基于CDIO的机械专业课程教学研究与探索

翟国栋　李振　徐晨　吴飞　孟莉俐

摘 要：在“以CDIO工程教育理论为指导，以培养卓越工程师为目标”的先进工程教育理念指导下，依托课程设计和课程考核方式，将CDIO的构思、设计、实现和运作成功地应用于《机械优化设计》教学实践中，增强了学生的职业技能和职业道德。

关键词：CDIO人才培养模式；机械优化设计；教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A

目前在专业基础课和专业课的教学中，存在重理论轻实践、强调学生个人能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而忽视开拓创新能力培养等问题，与创新型人才的培养目标不相吻合。具体表现在：专业课程比较枯燥，课程公式多、数学推导烦琐，难以激发学生学习的积极性；理论教学学时较长，学生动手实践的愿望得不到满足；教学内容与工程实际问题结合不紧密，学生能力与社会需求有较大差距；传统的学生实验主要以演示性、验证性实验为主，而综合设计类试验较少等。而企业对于高校工科毕业生的评价是：毕业生缺乏对企业文化的了解，岗位适应时间长，团队工作意识匮乏，沟通和动手能力较差，缺乏创新能力，职业道德、敬业精神有待提高。

CDIO是在2001年由4所前沿工程大学（瑞典查尔姆斯技术学院、瑞典林克平大学、美国麻省理工学院、瑞典皇家技术学院）合作开发的一种新型工程教育模型。CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）、运行（Operate）四个英文单词的缩写，它以工程项目从研发到运行的生命周期为载体，把职场环境引入到学校作为教育的环境，让学生以主动实践的方式学习工程。CDIO以项目为载体，通过“做中学”和“学中做”一体化教学组织原则实施教学，强调在学中做，在学中规范，在学中提升，在做中学，在做中反思，在做中提炼。CDIO培养模式包含工程基础知识培养、个人能力培养、人际团队能力培养和工程系统能力培养四个模块。

机械专业学生毕业后主要担任工程师和技术人员，要求有很强的动手能力、团队合作意识以及人际交往能力。《机械优化设计》课程是机械工程及自动化专业的专业选修课，优化设计是指将最优化技术与计算机技术应用到机械设计领域，为工程设计提供了一种基于定量分析选择最优的设计方法。随着学校教育改革的深入，《机械优化设计》课程进行了以CDIO人才培养模式的教学改革。

一、基于CDIO模式的教学目标与教学大纲

CDIO培养大纲对工程教育应达到的能力目标做出了全面、系统、具体的表述，将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定的目标。改革课程教学大纲，将传统的只包含知识要求的教学大纲转变为集知识、能力和素质要求为一体的教学大纲。《机械优化设计》这门课程既要求学生专业知识过关，又要求学生实践能力过硬。因此，设计如表1所示的教学大纲。在大纲中要求了学生的基础知识，学生的个人技能和职业道德，学生的团队合作意识。通过改革大纲，可以看出《机械优化设计》这门课程已经由传统的要求基础知识的传统课程转变成了基础知识和实践能力两手抓的新课程。学生在学习和实践过程中，会提高学生的学习兴趣，减少了学习的枯燥。

二、建立CDIO模式下的教学方法

积极采用并探寻符合教学规律、符合人才成长规律的教与学的方法，比如基于项目的学习、基于问题的学习、探究式学习等，以实现专业培养标准所要求的培养目标。在项目实施中，树立以学生为中心的观念，引导学生主动学习。

（一）教学方式的多样化

1.教学中重视基础知识、基本概念和基本规律。鉴于往届同学在学习过程中的重难点，在新学期在授课过程中着重讲解，使学生能够抓住重点，吃透基础知识。理解规律和掌握方法比记住知识更加重要，所以在教学过程中围绕优化设计的基础知识、优化原理和规律展开，避免过多地对知识的罗列。在介绍理论概念及原理前，先介绍一些该理论或技术产生与发展的历史背景知识，使学生看到理论背后的工程背景，在课程讲授中设定相关命题论文，激发其学习的动力。

2.采用基于任务的、基于问题的或案例式的教学方法，课堂上教师只讲授基本定理和概念，主要是引导学生按照给定的主题（包括命题论文、案例分析、工程项目实施等）来查找资料、整理、归纳、实际项目分析及计算、总结、演讲并展开课堂讨论。

3.教学过程中应用归纳总结比较方法。《机械优化设计》这门课程理论性比较强，如不能及时地归纳总结所学知识点，那么学生在应用和选取优化方法的时候会遇到很大的问题，通过归纳总结比较优化方法的优缺点和适用情况，可以为学生以后遇到优化方法选取时能够更加准确地找到适用的优化方法。

4.学中注重学习的实践。在课程教学结束时，给学生布置一个课程设计。通过课程设计，培养学生在实践中探索优化方法的选取和应用的思路以及主动搜索文献、探寻方法的能力。教师要求学生选择与本专业方向相关的实际课题，对实际课题做具体分析，确定完成课题的方式、小组分工、课题成果的评价标准以及课程学习的评价标准。然后学生自愿结组，边学边做，搜集课题相关的资料，将小组成员思想融入完成课题的过程中。同时，讲解课本中典型应用问题的实际操作过程，对于实际应用的优化设计问题，因有其特殊性和个性，需要结合专业知识对其求解。

（二）增加自学内容

建立好优化问题的数学模型之后，对于比较复杂数学模型的求解相对比较麻烦，这时需要借助一些数学软件对数学模型求解。MATLAB是一个很强大的数学软件，应用其对数学模型进行求解大大提高了求解速度和准确率。但MATLAB有自己的编程语言，这时就需要学生自己学习MATLAB语言对数学模型进行编程计算，提高了学生的自学能力和动手能力。

三、CDIO模式下的课程教学质量监控

在当前的本科教学中，理论课的考试往往是期末考试的试卷成绩决定了学生这门课程的成绩，而这种考核方式缺乏对学生平时成绩的监控，也缺少对学生能力的评估。目前开展CDIO模式教学的课程中，学生成果形式包括：学生研究讨论报告，PPT课件，实践项目作品展示，学生评价、同行评价等。要减少笔试成绩的比例，增加团队设计项目成绩的比例。传统的学习评价方法仍然是重要的，同时结合进行非传统的学习评价的探索，包括使用学生自我评价、同伴评价、口头测试、学习记录、展示作品、发表论文等。为此，《机械优化设计》课程改变了传统的考核方式，采用课程成绩由平时习题成绩、课程设计（大作业）、实验报告和汇报成绩、单元测验成绩和结课考试成绩组成的考核方式。在完成每章的课程学习之后布置典型习题来消化知识，每两章学习结束之后安排单元测验及时检测学生对知识的理解应用，在课程结束后将学生分组布置大作业并汇报大作业的成果。通过改革考核方式，学生更好地理解了机械优化设计的基本知识和基本方法，熟悉了通过MATLAB软件处理优化问题的方法，使课程得到了延伸。

四、结语

《机械优化设计》课程经过CDIO培养模式改革后，课程教学注重了改革的科学性，处理好知识与能力的关系，学生对于学习的兴趣有了很大提升，学生很好地掌握了本门课程的基础知识和解决工程实际问题的能力。改革后的课程，使优化设计方法与工程实际问题得到了有机结合，更具有实用性，更有利于学生能力的提高。

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