基于CDIO理念的机械基础课程设计改革*

杨恩霞　孔凡凯　刘贺平　庞永刚　应丽霞（哈尔滨工程大学机电学院，黑龙江哈尔滨150001）



基于CDIO理念的机械基础课程设计改革*

杨恩霞孔凡凯刘贺平庞永刚应丽霞
（哈尔滨工程大学机电学院，黑龙江哈尔滨150001）

摘要：通过分析机械基础课程设计教学中存在的问题，提出基于CDIO工程理念的机械基础课程设计教学改革的具体措施，以培养学生工程职业素质和团队协作精神，锻炼学生的动手能力及增强学生的创新意识。

关键词：机械基础课程设计；CDIO工程理念；教学改革

Abstract:By analyzing the problems of teaching in design of mechanical basic curriculum, the detailed steps for teaching reform are introduced based on CDIO concept. The aim is to cultivate engineering professional quality and a spirit of teamwork, to exercise students' manipulative ability and enhance innovation consciousness.

Keywords:curriculum design of mechanical basis; CDIO concept; teaching reform

CDIO是2001年由美国麻省理工学院联合瑞典的查尔姆斯技术大学、林克平大学以及皇家技术学院等高校，共同开发的一种全新工程教育理念和实施体系。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以实践的、课程之间有机联系的方式学习工程，是“基于项目学习”和“做中学”原则的有机结合[1]。CDIO在培养学生的理论知识及协作能力的同时，还强调专业技能、大系统掌控等一系列能力的培养。目前国内许多高校都在研究CDIO的先进工程理念，并根据各自学校的实际情况，探索工程教育理念的教学改革之路。

一、机械基础课程设计教学存在的问题

《机械基础》是工科类专业的主干课程和重要必修课程，具有基础性、设计性、实践性等特点，是培养学生创造性思维的主要课程。而其《课程设计》是使学生获得工程技术训练必不可少的实践教学环节，在培养学生的理论联系实际，提高机械系统方案设计以及创新构思能力和分析能力等方面起着非常重要的作用。本课程是学生首次接触的专业基础知识，其重要性不言而喻。然而，由于课程设计长期以来一成不变的设计方法和教学模式，给其教学带来很多弊端[2]。首先是设计题目陈旧，设计方法呆板，缺乏创新思维的培养和工程实践能力的训练；其次是设计内容单一，缺乏整机设计理念和系统训练，没有机械系统方案设计的机构选型设计，学生处于一种被动及按部就班状态，自主设计和发挥主观能动性的内容少，无法激发学生的创造力，不利于对学生综合能力的培养；再次是个体意识强烈，缺乏团队协作及沟通交流的能力。这样培养出来的学生将难以适应快速变化的社会需求[3]。因此，课程设计的教学改革势在必行。

每年我校都有机类和近机类约十八个班的学生接受机械基础课程设计的训练，搞好机械基础课程设计，不仅是对学生动手能力和创新能力的一次全面训练，而且对后续专业课程的学习、毕业设计乃至今后的工作都有重要影响。

二、机械基础课程设计教学改革措施

（一）设计题目多样化

课程设计的题目应体现以学生为主的教育理念，针对学生的实际情况，改变以往课程设计题目单一的弊端，选择合适的设计题目，因此，在选题上应注意以下几个问题[4]。一是课程设计题目应满足综合性强、难度适中的要求，使学生能够综合运用机械基础课程所学理论知识，系统地完成一个大型机构设计课题；二是题目来源的广泛性，教师不断从文献资料、生产实际和科研工作中累积合适的题目，逐渐扩大课程设计题目的类型和数量，形成一个基本的课程设计题库，表l所示为我校近三年机械基础课程设计选题。三是题目要有一定的创新性，鼓励学生根据自己的兴趣进行选题，兴趣是学习最好的老师。

表1　机械基础课程设计选题

（二）采用先进工程设计方法和手段

传统课程设计结果常常是学生上交一份图纸和一份设计说明书，学生对设计出来的机器装置或机构是否可行不得而知，因此，影响了学生的设计积极性。在课程设计教学环节中，引入机械专业常用的三维设计软件Pro/E、UG、ADAMS等辅助设计功能和虚拟样机技术。要求学生在计算机上制造出虚拟机械，并对此进行运动和动力学分析，最大限度地减少设计失误。从而实现复杂问题简单化、抽象问题直观化，深化对工程实践类问题的认识，增强学生利用现代化手段进行机械创新设计的能力。图1为学生设计的潜艇舱盖开启机构三维图，潜艇的舱盖开启机构用于潜艇舱门的打开和关闭。开启角度为0-90°，驱动方式采用电机。舱盖的开启速度较慢，设计中采用了蜗轮蜗杆减速机构。图2为潜器天线升降机构三维图，潜艇在水下航行依靠水声导航，但在近水面航行时需要使用天线与陆上交换信号。天线的升降角度为0-90°，驱动方式采用电机。天线的升降速度较慢，需采用减速机构。潜艇的空间较小，要求所设计的机构尽量紧凑，占据较小的空间位置。设计中学生采用了蜗轮蜗杆减速机构，该机构输出轴与天线转轴间采用花键连接。设计结束后教师对优秀的作品，组织申请专利，并推荐参加各种大学生竞赛，如全国大学生机械产品数字化设计大赛、机械创新设计大赛。

图1　潜艇舱盖开启机构三维图

图2　潜器天线升降机构三维图

（三）改革课程设计的教学方式

首先是变集中时间式教学为先部分分散，然后集中式教学，与机械基础理论教学环节有机融合起来，这样学生不仅可以有充分的时间发挥创新性设计和学习的主动性及积极性，同时指导教师通过监督和指导，能及时发现不合理的设计，并督促学生改正，这使学生有充分的时间进行思考及设计；其次是变单人一组的设计方式为多人一组的团队方式进行，充分利用学生的团队协作精神，培养学生的团队意识。具体措施如下：（1）在机械基础课程开始时，就介绍课程设计的相关内容和设计要求，布置学生按自愿组合的方式组成设计小组，一般以3-5人为一组；（2）在机械基础课程教学的中期，布置学生进行调查研究，查阅资料，分析讨论现有典型机器和同类机器的研究现状和发展历史，并以研究报告的形式成为机械基础课程设计设计说明书的一部分内容；（3）在机械基础课程教学结束后，组织学生参观讨论，进行方案设计与典型机构的分析，方案设计阶段以小组为单位，在分析机器的结构、传动方式、工作原理以及各部件的功能顺序的基础上，绘制机器运动简图，确定最佳设计方案；机构的分析与综合阶段主要是从设计方案中选取最具代表性的机构，进行机构的尺寸综合、机构运动分析和力分析，制作机构模型。最后是编写设计计算说明书，准备答辩。

三、结束语

通过近两年的课程设计改革探索，我们发现基于CDIO工程理念的机械基础课程设计体系有明显的优势，不仅能够改变学生的学习态度，激发学生的工程设计兴趣，构建工科教育中被忽视的工程价值观，而且能够培养学生的团队合作精神。基于CDIO工程理念的机械基础课程设计更加强调学生综合素质的培养，它改变了以往理论与实践相脱节的问题，学生普遍反映课程设计效果有很大提高，特别是在学生独立分析问题、解决问题的能力方面以及对机构创新设计能力等方面均有所提高。

参考文献

[1]朱玉.CDIO工程理念在“机械原理课程设计”教学中的应用[J].中国电力教育，2010（1）：139-140.

[2]宜亚丽.机械原理课程设计教学改革的探索[J].太原理工大学学报（社会科学版），2008（6）：51-53.

[3]王砚军，等.“机械原理与机械设计”课程设计的改革探索[J].中国电力教育，2011（23）：95-96.

[4]高志，等.“机械原理课程设计”的探索与实践[J].教育教学论坛，2015（2）：127-128.

作者简介：杨恩霞（1963-），女，哈尔滨工程大学机电学院，教授，主要从事机械原理、机械设计教学。

*基金项目：本文系2015年哈尔滨工程大学教学改革研究项目的阶段性成果。

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：2096-000X（2016）01-0119-02