基于CDIO理念的教學(xué)模式改革研究
——以“機(jī)械制造工程原理與技術(shù)”為例

謝 霞，馬 超，黃秋爽

(陸軍軍事交通學(xué)院 1.基礎(chǔ)部；2.教務(wù)處，天津 300161)

隨著新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命的興起，科學(xué)知識(shí)激增，多學(xué)科交叉與融合現(xiàn)象越來(lái)越突出，這些都對(duì)工程教育的改革與發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。軍隊(duì)院校的工科軍事教育也應(yīng)順應(yīng)潮流，積極創(chuàng)新教學(xué)模式。本文借鑒“CDIO”發(fā)展理念，對(duì)“機(jī)械制造工程原理與技術(shù)”課程教學(xué)模式改革進(jìn)行了探索，以期提升教學(xué)效益，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

一、改革背景及意義

CDIO代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate)，是由美國(guó)麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)共同倡導(dǎo)并建立的一套工程教育理念和實(shí)施體系。它采用項(xiàng)目式教學(xué)，讓學(xué)生以主動(dòng)的、探索的、實(shí)踐的方式進(jìn)行有效學(xué)習(xí)。作為近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的最新成果[1]，自2005年引入中國(guó)以來(lái)，CDIO受到了國(guó)內(nèi)大學(xué)的高度關(guān)注和重視。汕頭大學(xué)、清華大學(xué)[2-3]、燕山大學(xué)[4-5]、上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京交通大學(xué)等高校都先后進(jìn)行了CDIO的改革，在提升學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力等方面都取得了良好效果。

“機(jī)械制造工程原理與技術(shù)”是我院機(jī)械工程、車(chē)輛工程等專(zhuān)業(yè)重要的背景課程，對(duì)于軍事科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新具有重要的支撐作用。課程在整體上由金工實(shí)習(xí)、工程材料和機(jī)械制造三大部分構(gòu)成，內(nèi)容多、涉及面廣，又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性、綜合性和跨學(xué)科性。實(shí)施CDIO將有助于提升課程教學(xué)質(zhì)量，有效改善當(dāng)前教學(xué)滿(mǎn)堂灌、研討課水平低、理論與實(shí)踐脫節(jié)等問(wèn)題。

二、改革內(nèi)容

(一)合理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

基于CDIO和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”理念，對(duì)“機(jī)械制造工程原理與技術(shù)”課程整體內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化重組，按照一條教學(xué)主線、兩個(gè)緊密結(jié)合的思路，構(gòu)建層次清晰、層層遞進(jìn)的知識(shí)體系，如圖1所示。

圖1 課程知識(shí)體系圖

1.一條主線

貼近崗位任職需求及部隊(duì)裝備實(shí)際，以車(chē)船典型零件的加工制造作為課程教學(xué)主線，引領(lǐng)、貫穿整個(gè)教學(xué)內(nèi)容。

2.兩個(gè)結(jié)合

在傳統(tǒng)材料、傳統(tǒng)工藝方法等傳統(tǒng)知識(shí)基礎(chǔ)上，增加新材料、智能制造等前沿科技知識(shí)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)與現(xiàn)代的結(jié)合；適當(dāng)減少鐵碳合金相圖等理論知識(shí)，降低理論難度，突出理論與實(shí)踐相結(jié)合。

依據(jù)上述思路，根據(jù)學(xué)員專(zhuān)業(yè)背景(機(jī)械工程/車(chē)輛工程)，選取車(chē)船裝備中最典型的零件(齒輪)作為CDIO大項(xiàng)目對(duì)象，將課程主要內(nèi)容通過(guò)大項(xiàng)目、子項(xiàng)目串聯(lián)起來(lái)，形成一個(gè)有機(jī)融合的整體。按照“選材-選熱處理-選成型方法-選加工方法”的生產(chǎn)制造流程，將齒輪的加工制造項(xiàng)目劃分為齒輪的選材、齒輪熱處理工藝的選擇、齒輪成型方法選擇、齒輪加工方法選擇四個(gè)子項(xiàng)目，最終完成總的項(xiàng)目目標(biāo)。本課程CDIO項(xiàng)目總體架構(gòu)如圖2所示。

(二)科學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)流程

教學(xué)設(shè)計(jì)是教學(xué)實(shí)施的重要一環(huán)，也是保證教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。CDIO的教學(xué)設(shè)計(jì)是以培養(yǎng)學(xué)員工程化思維為抓手，以需求牽引教學(xué)，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐，按照“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行、反思”邏輯鏈路，系統(tǒng)科學(xué)地設(shè)計(jì)實(shí)施步驟，構(gòu)建“學(xué)為主體、教為主導(dǎo)”的問(wèn)題式、互動(dòng)式、探究式教學(xué)模式。

本課程CDIO項(xiàng)目具體實(shí)施流程如圖3所示。每個(gè)子項(xiàng)目分解為課前、課中、課后三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行。在課前，教員布置作業(yè)，學(xué)員以小組(每組4-6人)為單位，充分利用各類(lèi)公共網(wǎng)絡(luò)資源及教學(xué)團(tuán)隊(duì)自行開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)課程、微課程等資源，自學(xué)相關(guān)內(nèi)容，并經(jīng)過(guò)小組頭腦風(fēng)暴得到初步方案；在課中，教員講解重、難點(diǎn)，進(jìn)行點(diǎn)撥、指導(dǎo)，學(xué)員再次討論、修改，形成較為完善的方案并進(jìn)行匯報(bào)演示與答辯，教員及其他學(xué)員可進(jìn)行提問(wèn)，最后由教員進(jìn)行點(diǎn)評(píng)；在課后，學(xué)員撰寫(xiě)書(shū)面總結(jié)報(bào)告。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)員是教學(xué)的主體，教員主要起引導(dǎo)作用。引導(dǎo)學(xué)員利用各類(lèi)信息資源，獨(dú)立探尋問(wèn)題的答案；對(duì)重要的知識(shí)點(diǎn)和學(xué)員不易理解的難點(diǎn)，進(jìn)行重點(diǎn)講解；對(duì)學(xué)員的方案進(jìn)行提問(wèn)及點(diǎn)評(píng)。

圖2 CDIO項(xiàng)目總體架構(gòu)魚(yú)骨圖

圖3 CDIO項(xiàng)目實(shí)施流程圖

(三)積極開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，遴選主題進(jìn)行實(shí)踐，鼓勵(lì)學(xué)員參加學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)賽課融合，以賽促課。

1.課上實(shí)驗(yàn)

根據(jù)CDIO對(duì)學(xué)員能力素質(zhì)的要求，將實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、拓展實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)四種類(lèi)型。其中，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，也是必做實(shí)驗(yàn)，主要目的是鞏固課堂所學(xué)知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)概念的理解；其余為選做實(shí)驗(yàn)，對(duì)課堂知識(shí)進(jìn)行延伸和提升，供學(xué)有余力的學(xué)員利用課余時(shí)間選做。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由“單一型”向“綜合型”的轉(zhuǎn)變，實(shí)驗(yàn)方法由“示范型”“驗(yàn)證型”向“參與型”“開(kāi)發(fā)型”“研究型”的轉(zhuǎn)變[6]。

本課程通過(guò)鋼鐵材料的火花鑒別、顯微組織觀察、鋼的熱處理、鋼的硬度測(cè)量、齒輪精度測(cè)量等必做實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)學(xué)員所設(shè)計(jì)的材料選擇、熱處理等項(xiàng)目方案進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)項(xiàng)目的合理性。

2.課上實(shí)習(xí)

實(shí)習(xí)是對(duì)學(xué)員綜合能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)。本課程實(shí)習(xí)主要包括實(shí)際操作練習(xí)和見(jiàn)習(xí)實(shí)習(xí)兩部分。其中，實(shí)際操作練習(xí)包括車(chē)工、鉗工、焊工、機(jī)械裝調(diào)裝置實(shí)訓(xùn)等，為基本訓(xùn)練，使學(xué)員掌握基本的操作技能，培養(yǎng)學(xué)員基本的工程實(shí)踐能力；見(jiàn)習(xí)實(shí)習(xí)包括銑削、刨削、磨削和齒輪加工等傳統(tǒng)加工方法以及數(shù)控加工、3D打印、五軸數(shù)控模擬加工等先進(jìn)加工技術(shù)，這些可以充分體現(xiàn)課程的信息(智能)元素，在課內(nèi)學(xué)時(shí)有限的情況下，幫助學(xué)員了解更多先進(jìn)的制造工藝方法和發(fā)展趨勢(shì)，了解學(xué)科前沿，開(kāi)闊視野，拓展思維。在實(shí)習(xí)過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)前面CDIO項(xiàng)目的驗(yàn)證。

3.課外創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)

鼓勵(lì)學(xué)員將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到課外實(shí)踐中，如參加“機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”“天津市挑戰(zhàn)杯”“天津市TRIZ創(chuàng)新大賽”等學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新意識(shí)、工程思維、實(shí)踐能力以及團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)、交流溝通能力。近兩年，我室教員指導(dǎo)學(xué)員參加國(guó)家級(jí)、市級(jí)和學(xué)院級(jí)各類(lèi)機(jī)械創(chuàng)新競(jìng)賽活動(dòng)，獲獎(jiǎng)近20項(xiàng)，充分展示了CDIO的實(shí)踐效果。

(四)系統(tǒng)構(gòu)建評(píng)價(jià)方式

CDIO從理論知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用，強(qiáng)化學(xué)習(xí)過(guò)程的動(dòng)態(tài)性，強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)方式的科學(xué)性和合理性。因此，需要引入多階段考核方案，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程評(píng)價(jià)，強(qiáng)化過(guò)程性考核，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)的比重。

針對(duì)本課程內(nèi)容多、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，以能力素質(zhì)和發(fā)展?jié)摿Φ木C合考查為目標(biāo)，建立基于CDIO的多元化評(píng)價(jià)方式，進(jìn)行多階段、多角度和全過(guò)程考核，重點(diǎn)突出實(shí)踐性考核和能力考核。在考核成績(jī)上，區(qū)分團(tuán)隊(duì)考核、小組考核和個(gè)人考核；在考核方式上，形成性考核和終結(jié)性考核相結(jié)合。其中，形成性考核采用匯報(bào)演講、撰寫(xiě)報(bào)告、答辯、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)實(shí)操等多種形式，占比提高到40%；終結(jié)性考核以筆試為主，題目類(lèi)型以能力測(cè)試類(lèi)為主、知識(shí)測(cè)試類(lèi)為輔，真正實(shí)現(xiàn)由考知識(shí)向考能力轉(zhuǎn)變。

(五)全面建設(shè)支撐條件

配套支撐條件建設(shè)也是CDIO教學(xué)模式實(shí)施的基本基礎(chǔ)和重要保障。

1.編寫(xiě)CDIO項(xiàng)目教學(xué)文件

根據(jù)前述CDIO實(shí)施流程，按照項(xiàng)目式教學(xué)的特點(diǎn)，突出工程案例應(yīng)用特色， 編寫(xiě)適合本課程CDIO項(xiàng)目教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)和講義，為課程教學(xué)實(shí)施提供指導(dǎo)和依據(jù)。

2.完善實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件配套

通過(guò)對(duì)金工實(shí)習(xí)車(chē)間進(jìn)行改造升級(jí)，新建機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室等實(shí)踐場(chǎng)地，為學(xué)員開(kāi)展項(xiàng)目提供了良好的平臺(tái)。目前，3D打印機(jī)、五軸數(shù)控模擬機(jī)床、裝調(diào)裝置、機(jī)械手臂等相關(guān)設(shè)備已經(jīng)到位，并進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，為學(xué)員的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)提供了更便利的條件。

3.建設(shè)相關(guān)教學(xué)資源

近年來(lái)，本課程積極開(kāi)展各類(lèi)信息化、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源建設(shè)，不僅為教員課堂教學(xué)提供了豐富多彩的教學(xué)素材，也拓展了學(xué)員的課外學(xué)習(xí)空間，為開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐提供了資源支持。

目前，本課程已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成“機(jī)械制造工程原理與技術(shù)”網(wǎng)絡(luò)課程1門(mén)、微課7門(mén)、工程材料虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1個(gè)，編寫(xiě)了《機(jī)械制造工程原理與技術(shù)實(shí)踐教程》《機(jī)械制造工程原理與技術(shù)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題集》等輔助教材2本。這些資源各有側(cè)重，如微課程主要針對(duì)教學(xué)重難點(diǎn)內(nèi)容，通過(guò)視頻展示，幫助學(xué)員加深理解；虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件則通過(guò)文本、圖形、動(dòng)畫(huà)和視頻等多媒體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的虛擬演示，不僅有利于學(xué)員的自主學(xué)習(xí)，也為新型信息化教學(xué)手段和教學(xué)模式的實(shí)施奠定了良好基礎(chǔ)。此外，教員還可以利用課程網(wǎng)站平臺(tái)開(kāi)展“在線點(diǎn)評(píng)”“在線實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)”，實(shí)現(xiàn)學(xué)員課內(nèi)課外、線上線下的一體化學(xué)習(xí)，不受時(shí)間空間限制。

三、結(jié)語(yǔ)

本文基于CDIO理念，從優(yōu)化重組教學(xué)內(nèi)容、科學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)流程、積極開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)、系統(tǒng)構(gòu)建評(píng)價(jià)方式、全面建設(shè)支撐條件等五個(gè)方面，對(duì)“機(jī)械制造工程原理與技術(shù)”課程教學(xué)模式的改革進(jìn)行了探索。實(shí)踐表明，教學(xué)模式改革在提升學(xué)員創(chuàng)新思維、工程意識(shí)、創(chuàng)新能力等方面取得了良好的效果，主要體現(xiàn)在學(xué)員競(jìng)賽獲獎(jiǎng)成果增多，考試成績(jī)提高等方面。目前，該教學(xué)模式仍在探索和實(shí)踐中，期待有更多成效出現(xiàn)。