基于CDIO机械电子工程专业人才培养模式改革与探索

管志光 苗秋华

山东交通学院工程机械学院 山东济南 250023

基于CDIO机械电子工程专业人才培养模式改革与探索

管志光 苗秋华

山东交通学院工程机械学院 山东济南 250023

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新研究成果，它以产品研发到产品运行改良乃至终结废弃全生命周期为载体，培养学生的学术知识、学习能力、团队协作能力。通过CDIO工程教育模式分析，对山东交通学院机械电子工程课程体系、专业人才培养模式和实验室建设按CDIO模式进行创新，使学生具备了一定分析和解决问题的能力、自学创新能力和工程实践的能力，实现应用型人才培养的整体目标。

CDIO；机械电子工程；人才培养；课程体系

山东交通学院是“山东特色名校工程”重点建设的应用型人才培养特色高校，教育部“应用科技大学改革试点战略研究”项目首批试点本科高校。在此背景下，我校提出培养“具有成长力的一线工程技术人员和管理者”的应用型人才培养目标，并对本科专业人才培养方案进行了全新优化，构建了以“大平台、小模块”为主体，以学生能力尤其是创新创业能力塑造为核心的课程体系。然而，近年来由于我校生均教学条件局限，实践性很强的机械电子工程专业教学模式在“厚基础、宽口径”口号驱动下，变形为“大量的大课堂理论+少量的实验课”教学模式，这种大量的“纸上谈兵、粉笔教学”不可避免造成理论教学与专业实践能力培养脱节、专业课程教学内容与学科及高新技术发展存在差距，人才培养与社会发展需求不匹配等现象。当前，我校机械电子工程类课程的教育存在重理论轻实践、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。

（1）实践教学环节薄弱

对应用型人才培养模式和实践教学环节的重视程度不够，适应高素质应用型人才培养的教学手段和方法落后。

（2）专业教材、课程教学内容需进一步调整和完善

随着科技发展日新月异，一些新技术和方法、新设备、前沿知识难以及时进入教材，使得学生不能及时掌握，造成“大学学的很多知识没用，有用的知识又没学到”的现象。

（3）实验室资源利用效率低

对于机械电子工程类项目，项目研究工作较枯燥乏味，学生不愿意到实验室进行实验研究，缺乏开拓创新精神，导致许多实验设备等资源使用效率低下。而且由于学生实际实践经验及理论知识的欠缺，较多本科生不能参与到教师的科研项目中，得不到实践锻炼。

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代表构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和操作（Operate）［1］，它以产品研发到产品运行改良乃至终结废弃全生命周期为载体，培养学生的学术知识，学习能力、团队协作能力、系统掌握能力。CDIO倡导“做中学”和“基于项目教育和学习”的新型教学模式。2005年，汕头大学工学院开始学习研讨CDIO工程教育模式并加以实施，已经取得明显的效果［2，3］；清华大学的顾学雍教授在数据结构和数据库系统原理两门课程中采用CDIO教学方法［4］，取得满意的教学效果，增强了学生的自学和解决实际问题的能力，协调沟通和团队协作的能力。国内外的经验表明CDIO的理念和方法是先进可行的，适合工科教育教学过程的改革，按CDIO模式培养的学生尤其受欢迎。为此，机械电子工程专业开展以项目为主线的CDIO工程教育模式，树立CDIO“教学做”创新理念，在教学体系上注重经典理论传承与创新理念培育的合理传递，教学内容上把先进知识和实用技术进行相互融通，教学方法上，通过CDIO培养模式，学生具备了一定分析和解决问题的能力、自学创新能力和工程实践的能力，实现实用型人才培养的整体目标。

1 基于CDIO理念的机械电子工程专业课程体系建设

根据机械电子工程专业培养目标、发展方向及学院的实际，坚持以学科专业建设为主线，企业参与人才培养过程，围绕“提高学生工程意识与实践能力”中心，将工程实际项目作为教学的主要内容，经过理论学习、实际操作以及技能训练3个教学步骤的实施，让学生牢牢掌握相关的知识。培养机电一体化技术应用型人才，构建以机电产品设计与制造为主线的面向工程应用的机械电子工程类专业课程体系（如图1所示）。

在课程体系设置过程中，以CDIO理念为主线，课程体系打破传统的方式，强化了创新实践能力，强调课程内容的动态性和先进性，如电气传动与PLC、工程机械单片机技术等课程。将所有的实验课程按照基础性实验、专业综合性实验、自主设计性实验、创新性实验4个层次整体设计，逐步形成层次分明的实验课程体系。通过开设不同内容的设计性实验项目、学科基础课程设计和专业课程设计，直至毕业设计等，强化4年不间断的设计性实践教学环节。同时，以山东省大学生机电产品创新设计竞赛、全国大学生电子设计竞赛、教师科研项目为导向，使学生有针对性地进行设计、并实现相应功能，培养学生善于“构思—设计—实施—操作”的能力，从而提高学生实际解决问题的能力、自我获取知识能力和创新能力。

图1 课程体系设置

在实际操作中，各项目均按照CDIO理念，来源于工程项目，这些项目均为机电一体化相关产品设计，涉及机械、电气、液压、数学、物理等相关知识，因此，按照学生兴趣，将不同年级、不同专业的学生组成一个课题组，根据自己特长承担相应的产品设计和开发工作。一般的，每学期都会确定若干项目，项目完成周期根据项目特点、复杂程度确定。在项目实施过程中，会有新成员加入，也会有成员退出。项目组定期与指导教师沟通，交流，并提交项目进展报告及下周期计划，最终完成一个完整的产品。通过基于项目的学习，加强学生实验与动手能力的培养，通过团队合作，培养学生的协同工作能力，拓宽工程科学知识。

2 基于CDIO理念的机械电子工程专业人才培养模式建设

改革传统的人才培养模式，以CDIO工程教育理念为指导原则，开展应用型教学、应用型实验、科技竞赛、科研训练、项目实训及创业孵化为一体的人才培养模式，培养具有实践能力的高水平创新型工程科技人才。

2.1 实行“3+1”人才培养模式

借鉴“卓越工程师培养模式”，实行校企联合培养，注重学生工程实践能力、科技创新能力培养，突出综合素质与个性化发展，实行“3+1”人才培养模式（如图2所示）。“3”是指进行3年校内学习；“1”是指1年的校外工程实践与执业素能培养，其中包括5个月机械电子工程企业实习，3个月毕业设计与综合能力训练，2个月执业素能与个性化发展培养。学生素能通过社团活动、课程设计、学生课外科技创新活动、个性化岗位培训等，实行分阶段渐进式养成训练，最终获得岗位所需的知识、技能、素质。

图2 “3+1”人才培养模式

2.2 实行成才双导师制和执业素能全程养成训练

专业教师作为校内导师，企业工程师作为校外导师，全程介入教学环节，指导CDIO项目实施，注重学生综合素质培养与个性化发展；开展公共基础课教学与专业对接，实施全程职业素能养成培养。激励教师工程实践锻炼的积极性。每年选派6名左右中青年专业教师到对口大型企业进行工程实践锻炼，实现专业课教师“双师型”比例达到100%。形成学校服务企业，企业指导办学的长效合作机制。建立校企联合培养人才机制，修订校企联合专业核心课程群，双方共同承担课程教学，教师积极带领学生深入合作企业实习，参加企业的科技攻关项目；设立企业与学校双导师制。在每年的毕业设计中，都有不少学生进企业，直接参与企业相关课题的研究，例如学生毕业设计题目“人工智能气候室控制系统研究”“沥青拌合站控制系统的研究”“液压挖掘机仿形操纵智能电液控制系统的研究”等，在学生开始做毕业设计时，学生就进入企业，跟随企业技术人员一起研发，从而圆满完成毕业设计的相关工作，取得较好的研究成果。

积极创造条件让本科生参与教师的相关科研课题与学术讨论，每周组织课题组学生进行讨论，汇报工作进展情况及收获，例如让部分学生参与“路面加速加载设备及检测系统研究”“高速公路浓雾监测预警系统的研发”等课题的研究工作，并发表了相关论文。举办各种学术讲座与科技交流，聘请国内外专家来我院讲座，使学生更多地了解机械电子工程科技前沿与发展方向，开展各种学生课外科技创新活动，并纳入学生培养学分体系。制定激励政策，把教师承担本科生导师作为绩效考核、职称评聘、评先评优的参考指标。

2.3 采用精品课程群专业课程教学体系

根据人才培养目标及素能结构，与企业联合制定人才培养方案，校企共建专业核心课程群，优化课程体系，形成以省级精品课程为龙头、校级精品课程为主体的精品课程群专业课程教学体系，力争建成1～2门省级、国家级精品课程。改革现有教学模式，实施现场教学、训练式、探究式教学等；进行考试制度改革，采用口试、笔试、实机操作、作品展示等多种考核方式，加大平时考核所占比重，注重能力与素质培养。鼓励教师联合企业按照CDIO理念以各种方式将科研课题与科研成果、教研课题与教研成果引入教学，服务教学。如：编写新版教材，将科研、教研内容写入教材与教案，采用训练式教学、现场教学、探究式教学等。完善学院内部的学术评价机制，把科研服务教学的效果作为项目评价的重要内容。

3 基于CDIO理念的机械电子工程专业实验室建设

多渠道筹集实验室建设所需经费，为新建实验室配备性能优良、数量充足的仪器设备，从而更好地调动学生的创新积极性，主动参与到实验中来。在实验过程中，学生自己设计、调试、操作，并最终形成报告。

当前，我校机械电子工程专业现已建成的校内实验实训基地占地面积8 000平方米，仪器设备总值4 000多万。校内专业实验、实训教学基地有：机械工程训练中心、工程机械实验中心、机械基础实验中心、工程机械研究所等。其中，工程机械实验中心的电液控制实验室为“交通运输部重点建设实验室”，机器人创新实验室和电气控制实验室是校内重点实践教学基地。校外教学基地建立了工程机械设计制造企业、机械电子产品设计企业等10多处专业实习校外教学基地。

2014年交通运输部资助我校工程机械专业教学实验设备专项经费新建机械电子工程专业相关实验室：工程机械智能控制实验室、工程机械液压传动与控制实验室、工程机械虚拟仿真实验室。

3.1 工程机械智能控制实验室

主要用于实现与工程机械相关的机械电子工程专业课堂及实践教学环节，让学生进一步了解工程机械电控系统、数据采集及总线通信等结构、工作原理及性能特点及应用，培养学生对工程机械常用电气系统的维修、设计和研发等技能，提高学生的实际动手能力，为毕业后从事该领域的技术工作打下坚实的基础。当前实验室有沥青拌和设备称重计量实验台、工程机械智能信号采集和处理分析综合实验台、挖掘机电控系统实验台等一批先进的教学设备，满足学生的实验要求。

3.2 工程机械液压传动与控制实验室

现有电液比例/伺服阀试验系统、复杂系统建模与仿真平台等，主要用于实现工程机械液压传动课堂教学等相关的实践教学环节，让学生进一步了解液压元件的结构、工作原理及性能特点以及液压回路的设计，组装、调试等技能，培养学生的实际动手能力。

3.3 工程机械虚拟仿真实验室

工程机械虚拟仿真实验室采用面向应用的仿真技术，通过1D和3D虚拟仿真软件、实验系统和工程咨询服务的独特组合，涵盖从系统动力学、结构和声学品质，到操作性能、耐久性、安全性及功耗方面的仿真。综合利用该实验室的仿真功能，能够评测热、流体动力学、电气和机械系统特性方面的多物理领域系统中的各种不同子系统的特性，可以快速建立精确的模型并对其真实性能进行精确仿真，评估各种设计方案，能够进行工程机械仿真设计和性能优化，如噪声、振动、系统动力学和疲劳，进而来综合权衡产品各方面的性能。该实验室主要包含一维多领域系统仿真集成平台、三维系统仿真集成平台、工程机械硬件在环仿真集成平台和振动噪声与模态测试系统四大功能。

4 改革效果

我校机械电子工程专业自从开展了以项目为主线的CDIO工程教育模式后，教师的教学能力和科研水平兴趣有了极大提高，期间机械电子工程专业获得了山东省精品课程一项，交通运输部课题2项，山东省科技发展计划1项等。同时，以项目为主线的CDIO工程教育模式也激发了学生的学习兴趣，培养了学生的创新能力、动手能力、解决问题和分析问题的能力，学生先后获得山东省机电产品设计竞赛一等奖8项，二等奖16项，全国电子设计大赛一等奖5项，挑战杯一等奖7项，取得了较好的效果。

5 结束语

机械电子工程专业是我校优势专业，该专业对学校的发展起着重要作用。本专业的课程体系、人才培养模式及实验室建设是一项长期系统工程。开展以项目为主线的CDIO工程教育模式，树立CDIO“教学做”创新理念，对于提高学生分析解决实际问题的能力、自学创新能力和工程实践的能力具有重要意义。同时在CDIO项目实施过程中，进一步提高教师的教学和科研能力，有力的促进青年教师的成长。

［1］ 谢爱娟，曹剑瑜，罗士平.CDIO 视域下构建“五位一体”实验教学新模式［J］.教育研究，2015，38（1）：98-101.

［2］ 顾佩华，沈民奋，李升平.从CDIO到EIP-CDIO：汕头大学工程教育与人才培养模式探索［J］.高等工程教育研究，2008（1）：12-20.

［3］ 段庆茹，阚连宝，吴国忠.CDIO教育模式中国化研究述评［J］.黑龙江高教研究，2012（10）：33-37.

［4］ 孙凌宇，冷明，郭晨.基于CDIO的创新型软件工程人才培养模式研究［J］.山西财经大学学报，2011，33（1）：239，245.

Reform and Exploration of Talent Training Mode in Mechanical and Electronic Engineering Based on CDIO

Guan Zhiguang， Miao Qiuhua

Shandong Jiaotong University， Jinan， 250023， China

CDIO engineering education mode is the latest research results in recent years. Students' academic knowledge， learning ability，team cooperation ability can be trained using CDIO mode. The course system， talent training mode and laboratory construction of mechanical and electronic engineering in Shandong Jiaotong University are all innovated， which can improve students' creativity and engineering practice ability and realize the aim of training practical talents.

CDIO； mechanical and electronic engineering； talent training； course system

2015-06-18

管志光，博士，副教授。

山东交通学院2014年教学改革项目“基于CDIO机械电子工程专业人才培养模式改革与探索（编号：JG201417）。