综合成绩。各个考核指标及分值如表1所示。

表1 项目考核指标及分值分配

通过上述4个阶段，把学生所学过的分散的数控相关知识，以一个完整项目的形式串成一个有机的整体，调动学生学习的积极性与主动性，培养学生合作交流和团队合作能力。

在实施整个CDIO教学过程中，是理中有实，实中有理，工学交替在“做中学”。项目实施过程中，学生们具体的学习内容及能力目标，如表2所示。

表2 项目学习内容及能力目标

4 数控创新实验教学改革的特色

所开展的基于CDIO模式的数控创新实验教学的实践活动，具有以下特点：

4.1 转变了教学观念，培养了学生工程观念

在CDIO理念中，培养学生工程观念是一个关键的步骤[6]。我们通过聘请企业工程师作为学生实验指导教师，并将企业要求的实际产品作为实验对象。要求教师在教授的时候，需要理论联系实际，逐步深入，突出工程设计的意识和思维过程，让同学们真正弄清各单元操作工程理论的来龙去脉、培养了学生的工程设计能力，同时又锻炼了学生分析解决工程操作型问题的能力，培养学生的工程观念。另外，也同时提高了数控实验教学师资队伍的能力和素质。

4.2 营造了开展创新活动的氛围

以项目为中心的实践教学，培养了学生的创新能力。在数控实验教学中，采用以项目为导向的教学。师生通过共同实施一个完整的项目工作，而进行的教学活动，其将学习者融入有意义的任务完成过程中，让学生有目标地自主学习；从结构设计建模—工艺设计—数控编程—仿真与实际加工—产品品质检测等多方面，进行综合实践，在每一个阶段，都为学生提供一个展现才华的空间。