基于CDIO理念的机械创新设计大赛的组织与实施

蔡晓君　刘湘晨　窦艳涛

[摘 要]CDIO作为一种新型的工程教育模型其在美国等发达国家的工程教育领域得到了广泛的应用。CDIO强调的是将工程教育融入产品＼系统生命周期的环境中，通过学生全过程参与工程项目的构思、设计、实现、运作等环节，培养出企业真正需要的工程应用人才。北京石油化工学院在机械创新设计大赛的组织和实施过程中，运用CDIO理念，强调以学生为本，为学生提供产品设计、制作、调试全过程的训练环境，极大提高了学生的综合素质，社会效果显著。

[关键词]CDIO；工程训练模型；产品＼系统生命周期

[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）07-0035-03

工程教育的目的是培养具有熟练技术基础和广泛专业能力的学生，在过去几十年里，大学之外的社会一直在要求工程教育者改进工作以更好地满足以上目标。[1]但是20世纪中期以来，我国的工程教育日渐脱离和轻视工程实践，工程教育的教师越来越多的由工程科学家担任，他们其中多数人从来没有做过工程师，他们思考、工作、教学都是在其所熟知的工程研究环境中。工程研究固然是一个很重要的领域，但问题是，它实际上逐渐取代工程实践环境而变成了工程教育环境。这样，我们就不知不觉地开始把我们的学生培养成为工程研究者，而不是工程师。

据麦肯锡季刊的一项分析报告指出，在中国160 万名青年工程师中，只有16 万能胜任跨国公司的工作，能达到跨国公司用人标准的合格毕业生比例不到工科毕业生的10%， 与印度的25% 、马来西亚的35% 、波兰的50% 、比利时的80% 以及其他发达国家差距甚大。据瑞士洛桑国际管理开发研究院（IMD） 公布的国际竞争力排名可知，我国整体实力排名由2005 年的第31 位大幅上升到了2006 年的第19 位，但在同一排名榜上，我国培养的可获得资格的工程师数量却连年忝居末座。[2]因此，中国的工程教育迫切需要进行深层次改革，以适应全球经济快速发展的需要。

一、国际工程教育大潮中的CDIO

全世界对工程教育的改革都很迫切，无论是发达国家还是发展中国家。在过去的10年里，美国的企业界人士开始致力于缩小当前工程教育中的理论和实际操作能力之间的差距，对工程教育提出了新的目标和要求。四所前沿的工程大学（美国麻省理工学院、瑞典查尔姆斯技术学院、瑞典林克平大学、瑞典皇家技术学院）从2000年起组成跨国研究项目组合，经过4年探索，他们合作开发了一个新型的工程教育模型，称为CDIO。其名字的灵感来源于产品/系统的生命周期过程。该生命周期可分为四个阶段：构思、设计、实施、操作。它是“做中学”原则和“基于项目的教育和学习”的集中体现。它以工程项目（包括产品、生产流程和系统） 从研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动实践、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO的理念不仅继承和发展了欧美20多年来的工程教育改革理念，更重要的是提出了系统的能力培养、全面的实施指导、完整的实施过程和严格的结果检验的12条标准，具有很强的可操作性。[3]CDIO标准是直接参照工业界的需求（如波音公司的素质要求和ABET的EC2000标准） 制定的，因而能完全满足产业对工程人才质量的要求。迄今已有几十所著名大学加入CDIO国际组织，麻省理工学院已有两届CDIO学生在毕业后得到工业界的好评。一些公司甚至专门为CDIO毕业生制定了高于其他教育模式毕业生15% 的工资标准。

二、机械创新设计大赛中的“做中学”模式

2006年初北京石油化工学院在组织第三届首都高校机械创新设计大赛时，大多数师生根本没有听说过CDIO，因为要参赛而且想拿出成功的作品参赛，教师带领学生“在做中摸索、在做中学习、在做中提高”。第三届首都机械创新设计大赛的主题是“健康与爱心”，大赛要求从这一主题出发，由学生设计、制作、提交相关机械产品的样机进行比赛。机械创新设计大赛的设计远不只是图纸上的设计，還包括从调研到构思、设计、制造、装配、调试、使用，乃至改进设计这样又一轮的实践活动。这是一套完整的实践活动，是一套出真知、出创新、出成果的实践活动。[4]

2006年是我们学生包括部分教师第一次亲临一种全新机械产品开发和制作全过程的体验，开头真是无从下手，产品都不知如何确定，更不用说设计与制作了。在教师的指导下，考虑到我国需助残、康复、健身的人群现状，学生们开展了广泛的市场调研，深入到大兴康复医院、海淀康复机构等观察采访，结合不同的康复人群的需要，拟订了“多功能电动轮椅”、“人性化担架和康复助力拐”等产品的选题组成产品开发小组。开发小组的分组以学生自愿组合为基础，并考虑了专业和男女同学的合理搭配，以便于最大限度发挥每个人的特长。过02级学生马强、机电02级学生龚月圆和机电02级学生杨雄在进行“多功能电动轮椅”的功能设计构思时，为突出“多功能”的特点，对各种机构进行了深入的研究和学习，最后运用机构学原理设计了靠背、桌面和遮阳翻转机构，设计思路新颖，结构精巧简单，将简单的靠背根据残疾人需要，经机构变换可巧妙变化成书桌或遮阳机构（该成果已获得实用新型专利授权）。杨雄同学在调试电动轮椅时，面对项目中驱动与控制问题，在请教自动化专业教师的基础上，自学掌握了控制工程原理、制定了合理的启动方案，并且利用网络查询小型步进电机及其驱动器的价格，为了节省开支，跑遍了大兴的各机电产品市场（包括旧货市场） ，不但购买到可用于该项目的小电机和驱动器，还学到了一些实用的技术、方法。在实际制作中，学生们虚心请教工程教育中心的师傅，改进原设计中的不足，自己动手加工零件，组装出所设计的产品，圆满完成设计制作任务。过03级学生姚明、钟云青在设计制作“人性化担架”作品时，出于最大限度保护伤残病人的愿望，巧妙运用四杆机构原理设计了可自由开合式担架，为准确规划担架的运动轨迹，并自学了Working Model 机构设计分析软件，从理论上保证了机构尺寸的精确性，为进一步的设计制作奠定了良好的基础（该成果已获得实用新型专利授权）。每一个作品的后期制作，都是考验学生团队能否团结协作、有无锲而不舍精神的关口。内行都知道，设计工作量为一，那么制造工作量就为十，这表明，后天的制作量是十分大的。学生们顶着酷暑纷纷自己动手，有的到废旧市场寻找原材料，有的到工厂进行加工、组装、调试，反复修改，以求制造操作上易于实现。这真正体现了“做中学、学中做”相互结合、相得益彰。