基于CDIO的《机械基础》微项目驱动混合式教学改革

杨小萍，刘买花

（广东交通职业技术学院，广东广州510800）

构思，设计，实现，运作（conceive design implement operate，CDIO）是由美国麻省理工学院联合多家工科大学创立的先进工程教育理念。该理念倡导以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程[1]。其核心文件“一个愿景、一个大纲和12条标准”，详细阐述了在工程背景下如何培养一名全面发展的工程技术人才。随着对课程的重视，近年来该模式的研究已经将重心逐渐从专业体系、人才培养模式、教学模式等宏观主题转向教学应用等更深更细的方向[2-4]。但其只是用于工程领域的一份通用样本，具体到某一专业或某门课程，CDIO既没有也无法给出具体的能力要求与达成该目标的实施方法，这就需要教师依据专业或课程的培养目标来制定符合相应实施方法[5]。为此，本文以《机械基础》课程为例，依据CDIO基本理念、提出了以“微项目为驱动、学生为主体、教师为引导”的CDIO能力培养的教学方法，并将其应用在高职层面以达成培养应用型技术人才的目标。

1 高职机械基础教学的现状

1.1 课程知识量大、要求高

本专业《机械基础》的培养目标是学生初步具备简单机械设计能力，掌握中等难度机械传动及结构。本门课程是整合了理论力学、材料力学、机械工程材料及热处理、机械原理及机械设计而形成的一门高职机械类及近机类专业所必修的基础课，是一门由基础理论过渡到实际应用的桥梁课程。其覆盖面广、内容量大、基础理论知识多且散、章节之间关联度不大，但却与实际工程紧密联系。

1.2 学生机械系统应用能力培养不足

项目实施相互独立，不具有全局性。教师虽然采用了项目教学，但却以独立的选材、安全校核、机构及零部件为单元组织项目教学，且选取的大部分载体学生只在图片或视频中见过，没见过实物。这种教学模式，脱离了“整机械”，而独立地讨论构件的安全性、零件选材和机构传动及联接问题，弱化了机械系统的思维，使学生不能从整体、全局的角度去分析问题，如缺失设计中最典型的自顶向下的设计思维、方案设计思维等，导致出现部分设计件无法加工或装配等问题，妨碍了学生机械设计工程能力的培养。

1.3 项目宏观使学生主动学习欲望较差

高职学生实践能力强，思维发散，但兴趣不长久，对理论尤其是推导性理论知识具有明显畏难情绪。而整机的项目实施融合了基础理论，往往需要大半学期的课时才能完成，致使学生失去成就感而丧失兴趣，进而缺失了主动学习的欲望。为了培养学生成为内在力与技能兼备的机械助理工程师，在教学实践中，结合周边产业布局，从分析本课程在专业岗位群中的培养目标要求出发，重新建构课程知识体系，设计若干典型微项目，将专业岗位的知识和能力目标融入工程项目中，形成以CDIO能力培养为本位的“微项目驱动”教学模式，有效提升学生的技术、思维、沟通及协作等能力。

2 基于CDIO微项目的《机械基础》课程改革

2.1 《机械基础》课程的CDIO能力培养目标矩阵

根据《机械基础》课程在目标岗位群中的培养要求，结合CDIO大纲2.0版本的人才培养标准，制定CDIO能力培养目标矩阵，以确定课程的学习目标，详见表1。表1中明确了要培养学生CDIO相关能力，需要服从CDIO大纲标准。本课程要求掌握常用传动机构和通用零部件的结构、工作原理、特点、设计思路、计算方法；熟悉常用专业资料的内容和查阅方法；基本掌握使用二维和三维CAD软件进行计算机辅助绘图和辅助设计能力等。

表1 机械基础CDIO能力目标矩阵

2.2 基于CDIO理念的微项目设计

微项目学习是项目学习法的灵活运用，是根据教学情境设置一个学生团队2～4学时左右即可完成的项目。大部分高职学生自律性较差，学习时间越长越容易放弃，这种耗时较少的微项目更有利于高效课堂，同时也有利于碎片化的时间学习。在并不长的课时内如何设计基于CDIO理念的微项目并运用于常态化的教学是本课程变革的关键。从《机械基础》课程地位出发，在充分考虑装备制造类专业不同岗位的知识和能力需求基础上，结合CDIO的培养矩阵，选取生活周边机器为载体，对《机械基础》课程内容体系进行重构，设计了如表2的典型项目任务。

3个项目内容相互独立，但前面项目的能力目标是后面项目的基础，能力层次逐渐加深，直至学生能掌握整机械的设计思路。各项目以学生能接触的实物机器为载体进行实施，大多数构件或零件学生都认识且了解其作用，因此对零件或构件的选材、受力状况及结构等问题的分析会较易入手，降低了学生的畏难情绪，让学生有信心、有更多的精力进行自主探索和深入研究。

但典型项目是需要较长教学课时才能完成，并不利于现在的课堂教学。因此从学生的认知规律出发，为应对课程的知识目标和能力目标，将典型项目拆分为若干个微项目。各微项目分别承载一定的知识目标和能力目标。例如，“机器设计”项目选择以摇头风扇为载体承担部分结构设计任务，设计了如图1的项目。通过以同一产品的不同部件为载体设计的微项目，层次分明，任务集中。随着各个微项目的完成，摇头风扇的设计这一顶层目标也就完成了，达到了培养学生整机械的教育目标，同时由于项目微小化，学生积极性也较高，课堂效率更好。

表2 《机械基础》典型项目任务

图1 以摇头风扇为载体的微项目

3 基于微项目的混合式教学实施

本课程一直以来的痛点是课时量少、任务繁重。在原有的教学中要求学生在短课时内掌握大部分知识技能，并能为工作所用，这一教学目标仅个别优秀学生达到。因此本课程教学团队将微项目结合在超星尔雅平台自建的SPOC进行混合式教学，充分利用学生课外时间进行基础知识学习。教学过程分为课前、课中和课后3个大环节实施，具体见表3。

表3 基于微项目的线上线下混合式教学设计

通过混合式教学方法，将定义、概念等基础知识从课堂内转移到线上实施，将课堂用于项目的实施，解决重难点问题，同时由于驱动项目的微小化，使得每2～4学时即可完成一个项目，学生成就感更足。课后发布相关的复测及拓展任务对该任务的知识点进行二次内化，有力强化了知识及技能的熟悉程度。在教学中采用过程评价与终结性评价相结合的方式，关注学生的过程实施，更有利于机械工程能力素养培养。本课程在超星平台的SPOC的评价组成包括了线上、线下与期末考试，其中线上成绩又包含了在线学习时长、访问量、微课、前后测验、课堂讨论、抢答等。

4 结语

本文提出了一种基于CDIO的微项目学习方法，即以CDIO为核心指导思想，明晰了课程的培养目标，以整机拆解的微项目为驱动手段，结合自建SPOC课程资源，进行线上线下混合式教学，充分调动了学生的学习积极性，由“要我学”转变为“我要学”，确立了其学习的主体性，提升了其自学能力，加深了机械系统的整体思维，同时在团队协作中锻炼了沟通与交流等能力。通过对本校2017、2018级学生的问卷调查，约有90.2%的同学认为通过改革后的课程可以达成学习目标，约有83.6%的同学对机械系统及自顶向下的设计思维有了系统的认识并认为对后续的《机械创新设计》及毕业设计有帮助。但课程实施中也面临一些还需改进的问题，如：教师如何通过同一项目评价个体能力有差异的学生，实现梯度式地人才培养；目前课程教学团队正在研究结合第二课堂对项目的深度与广度进行拓展，以实现梯度式的培养目标。基于微项目的混合式教学对教师的要求更高，要求教师从传统的教授者转变为项目的设计者，过程的管理者，教学的实施者等等，同时延伸了教师的教学时长，因此需要教师投入更多精力。