基于CDIO理念的工程训练课程建设

时间：2024-04-24

王景磊王清华臧琛

摘要：为了提升工程训练的办学层次和育人质量，建设基于CDIO理念的工程训练课程是必要且可行的。课程建设以教学设计和教学组织为核心内容，以师资力量、学生学识基础和教学案例与物料供应为基础支撑条件，以竞赛和项目联合为扩展和延伸。在以CDIO理念为指导思想的工程训练中，教师成为导师与技术顾问，以工程师的工作模式培养学生的工程素养;学生在做中学，以合作分工的形式完成以工业产品的设计和制造为主要内容的综合性学习和训练，实现理论知识与实践技能的有机结合。

关键词：工程训练;课程建设;CDIO;工程教育

中图分类号：G4 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2020.34.066

0 引言

工程训练是工程教育的重要实践环节，它担负着培养学生工程素养，启发学生创新意识的重要职能。工程训练涵盖的知识面广泛，系统性与综合性较强，其理论与实践相结合的鲜明特点决定了它在工程教育体系中发挥着其他理论与实验课程无法替代的独特作用。工程训练脱胎于金工实习，长期以来，工程训练一直延续着“师傅教，徒弟学”的教学模式，学生学习的过程主要是重复教师的操作方法和步骤，缺乏自主思考和创造。这种教学模式注重对学生进行技能训练，其弊端显而易见，教师的劳动强度大且精神高度紧张，学生进行被动学习而非主动解决问题，收获十分有限。这种教学模式适合于培养技术工人而非工程师，这与本科工程教育的人才培养目标存在着较大的差距。

CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）、运行（Operate），它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对工程进行系统学习。CDIO理念以培养学生的工程技术基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力为主要目标，它强调“在做中学”，这与工程训练的理论与实践相结合的特点高度契合。CDIO理念为工程训练教学模式的改革和新的课程建设带来了思想启迪，以CDIO理念为指导实施工程训练课程建设及其教学的改革和创新，以工程师的标准培养学生，使学生在设计创新、解决实际工程问题、合作分工及沟通协调等方面得到全面系统的训练和提升，这是完全必要而且可行的。目前，CDIO理念已经被越来越多地植入和运用于一些工科理论与实验课程中，但是在工程训练中的运用尚处于探索试验阶段。

1 课程建设的目标

以CDIO理念建设工程训练课程，目的在于提升工程训练的办学层次和育人质量，把育人目标从培养技术工人提升为培养工程师，将教学的重点定位于设计创新、解决实际工程问题，强调工程设计与制造的有机结合。要把学生培养成能够全面思考问题，综合运用已有理论知识解决实际工程问题，或者能够为某个工程问题提供综合性解决方案的工程师型的人才。

2 课程的教学设计

基于CDIO理念的工程训练课程要体现理论与实践相结合的教学要求，突出“在做中学”的教学特点，实现工程设计与制造的有机结合。要以简单工业产品为载体，要求学生以合作分工的形式完成从产品功能分析、构件拆分、加工方案选择、零件设计与加工工艺制定、零件的加工制造、产品装配调试与功能实现、产品设计文件的整理到答辩陈述等环节组成的完整训练过程，每个训练环节都要贴近工程师的实际工作要求。训练流程如图1所示。

依据训练流程，以一种实用小台灯为具体案例来说明基于CDIO理念的工程训练课程建设的教学设计。

2.1 小台灯的功能分析

台灯的照明功能由电路实现和控制，实体的安全性和稳定性则由组成台灯的零部件决定，因此，小台灯的设计与制造分为电路与实体零部件两大部分。这里着重对实体零部件进行分析。

2.2 小台灯的构件拆分

构成小台灯的实体零部件应该实现遮光、支撑、连接、稳定放置和美观等功能，一般包括灯罩、灯口、支撑架、连接柱体（灯身）、底座和连接螺钉等，其简单模型如图2所示，构件拆分如图3所示。

2.3 加工方案选择

选择加工方案要考虑零件的材料属性、外形特点和尺寸精度等要求。对于灯口、灯身圆柱筒和螺钉等零件，其外形都具有回转表面的特征，主要起连接作用，以螺纹连接即可，这些零件的尺寸不大，但对尺寸精度有一定要求，可以采取车削加工。底座要有一定的重量以起到稳定灯身的作用，尺寸稍大，可考虑选取金属材料为加工原料，采用线切割方法下料并加工轮廓外形。底座上表面可以有装饰性的凸起花纹，由于形状较复杂，可以考虑采用数控铣削加工。支架尺寸小，其上有連接孔，可以采用钳工加工。灯罩也为薄壁零件，尺寸大，如采用切削加工方法则材料浪费较多，可以考虑采用3D打印的方法加工。

2.4 零件设计与加工工艺制定

零件设计与加工工艺制定是训练的重点内容，考查学生联系和运用理论知识的能力。零件设计时要综合考虑被加工材料的特性、以何种机械结构实现零件的功能、加工精度、美观性、零件之间的配合等问题。制定加工工艺时要综合考虑如何安排工序、如何选取切削用量、使用什么样的机床、刀具与夹具，机床的实际情况以及机床操作者的操作技能和熟练程度等因素。总的原则是零件设计要简单实用可靠，加工工艺要简单合理可行，另外还要考虑加工手段的多样性和经济性。以最适合的加工方法加工每一种零件，最终要以零件图和工艺卡片或数控程序来表达设计和加工意图。各零件的造型设计如图4、5、6、7、8、9所示。各零件图纸如图10、11、12、13所示。

2.5 零件的加工制造

零件的加工制造是训练的重点内容，考查学生的安全意识和操作技能。在零件图与加工工艺得到工程训练教师认可之后，学生按照选定的加工方案分工种完成零件的加工。学生要严格遵守安全守则，按照加工工艺完成加工流程。教师要全程监控学生的加工情况，及时处理机床、刀具等安全问题，保证人与设备的安全，确保零件的加工质量。

2.6 产品的装配调试

将加工好的零件按照设计图纸进行装配，保证零件之间正确的连接关系，如出现零件加工质量问题则返工处理。对于小台灯的照明电路这里不做详细讨论，小台灯的装配效果如图15所示。

2.7 产品设计文件的整理

在前述环节完成之后，学生要将所有设计文件归纳整理，包括零件设计图纸、加工工艺卡片、数控加工程序、加工现场照片及零件实物照片，电路原理图等文件。撰写产品设计说明书，可参照有关规范文件，要求内容简明严谨规范。

2.8 答辩陈述

在答辩环节，学生除了要阐述产品设计制造等关键问题之外，还要着重说明在整个训练过程中团队合作与个人分工情况，对产品设计的改进方案等内容。答辩环节是对学生理论知识、实践技能和团队协作与分工情况的全面了解，评分标准如表1所示。

3 课程的教学组织

如果把教学设计比喻为零件图纸，那么教学组织就是工艺卡片，充分的教学组织可以促进教学设计产生良好的教学效果。为了突出CDIO工程教育理念的“做中学”的特点，学生要成为整个教学和训练过程的主角，在教学组织工作中要着重做好师生的角色转变、师生互动和教学形式的多样性等三方面的工作。

3.1 教师与学生角色的转变

以CDIO理念建设工程训练课程，教师与学生的角色要发生转变。教师将不再是师傅，而是导师加技术顾问，除了保证学生使用加工设备的安全之外，更要在学生进行选型设计、加工方案选择和加工工艺制定等方面提供理论指导和技术支持，辅导学生“试着做一名工程师”。学生将不再是学徒，不再亦步亦趋地模仿和重复老师的操作，学生要通过分工合作的方式自主完成产品的选型设计、加工方案和工艺制定、加工制造以及装配调试等内容，要真正地尝试着做一名工程师，用团队的力量解决问题。

3.2 师生互动的要求

为了达成良好的教学效果，学生与教师要形成良性互动。对于学生的总体要求是要以团队的形式参与并完成训练，保持充分的沟通，所有人既要群策群力，共同讨论决策，达成一致意见，又要有明确的个人分工，每个人对于总体目标的达成要有自己的贡献度。对于教师的总体要求是做好学生的导师和顾问，做到把握正确方向，纠正思路偏差，提供可行建议，保证人机安全。训练过程中学生与教师的互动要求如表2所示。

3.3 教学形式

教学形式可以采取线上与线下相结合的混合式教学，将讨论环节放在线上完成，设计与加工制造放在线下完成。另外，在教学组织中应注意融入课程思政的内容，例如责任与使命、工匠精神、安全意识、质量意识、合作意识、综合性思维和工程素养等，实现对学生潜移默化的影响，在提高学生专业素质的同时提升其人文素养。

4 课程建设的其他方面

建设基于CDIO理念的工程训练课程是一项系统工作，教学设计和教学组织是核心建设内容，其他方面的支持条件也必不可少。

4.1 师资保障

授课教师应是“一专多能”型的复合人才，即精通一种加工工艺，同时熟悉其他多种加工方法，能够承担多个工种的教学任务。参与教学的教师人数不应过多，以3-5人为宜，要求教师具有系统扎实的理论知识，丰富的工程训练教学经验或一定年限的制造类企业技术岗位从业经历，教师组合最好以讲师加工程师的搭配为宜，教师队伍要具备解决实际工程问题的能力。

4.2 学生应具备的条件

基于CDIO理念的工程训练课程综合性较强，办学层次较高，因此对学生的基础条件提出了更高的要求。学生应具备一定的机械专业基础知识和查找资料的能力，能够识图制图，进行简单设计，接触过机床设备并可进行简单操作，具有良好的表达和沟通协调能力，要求学生在个体能力和团队意识上都具有一定的基础。因此，学生群体应以本科三年级及以上的机械类相关专业学生为主。目前，此课程适宜以选修课的形式对部分学生开放，学生在完成所有训练环节并答辩之后，取得学分，设计文件存档。

4.3 教学案例及物料

教学案例以生活用品或实验器具等简单工业产品为原型，其来源以学生提供为主，工程训练教学部门提供为辅，工程训练教学部门应准备一套案例库，并且案例库应不断丰富完善。另外，加工用原材料应以教学单位提供为主，学生自购为辅，材料的经济成本要控制在合理范围内。

4.4 与其他项目及竞赛的关系

此课程可以与一些包含设计与制造内容的教学项目联合开展，互为补充，促进提升。具备条件的学校甚至可以与企业合作，开展联合办学，将企业案例引入课堂或者把部分教学环节放到企业完成。此课程可以作为学生参加各类竞赛的培训课程，可以在学习此课程的学生团队中择优推荐其参加校内外的高水平竞赛。

5 结论与展望

基于CDIO理念的工程训练课程定位于理论与实践相结合的工程师型的人才培养模式。建设基于CDIO理念的工程训练课程是一项系统性工作，教学设计与教学组织是核心建设内容，师资力量、学生基础条件、教学案例与物料是必备物质条件，竞赛与项目联合则是对此课程的引申发展。

工程训练课程的建设和改革任重而道远，基于CDIO理念的工程训练课程建设是对传统工程训练教学的改革和提升，是实行工程师教育的大胆且有益的探索和尝试。这种探索和尝试对于全面培养学生的工程素养、提升工程训练教师队伍水平、提高工程训练教学质量和推动高校工程教育的深入发展都将起到积极而重大的促进作用。

参考文献

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[4]李正，林凤.从工程的本质看工程教育的发展趋势[J].高等工程教育研究，2007，（2）：1925.