基于CDIO 能力培养的机械原理课程项目实践.pdf

2009年4月第4期高教论坛HigherEducationForumApr.2009.No14收稿日期:2008-09-23修稿日期:2008-12-11基金项目:1.广东省机械基础教学实验示范中心建设项目资助(项目名称:自选式机械原理课程项目开设模式探索,编号:粤财教2007129-26-1-24)；2.深圳大学教研项目资助(项目名称:基于CDIO能力培养的机械原理课程项目改革,编号:JYA20080212).作者简介:王红志(1973-),男,河北衡水人,工学博士,主要从事机械基础课程教学和相关研究.基于CDIO能力培养的机械原理课程项目实践王红志,李积彬,费跃农(深圳大学,广东深圳518060)摘要:根据CDIO国际化教学工程教育模式及其能力大纲,针对当前机械原理课程的教学现状,提出在机械原理课程教学中开设自选型课程项目,并对自选型课程项目进行了规划和实验性实施。新型课程项目受到学生的欢迎并取得了预定的效果。关键词:机械原理；CDIO；课程项目；改革中图分类号:G642.0文献标识码:A文章编号:1671-9719(2009)04-0025-03CDIO是一种全新的国际化工程教育模式,是Conceiving,designing,implementingandoperating的缩写,即“构思-设计-实现-运作”。它是麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学在全球经济一体化的背景下,经过四年的研究而得出的成果。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面,要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定的目标。相对于教育部教学指导委员会制定的工程教育专业认证目标和要求,CDIO的最大特色在于,它将上述四个层面的能力或知识做到尽可能的细化,在四个大层面基础上又向下细分了两级,每个小指标都是经过严格论证而制定出来的。CDIO教学大纲能够满足美国、加拿大和其他华盛顿协议国家职业工程师组织对工科教育的要求,在世界高等工程教育中,其教学框架具有系统性、创新性。为了实现其CDIO能力培养目标,现有的专业培养方案和专业基础课程教学模式必须加以调整和改革。机械原理是机械类各专业的一门主干技术基础课程,它在培养学生的机械设计能力和创新能力所需的知识、能力和素质结构中,占有十分重要的地位。课程的任务是使学生掌握机构学和机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能,学会常用机构的分析和综合方法,并具有进行机械系统设计的初步能力。可以说,机械原理是机械类课程中最具专业特色的一门基础课程,通过教学改革,完全可以将CDIO中的能力指标锁定在机械原理教学之中。一、机械原理课程教学现状分析1.传统课程设计机械基础课程教学指导委员会制定的机械原理课程设计实施的基本要求是:“按照一个简单机械系统的功能要求,综合运用所学知识,拟定机械系统的运动方案,并对其中某些机构进行分析和设计。通过课程设计这一实践环节,使学生更好地理解和掌握本课程的基本理论和方法,进一步提高学生查阅技术资料、绘制工程图和应用计算机等能力,特别是加强培养学生创新意识和分析问题、解决问题的能力。”1尽管传统的课程设计选题为学生提供了利用所学的知识结合具体实践进行锻炼的场所,为学生提供了初次学习、熟练运用尽可能多的工具书并结合自己的课程设计题目进行训练的机会。但是存在以下不足:(1)设计题目老套,不能激发学生的兴趣。插床导杆机构的设计和运动学、动力学分析是很多高校在机械原理课程设计中的主要选题。无论是采用图解法还是解析法,若想进一步对机械机构的方案进行对比分析或变参数分析,都难以完成。这在很大程度上影响到机械原理课程设计的教学效果和学生的学习积极性,很难达到“培养学生创新能力”的目标。(2)全班同做一个题目,没有考虑受体的差异性。高等教育的普及化发展方向带来的一个最大问题就是,学生个体差异逐渐增大。这些差异包括性格上的,基础知识和社会知识的掌握。机构运动、动力分析用到大量的理论力学基础知识,学生对该部52分内容熟练程度不同极大影响了课程设计的效果,也成为抄袭的最大驱动力。课程设计全班、甚至全年级共做一个题目,事实上学生没有自己拟定传动方案,只不过是按照设计说明书走一个过程,起不到设计新型机构和锻炼创新能力的目的。(3)课程设计不能体现课程内容的全局和重点,淡化了课程的精髓。既然课程设计指导书已经拟定了传动方案,那就无法激发学生的创新；以连杆机构作为题目必定淡化齿轮机构和凸轮机构；强调运动和动力学推导势必忽略机构传动形式的多样化。这些问题都会对学生正确理解“机械原理”不利,甚至在完成课程学习后,心中形成不了“整体感”的机械系统。2.教材中案例落后于时代发展,不能体现专业特色。随着教育部新的本科专业体系的实行,原来的“冶金机械”、“化工机械”、“建筑机械”等专业名称不复存在,机械原理教材中的案例失去了方向。教材中的案例过时或难得一见,难以激发学生的兴趣。教材中依旧不乏一些粗、大、笨的大型工程机械例子,比如鳄式破碎机；还有一些过时的例子,比如录音机的按键(凸轮)机构、摇头风扇摆头(双摇杆)机构。这些例子尽管能够用来解释基本原理,但体现不出机械机构的精华所在,而且存在一些误导,容易使同学们认为,机械都是“粗大笨”。如果刚开始接触专业知识,就对专业失去兴趣,后果可想而知。分布在珠江三角洲的电子业和玩具业较为发达,将机械原理基础理论与电子产品和高端运动型玩具中的机构相结合,可以增加学生的学习热情。3.强化知识灌输,弱化能力培养。机械原理是机械类专业的主干技术基础课程,也最能体现专业特点。近年来由于课时不断压缩,学生总体素质有所降低。为完成教学任务,教学往往以灌输知识为主,淡化了学生实际能力的培养和训练。从“学”的角度上,学生穷于理解、背记概念和各种公式及其推导而苦不堪言,失去了学习兴趣和热情。这种状况不仅使教学效果大打折扣,而且这门本应该最能引起学生兴趣的课程变成学生最怕的课程。总之,面对CDIO能力培养目标,传统课程设计、教材和教学手段都存在一些问题和不足。自选型课程项目可以发挥学生的主动性,从一定程度上解决了上述矛盾。作者对自选型课程项目的进行了规划,并在实施中取得了初步效果。二、开设学生自选型课程项目1.CDIO能力在自选课程项目中的体现创新不仅仅需要基础理论的支持,而且需要具有专业眼光的观察力和案例的积累。基于这个基本原理,采用学生“自选型课程项目”补充(条件成熟时可替代)传统课程设计,让学生挖掘广泛存在于身边的机械机构或系统,通过“发现拆解分析对比”等环节,撰写项目报告,在课程结束之前,进行答辩和交流。辅以合理的引导,上述各环节可以锻炼学生CDIO大纲所规定的如下能力:(1)学生对于所选研究对象进行功能分析或工作循环分析,可以培养用泛专业的方法准确描述一个系统、系统行为和组成部分的能力；(2)通过拆解研究对象,分析内部结构,可以培养学生描述系统内部单元之间的相互作用的能力；分析影响对象功能的主要因素。(3)学生要重新提出其他的方案取代现有方案,或者对现有方案进行改进,通过这个环节可以培养学生取舍和抉择的能力。(4)另外,全班同学展示和交流自己的项目,为大家提供了交流的平台,可以锻炼专业交流的能力。该项目开设可以完全跳出学生个体能力的差异,不同水平的学生可以选择适合自己的不同复杂度的研究对象,按照要求完成各个环节,同样起到能力锻炼和巩固知识的作用。另外,优秀的选题和成果可以用于替代今后教案中陈旧老套的案例,为更新教学素材作充分的积累。2.课程项目的实施与规划课程项目的规划以尽可能地提高学生的自由度为原则,但同时又在指导教师的掌控之下,制定相应的规则显得尤为重要。(1)开展形式主要以课外时间由学生自主完成,教师利用机械原理课程教学课内时间辅导。分如下几个阶段:第一周:布置项目任务,启发、指导学生选择研究对象；第二周第五周:检查项目方案,包括研究对象,传动方案,答疑；第十周第十四周:检查项目报告提纲,指导机构分析和项目报告内容撰写；第十五周:提交项目报告；第十六周第十八周:项目评比和答辩(部分优秀项目)。(2)研究对象选取学生可以根据自己的兴趣爱好,自由地选取研究对象。研究对象可以针对市场流行的玩具以及电子产品或生活用品,比如音乐盒、光盘驱动器、门锁、闹钟等。根据情况可以要求23人一组,研究同一产品中的不同问题。(3)项目报告的撰写项目报告包括如下几个部分:功能分析或工作循环分析,实现功能所需的运动及其关联性；62系统的结构分析(要求:有机构简图、结构分析)；典型机构分析:运动分析和动力分析,可以运用一些计算机辅助分析手段；产品设计方案评价:包括优点、缺陷和可能的改进；其他替代传动方案及其对比。(4)项目的评价主要从选择对象的复杂程度(20%),功能分析或工作循环(20%),结构原理分析的准确性和规范性(40%),机构的改进和设想以及项目的撰写水平(格式、图片和文字)(20%)四个方面对项目进行评价。课程项目占课程成绩的10%。三、正确处理课程项目和课内教学的关系开设课程项目是一个系统工程,需要“教”与“学”双方的配合和约束,需要“课内授课”和“项目指导”的有机结合。在实践中需要重点解决好如下几个问题:1.对学生选取产品(研究对象)的要求。这个“约束”条件解决不好可能会影响到整个项目的开展。如果太复杂,学生分析不了,可能会因丧失信心而半途而废；如果太简单,不能蕴含所学基本原理,起不到锻炼能力的目的。因此如何从纷繁芜杂的产品中提取研究对象,需要教师提出指导和要求。为了能够体现课程中的基本原理,要求所选产品中应该含有2种以上常用机构。2.课堂教学和课程项目的开展要紧密融合。原来课堂授课内容往往是按部就班,以课件和教材的编排顺序为主线,讲解基本原理,教材中的实例是为基本原理服务的。为了引导学生开展项目,需要将基本原理引申到一些课本之外的实例中,启发学生思维并提高学生分析问题的能力。同时,课程项目可以为授课教师提供更多鲜活的分析实例,在条件成熟时,可以对教材中适当的章节采用项目驱动式教学,即直接从产品的设计出发,引入问题,在解决问题中学习基本原理和知识。3.开展课程项目和课程教学“不同步”的矛盾。“自选型”的课程项目使研究对象种类繁多,有些产品包含的机构涉及到的基本原理在课程教学中尚未学到,比如在手动发电电筒中的棘轮机构,尽管学生可以结合整个产品分析出该机构的功能,但由于其名称以及工作原理尚未进行讲解,可能造成某些分析偏差。对于这种情况,可在教师的引导下,鼓励学生提前自学课程部分内容,对机构完成分析；也可以根据具体情况调整教学内容。四、课程项目的实际开设效果分析按照上述规划,在某机械专业班级按照上述规划实验性开设了自选课程项目。学生表现出极高的热情,共提交了32份项目报告和20件产品。报告按涉及的产品分:玩具类产品9份,文具类5份,工业产品或工具9份,家居产品8份,艺术幻想类1份。较为典型的对象包括:光盘驱动器、手动发电电筒、玩具仿真手枪、手动便携式缝纫机、机械式音乐盒、防盗门锁等。在60名参与同学中展开了问卷调查发现:67%的同学认为课程项目对于帮助理解机械系统非常有用；28%同学认为所起的作用“一般”,5%的同学认为“没啥用”；在问到课程项目是否有必要继续在下一年级开展时,只有一人持否定态度,其他均认为应该继续开展。问卷调查结果反映了如下问题:1.33%的同学在该次项目中获得的收益一般或较低,原因是多方面的,比如选题不合理,教师的指导不够,与他人合作时自己参与程度低。2.97%的参与同学认为课程项目应该在下一年级继续,说明广大同学认为:如果教师指导、督促合理,学生认真、勤勉,课程项目会达到预期的作用。因此,总体说来,学生对该项活动抱有足够的信心。学生提了很多具体意见,比如,教师分多次指导,一步一个小成果；多拿出几节课,在实验室指导项目；增加在课程成绩中所占权重；选题时多加指导等等。五、结语机械原理课程博大精深,具有内容多、原理深奥的特点,但同时传动方案设计原理又赋予了这门课程独有的趣味性和多样性。传统的教学使学生深受前者的压力而无法体会后者的乐趣。根据国际工程教育CDIO理念,作者规划并开设了多样化的新颖的自选课程项目,发现课程项目既能使学生巩固所学基本原理,又能锻炼学生的专业观察能力、分析问题的能力、书面表达能力和交流能力,并且还能积累一些创新素材,使学生的积极主动性得到最大程度的发挥,极大地鼓舞了专业学习兴趣。(责任编辑:吴声)参考文献:1教育部高等学校机械基础教学指导分委员会.机械原理课程教学基本要求(机械类专业适用,第二次征求意见稿)EB/OL.2008-05-16./Documents.(下转第47页)72算机学科应用型教材的一种教学创新。充分利用“理论与实际,讲解与演示,课上与课下”的“三结合”模式进行教学,提高学生的计算机实际应用能力,是切实提高教学质量的保证。1.使用双向教学系统实现“边讲边练”的教学环境配备双向教学系统的计算机机房由一台教师机和若干台学生机,具有广播、监看、提问、讨论、示范等多项教学功能,就可实现“边讲边练”的教学环境。有条件的话,可实行一人一机制教学,同时安装投影大屏幕,利于教师在不广播时通过大屏幕与学生远程交流。教学过程充分利用互联网,积极引导学生正确上网学习。根据教学要求,把相关资料在网上发布,学生课后可以登陆相关网站,下载阅读相关资料,掌握教学难点与重点,学生项目设计通过网络上交给教师,教师批改完毕通过网络回传给学生,教师与学生通过网上在线互相“聊天”,讨论并解决教学过程中的各种问题,使学生加深认识,在“边讲边练”的教学环境中实现教学相长。2.以“导”为主的教学模式以“提出问题-解决问题-归纳总结”的三部曲来编撰的计算机学科应用型教材,它强调的是以学生为中心、让学生自主建构知识的教育思想和教学理念,因此必须改变传统的教学模式,采用以“导”为主的案例教学模式。在案例教学中还要特别注意利用课堂的前十来分钟创造出一个良好的课堂气氛,比如利用实物引入教学内容,活跃气氛,增强课堂的趣味性,引发学生的求知欲。教学过程中,教师的讲课应与学生的上机操作交替进行,在一节课的教学过程中,可以安排教师先讲20分钟,然后学生操作20分钟,依次轮动,教师在引导学生完成上机任务的过程中,适时、适量地带出相应的内容。在课堂之外,教师还要为学生提供多种参考资料,提供相关网站,加强课后辅导和学习指导。(责任编辑:徐建平)参考文献:1吴艳玲.计算机教材现存的八大问题及原因分析J.编辑之友,2005,(2).2曹锦花.试论高等教育教材选题策划的读者定位J.出版科学,2007,(3):69-70.3徐国庆.高职项目课程的理论基础与设计J.江苏高教,2008,(6):28-30.4侯锦昌.关于高职教育教材建设的几点建议J.山东行政学院学报,2007,(6):112-113.DiscussionofCompilingMethodsandTeachingModeAppliedSubjectTeachingMaterialsYAOYi,LIUXiao-yan,LIXiang-hua(ComputerandElectronicInformationDepartmentofGuangxiUniversity,Nanning530004,China)Abstract:Thispapergivesapreliminarysortingforthecomputer-subject-applyingmaterialsandanalyzesthemajorproblemsexist2inginthecurrentcompilingofteachingmat