基于CDIO的机械电子工程专业实验教学探索与实践

朱学军+张庆玲+李富娟+史艳国

[摘 要] 围绕机械电子工程专业的培养目标，阐述了机电实验室引入CDIO教育理念后在实验教学内容、教学方法及教学考核等方面的探索和实践情况。实践证明，基于CDIO的机械电子工程专业实验教学不仅加深了学生对专业基础理论知识的理解，而且培养了学生的自学能力、团队沟通能力及创新能力。

[关键词] CDIO;教育理念;机械电子工程;实验教学

[中图分类号] G642.0 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634（2014）02-0104-03

CDIO教育理念诞生于工程教育系统运动过程中，从构思、设计、实现、运行四个环节培养工科人才，其不仅能够激发学生的学习主动性、增强学生的动手能力、提高学生综合利用所学知识发现-提出-分析-解决问题的能力，而且能够培养学生的团队协作精神和人际沟通能力。正是由于CDIO教育理念能够使学生综合素质和创新能力得到显著提升，很多高校实验室积极引入该教育理念，并且在教学实践中对实验内容、实验方法及实验室建设等方面进行不断的探索。然而，实验教学涉及专业、学科、学院、国家及国情等诸多组织和要素，各组织和要素不仅具有自身独特的教育环境和教育需求，且其相互之间的联系也具有复杂性，诸多组织和要素之间的相互作用既可以促进实验教学的开展，产生协同效应，也可以制约实验教学的开展，产生消极效应[1]。为此，结合燕山大学机械工程学院的实际情况，对基于CDIO的机械电子工程专业实验教学展开探索和实践。

1 CDIO教育理念的引入

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，具有国际先进性、实践可操作性、全面系统性及普遍适应性，得到了国际高等工程教育界的共识，已经成为一种国际先进的教育理念。我国高等工科院校的迫切任务是尽快培养与国际接轨的中国工程师，但在教育实践中普遍存在如重理论轻实践、强调个人学术能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而轻视开拓创新的培养等问题，尤其是传统的实验教学中更是存在实验课时不足、教学模式单一、实验内容缺乏创新性、实验室建设不完善等诸多问题，严重影响了学生实践能力与创新精神的培养。由于CDIO的教育理念能够让学生获得更宽更深知识的同时， 还能够逐步具备足够的人际交流能力、专业知识应用能力、产品和系统的构建能力，适应行业对人才的需求，所以并联机器人与机电系统实验室（以下简称“机电实验室”）作为机械电子工程专业教学、科研和人才培养的重要基地，于2009 年开始积极引入CDIO 教育理念，从培养目标、课程结构、实验内容、教学方法及实验教学评价体系等方面做了重大改革。

2 基于CDIO的机电专业实验教学改革与 实践

2.1 培养目标的确定

CDIO的12条标准之一即为以CDIO 工程教育为基本环境，强调技术知识和能力的教学实践要以产品、过程或系统的构思、设计、实施和运行作为工程教育的框架，使学生的基本个人能力、人际交往能力和对产品、过程和系统的构建能力达到专业设定的目标，并且满足企业对人才的需求。机械电子工程专业培养的是具有机械电子工程专业基础知识与专业技能，且能在生产一线从事机械电子工程专业产品的设计制造、控制开发、应用研究和生产管理等工作的应用型专门人才[2]。结合CDIO教育理念及机械电子工程专业的培养目标，机电实验室将以应用型工程师的人才培养目标为主线、以企业对应用型工程师的能力需求为导向、以企业生产一线创新意识和能力的培养为提升来定位实验教学的能力培养目标。

2.2 实验教学内容

CDIO教学理念注重一体化教学，强调能力培养，同时要求培养计划的设计做到各学科之间相互支撑。随着科学技术的发展，机械电子工程专业越来越多的与电气、控制、通信、材料及系统学等学科进行交叉。因此，实验教学特别重视基础训练、拓宽专业，重视综合实践性以及系统设计开发能力和创新能力的培养，合理构建实验教学内容。

1）加强原有的专业基础类实验，开设课程三级项目。机械电子工程专业方向的课程设置主要包括三大知识模块：机械设计及制造知识模块、强电知识模块、弱电知识模块，所涉及专业课程繁多，倘若侧重理论教学而忽视学生的实际动手操作，则容易出现理论知识与实际应用脱离、学生感到学习枯燥的现象。所以，需要加强原有的专业基础类实验教学的同时，针对一门或两门课程设计三级项目，将实验融入到三级项目中，学生可以根据项目需要自行设计实验方案，这种基于项目的学习，改革了枯燥无味的呆板实验，给学生创造了更多动手动脑的机会，加深了对课堂理论知识的理解应用。

2）结合工程实际设计实验内容。随着现代化工业的发展，产品设计技术趋于数字化、信息化和网络化，生产自动化和智能化程度相当高，机、电、控已成为一个不可分割的有机整体，企业对机电类专业人才的工程能力和创新能力培养提出了更高的要求，培养适应性强且符合市场需求的创新型人才迫在眉睫[3]。因此，机电实验教学对机电专业工程应用型创新人才的业界需求进行分析，从市场需求出发来培养学生。打破各门课程的界限，拓宽实验内容范围，按照对学生综合创新能力培养的基本要求设计实验内容，为学生提供一种全新的工程应用教学环境。如结合工程实际，增设机、电、控综合实验，使学生学会综合应用流体传动、电气控制、PLC、机械工程测试、传感技术、嵌入式技术等多门课程的知识，并会使用各种实验设备仪器[4]。

3）完善机械工程研究实验平台，加强理论研究能力的培养。引入CDIO教育理念后，机电实验室不断完善机械工程研究实验平台，为学生提供充足的实验设备和计算机，制定具有综合性、设计性、应用性及研究性的实验教学内容，使学生在实验过程中能够结合相关技术进行系列理论研究，开发学生创新思维，激发学生探索新的理论知识，锻炼学生的自学能力、增强学生综合运用知识的能力，从而培养出具有机械电子工程领域较强实践操作能力及扎实的理论分析能力的综合性人才。

2.3 实验教学方法及考核方式

CDIO教育理念提倡基于项目教育和学习的新型教学模式，注重培养学生的工程能力、职业道德、学术知识、运用知识解决问题的能力、终生学习能力、团队协作能力、交流能力和大系统掌控能力，从而培养既有过硬的专业技能，又有良好的职业道德的国际化工程师[5]。为此，机电实验室采取以学生为主体，以教师为主导，知识、能力、素质协调发展的教学方法，发动学生参与实验教学和管理，培养学生的主人翁精神和意识;采用多方面、多样化的综合考核方式，不仅对学生进行考核，还要对实验教学人员进行考核，各个环节的考核结果相互融合，不仅能够实现对学生的技术能力、工程素质、交流与沟通能力、团队协作能力和创新能力的全面考核，也能够提升教师的技术应用能力，提高技能操作水平，积累工程应用经验。

2.4 实验教学案例

实验教学是高校培养人才战略方案中不可或缺的教学环节， 也是培养学生综合能力的重要环节，以上从培养目标、实验教学内容、实验教学方法及考核方式等方面论述了机电实验室引入CDIO教育理念后所采取的改革措施，下面以机电一体化专业核心项目体系的实施为例，谈谈机电实验室引入CDIO教学模式后的教学实践。

该项目以《机电一体化系统设计》、《单片机原理及应用》和《机器人》三门课程为核心设立，包括两个实施阶段，其中在三级项目阶段，学生以团队的方式自主完成以嵌入式计算机（单片机）控制系统为核心的机电一体化产品—智能小车的构思-设计-制作-调试运行;在二级项目阶段，学生运用四周时间，进行自主创新研发，自主设计集成一个取料手爪或运料的自动翻转车厢，将智能小车升级成为移动式的抓取机器人和移动式搬运机器人，通过进行机器人运动控制规划，控制机器人完成一系列复杂的动作，如手爪张合、车体回转、智能循迹和避障、协同作业等任务，最终由两个机器人协作配合完成一次物料的抓取和运送任务。学生自主完成从方案设计、详细设计、加工制作到集成调试的全过程，最后以分组比赛的方式验收。项目进程的具体计划及考核方式见表1。

3 教学实施体会

通过总结和研讨，发现机电一体化专业核心项目的实施不仅使学生掌握了机电一体化相关的基本理论和技能，还使学生能够熟练运用系统的有机集成技术进行工程设计。同时，加强了团队协作能力，提高了思考与决策水平，具备了解决实际问题的能力和终身学习的能力。之所以能够取得如此理想的教学效果，主要原因还是在于实验教学中引入了CDIO先进教学理念，突出表现在以下几点：（1）在实验教学过程中，以学生为主体，培养学生自主学习能力，教师爱护和保护学生的好奇心和求知欲，对学生学习方法进行适时地指导，从而使学生积极主动地获取知识，逐步掌握千变万化的机电技术，适应信息社会飞速发展的需要;（2）注重学科之间的有机融合，教师整合机械设计、机电控制、电路设计等方面的实际经验，给予学生科学系统的指导，使学生在实际操作中通过不断的探索获得新的知识，进而培养学生系统设计的能力;（3）学生自愿分组，组内成员分工不同，遇到问题开放交流，培养学生的团队协作能力;（4）综合运用多种考核方式，促使学生将设计和思考的内容以多种多样的方式展现出来，注重应用和实践，对设计作不断的修改和完善，从而达到创新的目的。

明确的实验教学培养目标+高水平开放性研究项目+详尽可行的项目实施计划+全过程多方位的实验教学考核方式，既保证了学生对基本能力的掌握，又为有兴趣和有才华的学生提供了无限能力发挥和发展的空间;不但保证了大批量合格机电工程师的培养，同时也实现了以学生为主体的个性化培养。实验教学改革是一项长远的系统工程，需要多方配合，不仅需要大量资金的支持，还需要建设一支高水平的教师队伍，不但需要得到学校的高度重视，还需要学院内包括学生科、科研科和教务科等部门之间相互协作。只有多方进行不断的共同努力和长时间的探索与实践，CDIO机械电子工程专业的实验教学才能不断完善和发展。

参考文献

[1]潘柏松，胡珏，秦宝荣.基于协同理论的CDIO工程教育模式探索—以机械工程及自动化专业为例[J].中国大学教学，2012，（5）：35-38.

[2] 杨亮亮，路丰瑜，刘宜胜，等.《实用运动控制技术》课程改革研究[J].中国科技博览，2012，（5）：185-186.

[3]刘思远，姜万录，陈刚，等.基于CDIO项目式教学的课程改革与实践—以电气传动与控制课程三级项目教学为例[J].教学研究，2012，35（3）：44-46，73.

[4] 沈瑜，李晶，高晓丁.机械类自主式综合实验教学模式的研究与探讨[J].高校实验室工作研究，2012，（4）：17-18，27.

[5] 查建中.工程教育改革战略“CDIO”与产学合作和国际化[J].中国大学教育，2008，（5）：16-19.