基于工程教育认证和CDIO理念的工程制图课程改革

2019-03-28王晓菲穆浩志薛立军

中国轻工教育 2019年1期

王晓菲穆浩志武刚薛立军

（1.天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384；2.机电工程国家级实验教学示范中心（天津理工大学），天津300384）

一、工程教育认证与CDIO

工程教育认证的主要目的是保证工程教育的质量，其核心是以学生为中心，产出为导向，并以持续改进促进教育教学质量的不断提升[1]。在认证标准中，处于基础位置的则是课程的教学活动，只有保障课程体系的完成，才能保障毕业要求的达成。CDIO（Conceive：构思-Design：设计-Implement：实现-Operate：运行）教育模式是一个广泛、全面和系统的工程教育改革模式。是以形成产品为目标，体现产品从研发到运行、维护直至废弃的全生命过程，使学生通过对产品的构思、设计、实施、运行的全生命过程的理解，逐步形成工程理念，使学生在具有较好的理论理解能力和专业实践能力的同时，具有较强的适应性学习能力和产品统筹等方面的能力，具有较好的团队合作精神，进而达到学科知识与工程能力的完美结合[2]。

工程教育认证与CDIO的核心都是以学生为中心，探索工程教育中，学生“学什么”、“学的怎样”和老师“讲什么”、“讲的如何”[3]。不同的是，工程教育认证是通过结果来考核验证工程教育成果，并持续改进[4]；CDIO关注的则是有效实现这一目标而需要采取的宏观教学环节。本质上讲，二者是统一的，但各有侧重。它们对实施工程教育都有着很好的指导意义[5]。

在工程教育认证中，毕业要求的达成是由课程体系来支撑的，而课程体系的达成则是由若干门课程共同实现的。工程教育认证中，要求专业根据自身特点，将毕业要求细化为“可评价的学习产出”，即可衡量的指标点[6-7]，具体地衡量毕业生的专业素养，这就给课程应达到的教学要求提供了较为具体和客观的标准。CDIO则给出了宏观的工程教育实施过程，为教学的具体组织实施提供了明确的教学思路。按照工程教育认证的要求，结合CDIO理念，不断深化课程改革，才能在传授知识点的同时，培养满足社会需求、具有较强创新能力和较好工程素质的人才，承担起课程的责任。

二、课程教学改革

科技日新月异的发展，给制造业带来了新的挑战和发展空间。CDIO工程教育理念建立了一种新型的工程教育模式，给高等工程教育的创新和发展提出了一个新思路。

工程制图课程理论严谨、实践性强，与工程实践有着密切的联系。工程制图课程是依据国家标准，尤其是国家标准《技术制图》和《机械制图》开展教学，培养学生空间思维和逻辑思维能力，培养学生工程意识和标准化意识。学生在接触本课程之前，标准化意识薄弱、专业知识较少，尚未形成较强的空间思维能力。因此，学生的专业可塑性强。我们应充分利用这一时期，有效培养学生构建符合国家标准的“构思-设计-实现-运行”的CDIO整体概念，不断深入工程制图课程改革，为培养高层次创新应用型人才奠定基础。

1.修订课程大纲

教学大纲是教师组织和开展教学工作的依据，是教学活动中纲领性文件[8]，是对教师“教什么”和“如何教”以及学生“学什么”和“如何学”的指导。因此，要对工程制图课程进行改革，首先要对大纲进行修订。大纲的制定要以学生为中心，学生可以通过教学大纲了解自己在修读完课程后应具备的能力，并知晓每项能力所对应的教学内容以及教学环节。

教学大纲中，除了教学内容、重点和难点、作业等基本内容之外，应将课程目标融入到教学的各个环节。将课程目标细化为知识目标、能力目标和素质目标等具体目标内容。同时根据课程目标，明确支撑工程教育认证中的毕业要求指标点。如工程制图课程的一部分教学内容：点、直线、平面的投影；二维图形的构形及绘制；几何体的构型及其投影；组合体的构型及表达；轴测图；机件图样的表达方法等。这些内容对应的课程目标是：培养学生会利用投影原理和方法用二维平面图形表达三维空间形状的能力，使学生具备空间要素的平面化表现和平面要素的空间转化能力，具备空间思维和逻辑思维能力，以及创造性构型设计能力。该目标支撑天津理工大学机械工程专业设定的毕业要求指标点 “1.3掌握机械工程专业基础知识，能够用于机械系统设计方案和模型的推理和验证。”和“6.1了解装备制造业及相关行业的技术标准、知识产权、产业政策和法律法规。”。

在全面了解课程目标及所支撑的毕业要求指标点的前提下，教师可根据教学大纲，融入CDIO理念，自主安排教学，并根据教学情况，及时调整课程计划。

2.重建课程结构

传统工程制图教学以识图和绘图为主线，内容组织层次分明，逻辑性较强。学生通过循序渐进的学习，掌握相关规范规定，奠定识图和绘图基础。然而，传统的教学内容组织模式不仅需要足够多的教学课时，而且在结构之间的联系方面略显欠缺，不利于学生从整体与局部关系方面思考问题。

目前社会急需具有坚实专业基础，同时具有较强创新能力的人才，这就对传统的教学内容组织模式的改革形成倒逼趋势，我们结合工程教育认证，融入CDIO理念，在教学大纲指导下，对课程结构进行重建，一方面应很好地将课程知识点传授给学生，同时应有意识地培养学生的工程素养，使学生达成课程目标。对一些机器/部件等，可按照“整体-局部-整体”的思路进行讲解，从特定的较复杂的研究对象入手，将其分解为若干几何体；再引入投影、画法几何、三视图、剖视图等概念；最后，再将已表达的几何体“合成”为原来复杂的机器/部件。

如在讲授球阀结构时（图1[9]），首先向学生介绍球阀的工作原理，使学生从整体上对球阀有概括的了解，然后再将其进行分解，并详细讲解每部分的结构、作用及其工程图（包括截切（球的截切）、螺纹及螺纹紧固件、零件图的绘制、装配图等内容）。这样不仅可以使学生很好掌握课程中的相关知识点，建立标准化意识，使学生形成严谨、规范的识图和绘图的习惯，同时通过“整体-局部-整体”的反复过程，使学生从一开始就建立整体与局部的联系，能有效掌握“部件”与“整体结构”的关系，此方法为CDIO中的“构思”奠定了思维基础。

图1 球阀

三、教学方式改革

1.转变师生关系

传统教学方式中，教学活动往往是教师处于“讲、教”的主动地位，而学生往往处于“听、学”的被动地位。但是，在当前创新要求愈来愈高的形势下，仅满足教师教什么学生就学什么是远远不够的，不利于学生学习主动性的发挥，更难以培养学生的创新思维。在工程教育理念中，学生是中心，因此，整个教学活动应从以教师的“教”为中心转化为以学生的“学”为中心，教师、学生在教学活动中的位置是教师为主导，学生为主体。教学过程中，教师鼓励引导学生进行自主、探究性学习，在课堂授课、实验等教学环节中，采取设疑式、启发式、讨论式等教学方式，鼓励学生积极思考，调动学生的学习积极性。同时，根据学生的实际情况，本着赏识教育、因材施教、全面提高的原则，对于感到教学内容“吃不饱”的学生，教师及时引导，在知识的深度和广度方面给他们提供更大的空间，对于“吃不了”的学生首先发现并肯定他们身上的优点，同时在学习方法和知识点方面耐心辅导，使得他们逐渐由 “吃不了”向“吃不饱”转化。正确的师生位置关系有助于提高工程制图课程的工程教育质量。

2.线上线下教学互补

线上是指我校基于慕课理念借助于互联网建立的在线课程，如图2所示。线下则是指课堂授课等非在线课程的教学。在线课程的建立充分利用了网络资源，延展了教学时空，学生可利用碎片时间随时随地学习。为了更好发挥在线课程在工程教育中的作用，有必要围绕CDIO教育模式，实现“线上线下”互补。

图2 工程制图在线课程

在线课程的建立，学生不仅可以通过在线课程了解课程的目标、教学进度，查看电子模型，还可以在线提问以及提交作业。对于一般容易理解的知识点，学生可在教师的引导下，通过在线课程自主学习。进而有效激发了学生的自主学习意识，提高了学生的自主学习能力。

基于在线课程，教师在课堂教学过程中，重点可放在知识点之间的关联、结构的原理、机械结构之间的关联，以及跨学科拓展等方面。结合多媒体课件、模型、板书式等教学手段，将关键的知识点讲深讲透，特别是结构体的关联性、特点、应用场景等，有意识培养学生的联想思维能力、分析和综合能力，培养学生对产品进行“构思”和“设计”的思维方式。

3.增设课后“构思”环节

工程制图课程不但要承担传授图学方面知识的任务，而且要培养学生的创新精神。CDIO中，“构思”就是培养学生创新的第一步，也是最难的一步。因此不论是在课堂上还是在课后，都应对学生不断进行“构思”方面的训练，提高学生在“构思”方面的能力，为今后学生能不断地“构思”出新的产品奠定基础。

课后，如果学生仅停留在完成教师所布置的一些识图绘图作业，而不去在涉及“构思”等方面深想一步，这是不利于学生联想思维的培养，不利于工程教育质量的提高。为了使学生在“构思”方面得到更多的训练，教师可根据每次课程的教学内容，一方面布置一定量的涉及知识点的课后作业，另一方面布置一定量的有关“构思”的课后思考题，让学生积极思考。我们将这一种课后训练模式称之为“积思”课后模式。在“积思”课后模式的训练过程中，学生一方面可通过完成课后作业，掌握课程知识点，提高识图绘图能力；另一方面可通过思考课后有关“构思”的思考题，加深对课程内容的理解，拓展思维。这样，经过不断的课后“积思”训练，有益于学生在奠定专业知识的基础上，逐渐养成联想思维的习惯，增强创新意识，提高创新能力。

比如对具体图样的计算机绘图，让学生课后思考所绘图样的特点、应用场景以及与所绘图样相关联的结构等。学生不仅能很好掌握计算机绘图软件，而且通过课后对有关问题的深入思考，在联想思维方面得到了强化，有益于工程教育。

不可否认，教学方式方法的改革，必须伴随着对教、学评价的改革，对于教师教学效果的评价，应注重启发式、引导式教学方法的运用及效果，鼓励、包容教师对新的教学方式的不断探索、尝试。加大对学生“构思”方面的评价权重，释放他们的创新活力。

四、增加设计型实验

为了增强学生的工程思维、创新意识，增加了设计型实验，主要涵盖了CDIO的构思、设计和实现三个方面。通过设计型实验，可有效调动学生学习的积极性，系统培养学生综合运用知识、全面思考问题的思维方式，使学生真正做到“做中学”[10]。

在进行设计型实验过程中，学生分组实施。学生根据实验题目和实验内容，在查阅资料的基础上，设计实验方案，并与教师研讨。教师对方案中不合理的地方提出修改建议，由学生进行修改完善。方案确定后，学生借助于AutoCAD、UG等软件完成绘图，有的学生还通过3D打印实现了实体产品。这个环节从整体上培养了学生对产品的把控能力，同时激发了学生的学习兴趣，培养了学生的协作精神、提高了学生的交流沟通能力。

在教学活动中，我们组织实施了鼠标、扳手、方向盘等设计型实验。在实施过程中，教师首先向学生介绍已有的产品，指出在设计时需要注意的问题等，并提出设计要求，然后学生根据所掌握的理论和方法，经过巧妙大胆的构思、严谨细致的设计，实现一款符合要求的、新颖的产品。

图3 学生设计的方向盘

如在方向盘设计型实验中，学生积极“构思”，认真“设计”，并用AUTOCAD等软件创建其三维模型。通过设计型实验，强化了学生对国家标准的理解，加深了对圆弧连接、三维构型等知识点的理解，熟练掌握AUTOCAD等软件的操作，更重要的是培养了学生的产品化意识和工程素质。图3是学生自主设计的方向盘及3D打印机完成的成品。

通过这一较完整的实践过程的锻炼，不仅使学生亲身感受到了知识点和基本理论的重要性，激发了课程学习的积极性，而且使学生了解了产品从构思到实现一个完整的形成过程，培养了学生的创新能力和工程素质。有利于学生掌握工程制图课程中的知识点，有利于实现课程目标，如提高空间思维和逻辑思维能力，创造性构型设计能力等，进而实现对毕业要求的支撑。