机械设计专业基于CDIO教学理念的项目式教学体系改革

汪飞雪等

摘要：以国际先进的CDIO工程教育理念为指导，结合机械设计专业的特点，考虑课程的衔接关系，完成了以项目实施为主线的课程体系改革工作。以培养学生为本、以提高教师的责任意识和师德意识为核心、以教学改革立项为依托，完成了三级项目[CD*4/5]二级项目[CD*4/5]一级项目的全面实施，取得了可喜成果。

关键词：CDIO；课程体系；机械设计；项目式

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：10054634（2015）05008705

0引言

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。CDIO（ConceiveDesignImplementOperate）以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程1，2：。2005年起，我国开展了CDIO工程教育模式改革的研究和实践35：。燕山大学是国内首批加入CDIO教育改革的高等院校之一，并作为机械专业类小组召集单位于2007年即开始实施基于CDIO模式的教育教学改革。目前，机械设计专业已完成了基于“CDIO”理念的教改方案建设，实施了部分教改立项，完成了专业课程体系的构建，设立了形式多样的实物项目，全面培养了学生的各项能力，取得了良好的教学效果。

1课程体系的构建

机械设计专业的特点是宽口径，不像其他产品专业具有非常明显的研究对象，就业面也很宽泛。为此，笔者设置的专业课程主要包括4方面的内容：（1）设计类课程：机械设计学，机械系统设计，掌握各种典型机械系统的设计；（2）制造类课程：机械制造工程学，完成典型零件的设计加工；（3）分析类课程，包括弹性力学、机械系统动力学，完成机械设备静力学和动力学分析；（4）计算机类课程，计算机辅助设计、现代设计技术，完成三维模型建模，有限元仿真研究。基于此，在课程学习过程中，以5～10人为一组，二学期为一周期，进行项目式培养。通过典型设备设计、制造、加工等，掌握现代设计理念和设计方法，让学生了解现代设计理论与方法的基本原理和主要内容，培养二维、特别是三维设计能力，掌握机械优化设计和有限元分析方法，能够对一般难度的机械设计问题进行优化建模并能够利用MATLAB进行优化求解；能够对于机械设计中的结构强度问题、结构动力问题进行建模并能够利用商用有限元软件进行求解。图1所示为课程体系改革拓扑图。每门课程都开设有三级项目，在此基础上完成机械系统设计及制造二级项目，该项目完成设计、制造、分析优化等环节，最后一学期完成毕业设计一级项目。所有项目设置根据实际情况可做调整，图2所示为课程体系项目设置。

2改革建设与成效

2.1三级项目

三级项目是跟随本门课程设置的小型设计性项目。以机械设计学课程为例，该课程的教学目标是“使学生初步具备提出创新构思并将其尽快转化为有竞争力产品的能力”，教学主线是“产品功能原理设计—实用设计—商品化设计”，教学内容覆盖了产品设计的整个流程，但是由于机械设计学课程研究的是机械产品设计的共性问题，学生没有经过系统的机械产品设计训练，很难理解所讲授的知识内容，因而需要对教学方法进行更新、改进。为此，实施了仿生机械产品设计与实践的教改项目，将课程教学内容与项目式教学相结合，并交叉进行，让学生即学即用、学以致用，通过实际项目的设计，强化对所学内容的理解和掌握，有效促进机械产品设计与实践项目的实施，提高机械产品设计开发能力。在教改过程中，培养了学生多种能力：设计能力（功能原理设计，结构方案设计）；计算能力（力能参数计算、运动学、动力学分析）；创新能力；软件应用能力（数学建模、仿真分析）；动手能力（加工、安装、调试）；团队协作能力。项目的执行结合科技竞赛，很好的激发学生的参与积极性，共获得全国机械数字化工程设计竞赛一等奖1项，二等奖1项，三等奖4项，学生自主申报专利1项。图3所示为项目的实施过程，项目实施采用全过程追踪，包括项目申报、讨论、指导、汇报与验收等环节。图4所示为项目加工过程，图5为项目成果，该项目学生完成仿生机械产品10套。

2.2二级项目

二级项目是单独设课的综合性设计项目，机设专业主要是开设机械系统设计及制造二级项目，该课程涉及机械设计学、机械系统设计、机械制造工程学、计算机辅助设计与现代设计技术等多门课程的有机融合。一般而言，三级项目的设置是小型设备的设计、计算、分析、制造，而在二级项目的设置中，根据燕山大学重型机械的特色，学生研究大型设备的整体方案、结构设计、计算分析等。图6所示为课程设计总体思路及完成目标，图7为项目实施成果，包括大型设备的二维三维设计、主参数计算、典型工艺卡编制、静力学和动力学分析等。

2.3一级项目

一级项目是融合学生四年所学基础知识与专业知识设置的大型综合性项目。2014年，机械设计专业方向试点进行了毕业设计一级项目改革，以校企合作项目为背景，完成了“4层9车位升降横移立体车库”1∶24模型的研制，旨在培养学生运用理论知识与工程实际相结合的能力，设置了方案论证、可行性分析、零部件采购加工节、电控程序编制、集成装配等环节。方案论证环节采取现场答辩形式，充分调动学生的主动性，培养学生的创新意识；可行性分析环节增加了产品的预算评估，增强学生的成本控制意识；零部件采购加工环节由学生独立完成，使学生了解整个产品加工制造的全过程。做为机械类学生，电气控制是项目实施过程中的难点，学生不仅要熟悉CPU、PLC、I/O模块、触摸屏、行程开关等电子元器件的使用方法，短时间内还要自行编制控制程序和操控界面，这一环节在拓展学生知识面的同时进一步提高了学生的自学能力。集成装配环节主要锻炼学生的动手能力，同时发现设计中的不足之处，进而完善以培养学生独立解决问题的能力。图8为毕业设计一级项目实施过程，图9为项目成果。

3结束语

多年来，燕山大学机械设计专业一直以培养适应社会需求的创新型、复合型、应用型人才为目标，探索教学模式改革并取得了显著成效。借鉴国际先进的CDIO工程教育模式，以教学改革立项为依托，以项目式的教学改革为切入点，对教学内容进行了调整和融合，构建起了专业主干课程三级项目[CD*4/5]二级项目[CD*4/5]级项目相结合的项目式教学体系。该体系以机械产品设计流程为向导，以学生兴趣为驱动，学中做，做中学，提高了学习效果；各级项目设置多样化、自主化，考虑个性，兼顾共性；实施过程中将功能原理设计[CD*4/5]实用化设计[CD*4/5]商品化设计[CD*4/5]产品制造调试相结合，综合培训学生设计能力与工程素养，受到广大师生的好评。[FL）]

参考文献

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[3] 顾佩华，包能胜，康全礼等.CDIO在中国J：.高等工程教育研究，2012，（[KG-*6]3）：2440.

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