基于CDIO教學模式的機械原理教材建設(shè)實踐

杜惠萍

【摘 要】CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。為了適應(yīng)新形勢下對人才培養(yǎng)的新要求，有許多高校將CDIO教學模式應(yīng)用于機械原理課程教學中，新的教學模式需要與之適應(yīng)的機械原理教材。本文詳細介紹了基于CDIO教學模式的機械原理教材及其輔助數(shù)字化教學資源的建設(shè)，探索面向“新工科”，適應(yīng)不同教學模式、不同層次的教材建設(shè)的新模式。

【關(guān)鍵詞】CDIO;機械原理;教材建設(shè)

我國制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級的攻堅期，隨著制造業(yè)的改造升級，對人才的知識結(jié)構(gòu)提出了新要求。為培養(yǎng)造就一大批引領(lǐng)未來技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力支持和人才保障，建立了“厚基礎(chǔ)、寬知識、重個性、強能力、高素質(zhì)”的人才培養(yǎng)目標。機械原理課程是高等學校普遍開設(shè)的一門核心技術(shù)基礎(chǔ)課程，在機械類專業(yè)人才培養(yǎng)，尤其在機械創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中占據(jù)重要的教學地位。為適應(yīng)新形勢下的人才培養(yǎng)要求，機械原理課程的教學模式、研究對象、教學內(nèi)容也隨之發(fā)生了變化。

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO代表 Conceive （構(gòu)思） 、Design（設(shè)計） 、Implement（實施） 和 Operate（運作） 。CDIO工程教育模式的目標是為學生提供一種強調(diào)工程基礎(chǔ)的、建立在真實世界的產(chǎn)品和系統(tǒng)的構(gòu)思（conceive）-設(shè)計（design）-實施（implement）-運行（operate）過程的背景環(huán)境基礎(chǔ)上的工程教育。它將工程師必須具備的工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和整個CDIO全過程能力以逐級細化的方式表達出來，使工程教育改革具有更加明確的方向性、系統(tǒng)性。CDIO體現(xiàn)了系統(tǒng)性、科學性和先進性的統(tǒng)一，代表了當代工程教育的發(fā)展趨勢。許多地方性高校將CDIO理念引入教學活動中，進行以提高學生應(yīng)用能力為目標的教學改革，目前也取得了一些成效。作為機械類專業(yè)的主干課程，機械原理主要研究常見機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計方法，基于CDIO教學模式的《機械原理》教材也應(yīng)運而生，高等教育出版社出版的江帆、董克權(quán)、龐小兵主編的《機械原理》（圖1）便是其中之一。

一、教材的特點

1.內(nèi)容結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)教材。按照驅(qū)動項目的CDIO流程來組織教材的整體結(jié)構(gòu)，便于學生邊實踐邊學習理論知識，理論與實踐并行，所以其內(nèi)容結(jié)構(gòu)也與傳統(tǒng)教材不同，采用項目驅(qū)動式，按照實踐項目的CDIO過程組織，分為構(gòu)思（conceive）模塊、設(shè)計（design）模塊、實施（implement）模塊、運行（operate）模塊和知識擴展模塊五部分。在項目構(gòu)思（conceive）階段需要了解機構(gòu)是如何組成的、有哪些常用機構(gòu)、機械運動方案如何構(gòu)思等，應(yīng)對這個實踐需求，在構(gòu)思模塊中設(shè)置了機構(gòu)的組成原理、常用機構(gòu)、機械運動方案設(shè)計等內(nèi)容。在項目設(shè)計（design）階段需要掌握機構(gòu)設(shè)計方法，因此在設(shè)計模塊中設(shè)置了連桿機構(gòu)設(shè)計、凸輪機構(gòu)設(shè)計、齒輪機構(gòu)設(shè)計、輪系設(shè)計等內(nèi)容。在項目實施（implement）階段需要對機構(gòu)進行分析，因此在實施模塊中設(shè)置了機構(gòu)運動分析、機構(gòu)力分析等內(nèi)容。在項目運行（operation）階段，可能碰到有關(guān)效率、自鎖、平衡、波動調(diào)節(jié)等問題，因此在運行模塊設(shè)置了機械效率與自鎖、機械的平衡、機械的運轉(zhuǎn)及其速度波動的調(diào)節(jié)等內(nèi)容。通過以上結(jié)構(gòu)布置，在不同的項目階段可以及時給予相關(guān)的知識點，并輔助于實際工程案例，達到學與用同步、理論與實踐協(xié)同的目的。最后還介紹了機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法及優(yōu)化方法（包括再生鏈的桿機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法、TRIZ理論機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法、機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等）、機構(gòu)設(shè)計與分析的MATLAB編程等擴展知識，以引導學生們能夠應(yīng)用創(chuàng)新思維與創(chuàng)新方法設(shè)計更為合理的創(chuàng)新機構(gòu)。

2.大量具有工程應(yīng)用背景的案例加持。教材中的案例結(jié)合地方性高校學生的特點，采用“知識點講解—例題—強化訓練題—習題”的呈現(xiàn)形式，循序漸進，由淺入深，使學生們更加牢固地掌握知識點，并且逐漸引導學生融入機構(gòu)的工程應(yīng)用環(huán)境。特別是第二章章后習題中給出大量生產(chǎn)實際中的機構(gòu)，通過繪制這些機構(gòu)的機構(gòu)簡圖，讓學生充分了解機構(gòu)種類及基本構(gòu)成。同時課后習題給出多種類型的，便于學生適應(yīng)考試題型。

3.增加了創(chuàng)新思維與創(chuàng)新方法的內(nèi)容。教材中介紹了再生運動鏈桿機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法、TRIZ理論機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法及機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，結(jié)合實際案例，逐漸引導學生在學習基本知識的同時，應(yīng)用創(chuàng)新思維與創(chuàng)新方法設(shè)計更為合理的創(chuàng)新機構(gòu)。

4.兼容經(jīng)典知識點和現(xiàn)代新型機構(gòu)知識，注重知識的更新與計算機技術(shù)（如機構(gòu)設(shè)計與分析的編程）和機構(gòu)技術(shù)發(fā)展。機構(gòu)學是新工科新興專業(yè)之一——機器人工程專業(yè)的核心課程之一，教材中緊密結(jié)合機器人技術(shù)，案例中大量涉及機械手機構(gòu)、機器人等相關(guān)內(nèi)容，并介紹了許多傳統(tǒng)教材中基本不涉及或者只做簡單介紹的新型機構(gòu)，除使學生掌握經(jīng)典的機構(gòu)設(shè)計與分析方法，將進一步擴展學生的知識面。

5.滿足“兩性一度”標準。本教材中大量工程背景的題目保證了本書的高階性，結(jié)合創(chuàng)新機構(gòu)設(shè)計與新型機構(gòu)、編程等保證了課程的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，以滿足教育部關(guān)于金課的“兩性一度”（高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度）標準。

二、立體化資源的配備

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)、手段的不斷進步，教材的輔助資源更加豐富，訪問更加方便直接，也能更好地服務(wù)于高校的教學工作。

本教材每章末附有大量習題，其中包括選擇題、判斷題、填空題、計算題等多種題型，以供教師創(chuàng)建隨堂測試題、課后考卷和學生課后復習所用。本教材中共有近500道習題，其中大量采用實際案例，還可供參與各種創(chuàng)新大賽的學生和教師參考所用。為了方便教師和學生使用，隨本教材一起出版的還有電子習題解答。電子習題解答中，作者對每一題做了詳細的解答，圖文并茂。可掃書中二維碼鏈接購買，不需要再購買紙質(zhì)書，隨做隨查，方便實用。

本教材還配有高等教育出版社線上的abook數(shù)字課程。將課程相關(guān)的多媒體課件和教學資料等以數(shù)字課程的形式與教材同步出版。多媒體課件中包含了大量實例的靜態(tài)圖形圖像，展示了各機構(gòu)的平面結(jié)構(gòu)、運動軌跡及新機構(gòu)的外形特征等。由于本教材是根據(jù)CDIO教學模式組織內(nèi)容結(jié)構(gòu)的，所以其教學計劃、教學進度安排、教案等會有所不同。為了方便選擇本教材的教師的使用，作者還將教學計劃、教學進度安排、教案、實驗指導等內(nèi)容配于本教材的數(shù)字課程中。數(shù)字課程的具體使用流程可參見書前數(shù)字課程說明頁，密碼在教材封底的防偽標上提供。多種類型的多媒體素材不僅擴展了教學內(nèi)容，還活躍了課堂氣氛，為學生自學和師生互動提供了輔助資源和手段，有效提升了學生的學習興趣，數(shù)字課程的同時出版實現(xiàn)線上、線下教學的融合。

三、小結(jié)

教材建設(shè)是課程建設(shè)的重要組成部分，也是課程改革的主要呈現(xiàn)形式。應(yīng)教育改革新形勢的發(fā)展，不斷有新的教學模式應(yīng)用于實際教學中，這樣與之適應(yīng)的教材必須跟上，才能使整個教學改革更加完整，還有先進教學手段的加持，收效更加突出。廣州大學江帆等主編的《機械原理》教材是一本基于CDIO教學模式的機械專業(yè)基礎(chǔ)課的新形態(tài)教材，以輔助地方性高校師生開展混合式的機械原理教學，配合教師在教學模式上的革新，積極引導學生開展機械原理課程的線上線下的混合式學習。

【參考文獻】

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