基于CDIO的机电一体化系统设计课程教学改革

姜永成 华秀萍 颜兵兵 郭晓云 陈思羽

摘 要：机电一体化系统设计这门课是佳木斯大学研究生培养的一门专业基础课，该课程的教学成果极大影响研究生后续科学研究的水平。为提高研究生的实践技能，基于CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate）理论，采用项目教学法，对本门课程进行教学改革探索，经过2轮的教学改革试验，学生实践能力和科研素养大大提高，取得了良好的教学效果。本次改革的成果对其他兄弟院校的研究生培养也具有借鉴意义。

关键词：CDIO 研究生 项目教学法 实践 科研素养

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1004-4914（2015）08-242-02

前言

机电一体化系统设计这门课是一门关于农业工程学科研究生教育的研究农业工程领域里许多基本问题的核心专业基础课程。研究生经过对本门课的学习能学会如步进电机原理，运动控制方法，上位机软件设计、机械系统设计等重要技术知识。本课程的开设不仅可以提高研究生的科研素质，为后续科学研究的进行提供必要的专业技术基础。而且以往的教学过分强调理论教学，仅有的实验环节也大多是做的演示性实验，本门课程教学实践环节却非常多，可以大幅度提高研究生学习的兴趣和主动性、参与度，使教学目标不再难以实现。

一、教学现状分析

对于现在的研究生教育，要求研究生不但要在专业技术知识方面有扎实的基本功，还必须具备团队协作精神、动手操作能力、系统分析问题并解决问题的能力。为了更好地适应当前国内迅猛发展的研究生教育水平，分析教学现状，目前机电一体化系统设计教学主要存在以下问题：

1.授课方法简单，以教师传授研究生被动接受式教学模式为主，这种教学形式简单死板，不能激发研究生的研究潜能、更不利于提高研究生学习兴趣和调动其学习的积极性。

2.授课实践环节较少，以理论知识讲授为主，缺乏综合性实验，不能帮助提高研究生的动手能力。这种教学方式对研究生教育要求来说远远不足。

3.现有的教学模式达不到教学目的，不能提高研究生应有的团队协作能力、动手操作能力以及科研技能。因此，机电一体化系统设計这门课程急需改革，以便研究生能学以致用，提高自身综合能力。

二、基于CDIO的教学改革方案设计

1.CDIO的基本思想。CDIO①（Conceive，Design，Implement，Operate）是美国麻省理工学院（MIT）和瑞典皇家工学院等4所大学联合探索创立的工程教育理念，以构思（Conceive）—设计（Design）—实现（Implement）—运作（Operate）理念开展基于工程项目全过程的学习，着重培养学生全面的工程实践能力。其指导思想是：以诚信、职业道德培养为基础，以工程设计任务为导向，以培养个人能力（实践能力和终生学习能力）、团队能力和系统的适应与调控能力为主要目标，让学生以主动的、实践的、课程之间有联系的方式学习工程②③。

《机电一体化系统设计》是一门农业工程学科课程群中最具专业特色的专业基础课程，教学改革中，完全可以在相应的教学中应用CDIO的理念。

2.基于项目教学法的教学改革方案。在教学过程中打破原有的教师讲授，研究生被动接受知识的模式，采用以项目为驱动的教学方法，增添师生通过共同实施一个完整的项目工作而有目标进行的教学活动。这种方式可以提高研究生的学习兴趣，让其有目标地自主学习，进而很好地融入到有意义的任务完成的过程中，使学习变成一个生动有趣的事情。同时，研究生可以通过自己的实践进行知识构建和技能训练④，不再需要枯燥无味的重复就能理解并牢牢记忆理论知识。项目法教学流程图如图1所示。

（1）研究项目的确定。如图1所示，在教学活动实施之初根据机电一体化系统设计课程的需要及参与本门课程学习的研究生人数，由教师确定项目个数并进行分配任务。

（2）研究生分组。由教师主导根据研究生的不同兴趣、个人擅长的特点及团队合作需求，对研究生进行分组作业并选举各组组长。

（3）讨论项目目标和任务。由教师布置相关教学任务，组长协助并组织组员进行项目内容讨论并确定具体任务目标，进而分配各成员任务分工。

（4）制定项目实施时间表。教师根据本课程的学时数和项目内所包含的任务量，制定具体的项目实施时间表。

（5）讲授项目实施规范与考核标准。项目实施前，教师专题讲授项目实施规范与具体的相关考核标准，及研究报告的书写规范。

考核制度采用百分制标准，其中项目研究占80%的分数，其余20%教师根据组员的团队合作情况酌情给分。

（6）项目实施阶段。教师跟踪各组研究的进展状态，项目实施过程中根据所遇到困难及问题的普遍性，组织专题讨论或者进行个别组具体指导，解决所出现的问题。本课程涉及的主要问题在于硬件系统搭建和上位机软件设计部分。通过举办讲座进行具体讲解示范及解惑。

（7）项目结题阶段。项目完成后组织答辩，各组需要准备好项目技术报告及幻灯片材料，由各组组长汇报项目流程，其他研究生成员分别负责答辩涉及具体问题的解答。答辩结束并完成后，教师会对课程进行综合总结并给所有研究生打分作为最终成绩。

三、教改方案实践

基于本文的教学改革在佳木斯大学农业工程学科2011级、2012级研究生及2013级留学生教学中实行了教改方案实践，并取得了良好效果。

1.项目任务的确定。本课程主要讲授步进电机、伺服电机的驱动原理、运动控制系统的设计与调试。以我校农业工程学科2011级研究生课程为例，选修机电一体化系统设计这门课共有12名研究生，共计确定分为2组研究项目，每组人数为6人，研究项目表如表1所示。

期间开展的基础知识讲座内容如表2所示。

2.项目实施时间表的确定。培养计划中规定本门课程共计38个学时，其中理论学时占20学时，实验占18学时。本次课程改革将全部学时用于项目开发，教学过程中根据各组项目进展和需要，开展定向基础知识讲座，同时要求各组成员每两周进行一次项目进展报告，每组每周开两次组会，时间地点由各组自行商议选定，组长负责考核各成员绩效并作详细记录。学生边做边学，理论和实践结合，教学效果非常好。

3.项目实施过程。在教学改革实践过程中，全体参与教学改革的研究生体现出极大热情投入到项目开发过程中，在学习中不但掌握了实践技能，培养了科研素养，还对自己即将从事的科研项目有了明确思路与方法。对研究生完成后续的硕士学位论文具有重要意义。

四、结论

本文打破原有的机电一体化系统设计课程教授式教学方法，在CDIO教学理念的指导下，进行了基于项目教学法的教学改革实践活动并取得了良好的效果。具体总结如下：

1.CDIO理念在实践性较强的机电一体化系统设计课程中的应用符合教学规律，研究生学习方式由被动接受转为主动探索，达到课堂与课间一致均能开展研究，教学效果良好。

2.研究生通过参与项目的讨论研究，使其增强了团队协作感，能够各司其职，具有强烈的责任感，看到自己的项目科研成果也有巨大的成就感，这种教学方式有利于研究生科研素养、实践技能、自信心的提高。研究生随着项目研究的需要主动探索其他课程，学以致用，知识掌握牢靠。

3.项目教学法需对带队教师的水平有一定要求，教师额外的工作量核定、研制资金、必要的设备的支持，在教学方法改革的同时相应的保障机制要随之改革，才能达到良好教学效果。

4.本次教学改革产生的科研成果不但对我校研究生培养起到巨大提高作用，还对其他兄弟院校的研究生培养起到一定的借鉴意义，具有一定的推广价值。

[基金项目：黑龙江省新世纪教育教学改革工程项目“地方高校课堂教学有效性的‘分析—策略—实施—评价’过程集成系统研究”（JG2014011044）;黑龙江省教育科研“十二五”规划2014年度课题“基于CDIO模式的卓越工程师培养中机械设计类主干课程改革”（14G134）;黑龙江省高教学会重点项目“大类招生模式下机械类高素质应用型创新人才培养模式的研究与实践”（14Z023）。]

参考文献：

[1] Worldwide CDIO Initiative，CDIO Knowledge Library [EB/OL]（2000-01-10）[2009-09-15].http：//www.cdio.org

[2] 顏兵兵，姜永成，殷宝麟.大类招生模式下专业分流方案设计与实例分析[J].高教论坛，2014（9）：44-47

[3] 姜永成，华秀萍，孙勇，等.基于CDIO的检测与转换技术课程教学改革探索[J].中国电力教育，2014（6）：71-74

[4] 冯巧玲，杨存祥，张文忠.基于CDIO模式的“电气工程基础“课程的教与学[J].中国电力教育，2010（1）：118-119

（作者单位：佳木斯大学机械工程学院 黑龙江佳木斯 154007）

[作者简介：姜永成（1976—），男，黑龙江牡丹江人，佳木斯大学机械工程学院，副教授，博士后，主要从事高等教育改革研究及智能检测与控制技术方面的工作。]

（责编：若佳）