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CDIO在軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)課程改革中的應(yīng)用
CDIO在軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)課程改革中的應(yīng)用于鳳琴 黃華貴 左大為 陳雷
（燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北秦皇島066004）
[摘要] 將CDIO的工程理念應(yīng)用在軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)課程中，把課程內(nèi)容細(xì)化為多個(gè)重點(diǎn)教學(xué)模塊，使其與實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目有機(jī)的結(jié)合起來，加強(qiáng)課程之間的聯(lián)系。通過項(xiàng)目的實(shí)施，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和綜合素質(zhì)。經(jīng)過教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的檢驗(yàn)，該教學(xué)模式的改革取得了較好的教學(xué)效果。
[關(guān)鍵詞] 軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)；CDIO;教學(xué)改革
[中圖分類號]G642.O
[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A
[文章編號] 1005-4634 （2012） 06-0067-04
0 引言
CDIO （concelve -構(gòu)思，design -設(shè)計(jì)，im—plement -實(shí)施，operate -操作）是由MIT和瑞典幾所大學(xué)在Wallenberg基金資助下，經(jīng)過幾年研究于2004年創(chuàng)立。這個(gè)教育模式的載體是以產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、探索、運(yùn)行全生命周期為背景的教育理念，以CDIO教學(xué)大綱和標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、課程之間具有有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)和獲取工程能力，包括個(gè)人的科學(xué)和技術(shù)認(rèn)識、終身學(xué)習(xí)能力、交流和團(tuán)隊(duì)工作能力Ⅲ。
CDIO工程教育理念是充分利用大學(xué)學(xué)科齊全、學(xué)習(xí)資源豐富的條件，以盡可能接近工程實(shí)際，涉及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、企業(yè)和社會的團(tuán)隊(duì)綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目為主要載體，結(jié)合專業(yè)核心課程的教學(xué)，使學(xué)生得到全面的訓(xùn)練和提高。
我國的工程教育理念起源于前蘇聯(lián)的專業(yè)定向模式，該模式采用適應(yīng)計(jì)劃經(jīng)濟(jì)要求的定向培養(yǎng)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺少主動性和創(chuàng)造性，學(xué)生在團(tuán)隊(duì)精神、交流能力和多學(xué)科、系統(tǒng)掌控能力等方面得不到鍛煉。
《軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)》是軋鋼專業(yè)本科生的重要專業(yè)課之一，著重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決軋鋼主要設(shè)備和輔助設(shè)備工程問題的能力，有助于學(xué)生對基本知識、基本理論和基本技能的訓(xùn)練，使學(xué)生牢固掌握軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和基本方法，為解決工程技術(shù)問題打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本課程的目標(biāo)是通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠掌握軋鋼機(jī)械的組成以及工作原理、主要軋鋼設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型，掌握主要設(shè)備的參數(shù)選擇方法以及強(qiáng)度和變形校核等方法。
軋鋼專業(yè)是燕山大學(xué)的傳統(tǒng)專業(yè)，本專業(yè)具有悠久的歷史，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，為適應(yīng)科技發(fā)展、市場變化和學(xué)分制改革等宏觀環(huán)境的變化，軋鋼專業(yè)的課程體系也在不斷進(jìn)行改革。(職教論文 m.panasonaic.com)將CDIO模式應(yīng)用到軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)的教學(xué)中，細(xì)化教學(xué)模塊，把教學(xué)模塊分為多個(gè)項(xiàng)目，通過項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)一步提高學(xué)生軋鋼機(jī)械的設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐能力。
1 基于CDIO模式的教學(xué)改革
1.1理論教學(xué)的改革
本課程的傳統(tǒng)的教學(xué)模式是教師從頭講到尾，是灌輸式教學(xué)模式，反復(fù)強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)章節(jié)和內(nèi)容，造成學(xué)生強(qiáng)烈的依賴心理，失去了對課程的好奇心和學(xué)習(xí)的主動性，也沒有對本課程產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，對課程知識的掌握達(dá)不到理想的效果，特別是課程的目的性不明確，重點(diǎn)難點(diǎn)不清楚。
針對上述問題，首先在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，要按照教學(xué)大綱和教學(xué)日歷精心安排教學(xué)內(nèi)容。教案首頁應(yīng)體現(xiàn)每章節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)、主要授課內(nèi)容、授課達(dá)到的教學(xué)目的以及對學(xué)生的理論和實(shí)踐的要求，末頁制定合理的課后復(fù)習(xí)題及隨堂作業(yè)、課后作業(yè)，對學(xué)生的作業(yè)進(jìn)行啟發(fā)，給出解題思路及解題步驟，對每章節(jié)進(jìn)行總結(jié)。
其次，經(jīng)過對本課程內(nèi)容的仔細(xì)研究，精心規(guī)劃課程內(nèi)容，把重點(diǎn)內(nèi)容分為若干模塊，每個(gè)模塊設(shè)有1——2個(gè)項(xiàng)目。在教學(xué)過程中，將課堂教學(xué)、查閱資料、做項(xiàng)目和寫匯報(bào)、完成項(xiàng)目相結(jié)合，將理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目配套進(jìn)行，以學(xué)生自學(xué)后完成項(xiàng)目為目標(biāo)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，增強(qiáng)理論與實(shí)踐間的聯(lián)系，使學(xué)生熟悉和掌握知識重點(diǎn)。
1.2將實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目安排到教學(xué)過程中
將實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目穿插到教學(xué)中，教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目聯(lián)系起來，使學(xué)生有針對性的獲取知識重點(diǎn)。學(xué)生利用課余時(shí)間查資料、做實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目、寫實(shí)驗(yàn)及項(xiàng)目報(bào)告，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神、相互合作能力。
將實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目與理論教學(xué)同時(shí)進(jìn)行，在進(jìn)行理論課教學(xué)時(shí)，同時(shí)下達(dá)實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目的任務(wù)書，給出對實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目的要求，使學(xué)生在拿到任務(wù)書的時(shí)候就開始進(jìn)入角色，有重點(diǎn)和針對性的獲取理論知識。同時(shí)，讓學(xué)生利用課余時(shí)間查閱資料，了解相關(guān)的內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。因?yàn)閷W(xué)生在接觸本課程時(shí)，就知道本課程的知識結(jié)構(gòu)、重點(diǎn)內(nèi)容，通過這門課的學(xué)習(xí)，他們知道能夠?qū)W會什么、做什么、課程之間的聯(lián)系是什么，希望項(xiàng)目成功的欲望會推動他們努力學(xué)習(xí)理論課。在理論授課期間，教師應(yīng)多次提示學(xué)生項(xiàng)目的重點(diǎn)、考慮的核心內(nèi)容、項(xiàng)目的思路等，及時(shí)與學(xué)生溝通，使項(xiàng)目順利進(jìn)行，避免學(xué)生的盲目性。
1.3重視項(xiàng)目題目，強(qiáng)調(diào)課程之間的聯(lián)系
為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不論是各章節(jié)的練習(xí)題還是項(xiàng)目的題目都應(yīng)該選擇有較強(qiáng)實(shí)際意義的題目，注意題目的難易程度合理搭配。各章節(jié)的練習(xí)題是為了讓學(xué)生掌握本章節(jié)的知識重點(diǎn)和難點(diǎn)，要求學(xué)生獨(dú)立完成。而項(xiàng)目是提高學(xué)生的綜合能力，因此項(xiàng)目的題目更貼近實(shí)踐，能夠運(yùn)用本課程的重點(diǎn)知識解決實(shí)際問題。另外，學(xué)生在做項(xiàng)目的過程中，把其他課程中學(xué)過的知識運(yùn)用到項(xiàng)目中來，解決項(xiàng)目中的遇到的問題，這樣使得課程之間的聯(lián)系更加密切，能夠真正實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合，使學(xué)生認(rèn)識到課程的應(yīng)用價(jià)值。項(xiàng)目采用分組形式，一組一個(gè)題目，一般4——5人一組，提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)精神和創(chuàng)新思考能力。
2 三級項(xiàng)目的授課體系
本課程是軋鋼機(jī)械專業(yè)的必修課，主要講述軋鋼設(shè)備（主要設(shè)備和輔助設(shè)備）的類型、結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、受力分析、重要零件強(qiáng)度剛度的計(jì)算、力能參數(shù)的確定以及有關(guān)軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)的新理論、新方法。
根據(jù)CDIO的理念，結(jié)合“做中學(xué)”的指導(dǎo)思想和軋鋼專業(yè)自身特點(diǎn)，按“多個(gè)課程的‘三級項(xiàng)目’向綜合性的‘二級項(xiàng)目’延伸，二級項(xiàng)目為‘一級項(xiàng)目’服務(wù)”的指導(dǎo)思想進(jìn)行項(xiàng)目式課程體系構(gòu)建，其構(gòu)成圖如圖1所示。
在課程設(shè)置中體現(xiàn)CDIO的理念，把相關(guān)的課程如彈性理論及工程應(yīng)用、Matlab及工程應(yīng)用、軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)值模擬等按照三級項(xiàng)目的要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的題目，使學(xué)生對相應(yīng)的課程有深入的理解和應(yīng)用。然后把上述多個(gè)課程的三級項(xiàng)目延伸到二級項(xiàng)目，作軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)課程之間的聯(lián)系，綜合運(yùn)用上述課程的知識點(diǎn)，如三維設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)等設(shè)計(jì)一套數(shù)字的軋鋼機(jī)主機(jī)或者輔助設(shè)備，對主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度或者變形校核。二級項(xiàng)目的鍛煉為一級項(xiàng)目即畢業(yè)設(shè)計(jì)服務(wù)，學(xué)生在三級項(xiàng)目及二級項(xiàng)目中對工程設(shè)計(jì)流程、計(jì)算過程、校核方法等加以理解以及熟悉，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中學(xué)生就能很快進(jìn)入角色，開始畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，縮短對畢業(yè)設(shè)計(jì)的熟悉過程，真正采用工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，為畢業(yè)后進(jìn)入企業(yè)奠定基礎(chǔ)。
3項(xiàng)目實(shí)施
項(xiàng)目實(shí)施的目的是鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行主動學(xué)習(xí)，提高相關(guān)課程知識點(diǎn)的綜合運(yùn)用能力，培養(yǎng)學(xué)生開展研討活動、對工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建、模型建立、模型分析、結(jié)論誤差分析等技能。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，教師起指導(dǎo)作用，通過課后輔導(dǎo)，從項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程、方案確定等方面啟發(fā)學(xué)生。
以本課程中的輥系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，說明項(xiàng)目實(shí)施的階段。
1）明確項(xiàng)目任務(wù)，構(gòu)思方案。輥系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的項(xiàng)目任務(wù)是要求學(xué)生利用本課程的知識對四輥軋機(jī)的輥系即工作輥和支承輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行選擇，計(jì)算軋制道次、壓下量、軋制力等工藝參數(shù)，對軋輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用三維技術(shù)繪制實(shí)體零件、裝配圖，利用數(shù)值模擬技術(shù)校核軋輥強(qiáng)度及變形，撰寫項(xiàng)目說明書以及PPT匯報(bào)。
學(xué)生根據(jù)上述項(xiàng)目任務(wù)的要求，共同協(xié)作查閱相關(guān)的資料，討論并制定輥系結(jié)構(gòu)計(jì)算方法、校核的步驟、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程等。教師對學(xué)生提出的計(jì)算方法、校核方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行審核，并提出參考建議，讓學(xué)生修改并完善輥系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程。方案確定后，學(xué)生小組人員進(jìn)行任務(wù)分工，分為輥系計(jì)算、校核、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、寫說明書和PPT匯報(bào)等，確定合理的項(xiàng)目進(jìn)度，最后，利用PPT匯報(bào)項(xiàng)目實(shí)施的過程、解決問題的方法、計(jì)算數(shù)據(jù)誤差的分析等，教師對項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)并評價(jià)。
2）學(xué)科體系知識的綜合應(yīng)用。項(xiàng)目的實(shí)施過程中，要求學(xué)生把項(xiàng)目中涉及到的相關(guān)的知識如彈性理論及工程應(yīng)用、數(shù)值模擬技術(shù)、Matlab及工程應(yīng)用、三維設(shè)計(jì)技術(shù)等進(jìn)行融合、強(qiáng)化、提高，教師對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，要求學(xué)生有選擇性的自主學(xué)習(xí)，要求學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)平臺，收集相應(yīng)的知識要點(diǎn)以及技術(shù)資料，豐富課本的知識點(diǎn)，了解相關(guān)的技術(shù)發(fā)展動態(tài)，使學(xué)生能夠站在知識的前沿。
3）項(xiàng)目的實(shí)施。項(xiàng)目的實(shí)施主要是完成項(xiàng)目任務(wù)書的要求，完成輥系參數(shù)選擇、工藝參數(shù)計(jì)算、校核計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，對輥系的校核是建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，利用三維技術(shù)設(shè)計(jì)輥系實(shí)體虛擬零件及裝配圖。由于小組成員各自分工不同，要求學(xué)生要經(jīng)常溝通，不要各自盲目工作。碰到疑難問題，教師引導(dǎo)學(xué)生在工作中尋找解決問題的方法，從不同角度看問題，不斷再學(xué)習(xí)。教師對學(xué)生的指導(dǎo)可以采用舉辦講座或者經(jīng)驗(yàn)交流會等方式，拓寬學(xué)生的思路，使學(xué)生之間最大程度的相互學(xué)習(xí)，從別人的經(jīng)驗(yàn)中汲取教訓(xùn)，少走彎路。
4）項(xiàng)目評價(jià)。項(xiàng)目完成后，項(xiàng)目小組提供規(guī)范的設(shè)計(jì)圖紙（包括零件、裝配圖、工程圖）、參數(shù)選擇方法、計(jì)算過程、校核過程、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，小組給出一份項(xiàng)目說明書，制作PPT匯報(bào)稿。由小組成員對本組工作結(jié)果利用PPT進(jìn)行匯報(bào)、總結(jié)、分析等，由教師或者其他小組同學(xué)進(jìn)行提問，評價(jià)項(xiàng)目中出現(xiàn)的問題，對其進(jìn)行總結(jié)。教師根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)施情況和說明書質(zhì)量、PPT匯報(bào)邏輯及準(zhǔn)確性、學(xué)生的自評等三部分給出項(xiàng)目的成績，上述各部分所占比例為：項(xiàng)目總成績占本課程結(jié)課成績中的20%，其中項(xiàng)目的實(shí)施情況和說明書質(zhì)量占5%、PPT匯報(bào)邏輯及準(zhǔn)確性占10%、學(xué)生的自評占5%。
4管理模式
CDIO模式下的授課模式需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)課程質(zhì)量的管理方法，由過去的知識本位的課程質(zhì)量觀念轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰楸疚坏恼n程質(zhì)量觀念，如圖2所示。即由過去的以知識灌輸為主的授課管理模式轉(zhuǎn)變到CDIO以能力為目標(biāo)的授課模式。
以能力本位課程質(zhì)量觀念作為新型課程質(zhì)量管理，需要轉(zhuǎn)變概念：第一，將CDIO的核心靈活的貫穿在教學(xué)活動中；第二，要讓學(xué)生在教學(xué)活動中深入了解CDIO的基本理念、核心內(nèi)容，并把課程管理質(zhì)量的模式傳遞給學(xué)生；第三，在教學(xué)活動中，不斷改善和完善這種新型課程質(zhì)量觀念。
課程質(zhì)量管理的模式應(yīng)該以激發(fā)教師授課的積極性和創(chuàng)造性為目的，對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性逐漸引導(dǎo)。在原有的課程管理質(zhì)量模式基礎(chǔ)上，基于CDIO的理念，對課程質(zhì)量管理的模式進(jìn)行了改革，新的課程質(zhì)量管理體系包括督導(dǎo)體系、監(jiān)督體系、激勵(lì)體系、反饋體系（如圖3所示）。
在督導(dǎo)體系中，學(xué)校和學(xué)院兩級督導(dǎo)團(tuán)對教學(xué)過程進(jìn)行監(jiān)督，實(shí)行實(shí)時(shí)聽課制度，把出現(xiàn)的教學(xué)問題及時(shí)反饋到教師及上一級部門。在監(jiān)督體系中，系里的領(lǐng)導(dǎo)、輔導(dǎo)員以及同行進(jìn)行教學(xué)聽課，學(xué)生聯(lián)系小組等形成教學(xué)監(jiān)督體制。在反饋系統(tǒng)中，通過督導(dǎo)團(tuán)、學(xué)生課堂教學(xué)評估、聽課反饋等，促使教學(xué)方法和教學(xué)效果不斷提高并達(dá)到很好的效果。在激勵(lì)體系中，通過對教學(xué)效果好的教師獎(jiǎng)勵(lì)學(xué)時(shí)、增加課程的教學(xué)系數(shù)等多種手段，激勵(lì)教師教學(xué)的積極性和創(chuàng)造性，促使教師對教學(xué)投入更多的精力，做好本科生的教學(xué)工作。
5 結(jié)束語
軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)課程系統(tǒng)性、實(shí)踐性比較強(qiáng)，適合于CDIO的理念，在此基礎(chǔ)上特別適合項(xiàng)目的實(shí)施。對本課程的教學(xué)內(nèi)容研究并細(xì)化教學(xué)重點(diǎn)，仔細(xì)擬定各教學(xué)重點(diǎn)的項(xiàng)目，組織學(xué)生投入到新的教學(xué)模式中，在項(xiàng)目中對知識點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)，取得了較好的教學(xué)效果。這種基于CDIO的教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，轉(zhuǎn)變了學(xué)習(xí)觀念和學(xué)習(xí)態(tài)度，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識，以項(xiàng)目作為指導(dǎo)，做中學(xué)，學(xué)中做，加強(qiáng)學(xué)科之間的聯(lián)系，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力。
通過近三年軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)改革的實(shí)施，學(xué)生對CDIO的新型授課模式基本上已經(jīng)適應(yīng)并贊成這種教學(xué)模式。
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