基于CDIO理念的新机械制图教学模式研究

王伟冰 张东梅 李玉菊 高 伟（长春理工大学机电工程学院，吉林长春，130022）

如何培养具有一定专业级别的知识、能力和素质协调发展的创新型工科毕业生，使他们具备在现代化工程环境下赖以生存和成长的团队协作精神、交流沟通能力和多学科、大系统掌控能力，已成为我国高等工程教育的改革热点，更是时代赋予高等院校的历史重任。众多国外学者也纷纷展开相关的研究，研究表明尽管今天的工科毕业生具有技术能力，但在发挥工程师作用前，通常需要12年的培训。在交流能力上都存在共同的弱点，包括图表交流、团队合作能力和设计技能。与发达国家相比，我国的工程技术人才培养也存在一定的问题。毕业生缺乏对现代工程所必须具备的相关经济、社会知识的了解，缺乏参与现代工程的决策、协作、交流和掌控能力。因此，培养学生的工程意识、创新意识、团队协作精神、交流沟通能力是高等工程教育亟待解决的问题。

一、传统的机械制图教学模式

图1 传统机械制图教学模式

传统的机械制图教学模式由三部分组成，如图1所示。工程图学基础部分主要学习正投影理论，培养学生空间思维能力、分析能力及图解空间几何问题的能力。专业绘图基础部分学习目的在于培养学生具有绘制和阅读机械图样的能力。实践教学侧重培养学生徒手绘图、尺规绘图和利用 AUTOCAD软件绘制二维图样。在教学方法和手段上，充分利用多媒体课件、模型和黑板教学相结合。基本上实现了现代化的多媒体教学方式，理论课和基本技能训练交互进行，做到了讲练结合。

二、基于CDIO理念的新机械制图教学

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate），即“构想—设计—实施—操作”。这四个过程来源于产品/系统的生命周期过程，涵盖了绝大多数的工程师必要的专业活动。基于CDIO理念，美国麻省理工学院、瑞典查尔姆斯技术学院、瑞典林克平大学、瑞典皇家技术学院四所工程大学发起，全球23所大学参与，合作开发了一个国际工程教育合作项目，建立了一种新型的工程教育模式。CDIO教学大纲的内容可以概述为培养工程师的工程，明确了工程师的培养目标是为人类生活的美好而制造出更多方便于大众的产品和系统。构想阶段，包括定义客户需要、考虑工艺、经营策略和调节方法，并且发展概念的、技术的商业方案；设计阶段，主要是产生计划、草图和算法流程，以及描述需要实现的产品、生产流程以及系统；实施阶段，将设计成品化，包括硬件生产、软件编码、测试和验证；操作阶段，指用实现的产品、生产流程和系统传递内在的价值，以进化更新现有的系统。CDIO理念从一个新的角度，即培养的工程技术人才必须适应日益扩大的国际交流和工程竞争的全球化的要求出发，提出了高等工程教育的创新和发展，促使教育工作者们进行思考。

图2 基于CDIO的机械制图教学模式

机械制图是工科院校机械类、近机类专业中既有理论又有实践的专业基础课。旨在培养学生空间思维能力、实践能力与创新意识，以适应现代设计制造、现代信息科技的发展，为培养高层次工科创新应用型人才打好基础。由于在开设本课程之前学生尚有很多专业知识没有学习，加之没有丰富的形象思维能力，因此，仅仅采用传统的教学模式已不能满足对人才培养的需求。应结合实际情况，将机械制图教学模式重新整合，基于CDIO思想重新构建课程体系。（见图2）

（一）构想阶段

注重工程技术知识和工程技术技能的教授，夯实学生专业基础知识和扎实基本技能；注重现代工程科学和技术发展的介绍、多学科工程应用知识的介绍，使学生了解较宽的科学基本原理，也就是宽口径、厚基础。

（二）设计阶段

与理论教学相比，实践教学在培养实践能力和创新能力人才方面，又具有不可替代的作用。可利用CAD/CAE/CAM实验室，在二维和三维CAD的实验教学中，以提高教学质量、培养学生的工程意识和提高学生工程素养为核心，以激发学生的学习兴趣和潜能为重点，以培养学生团队精神和创新意识为目的，在教学体系、教学方法、教学内容等方面进行深入的改革与创新。根据本课程的内容要求及与其它专业课的有效衔接，为学生开设AutoCAD（二维）、CATIA（三维）实验。选择AutoCAD作为二维教学内容，有以下四点原因：第一，Auto-CAD是美国Autodesk公司于1982年12月推出的通用的计算机辅助绘图软件包。20几年来，随着软件的不断升级，其功能不断更新、增强，日趋完善。第二，AutoCAD是世界上最为广泛的微机平台绘图软件系统，其强大的功能和友好的用户界面受到广大工程设计人员的欢迎，已经被译成18种语言。第三，在我国，AutoCAD也是最为流行，应用最为广泛的绘图软件系统。第四，有利于国际间与发达国家的工程技术交流。同时，选择CATIA作为三维实验内容，基于以下几点考虑：第一，CATIA是法国DassaultSystem公司于1981年推出的CAD/CAE/CAM一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位。第二，其广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域。第三，CATIA软件提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要，从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有制造业产品。第四，将此软件强大的实体造型功能引入机械制图课程之中，既可以改变以往学生学习制图过程中表现出的枯燥无趣现象，又能将学到的知识内容与机械行业生产设计制造实际联系在一起，将课程经典知识与现代计算机技术有机结合，更新了设计手段和设计方法，极大地提高了学生的学习兴趣和实践能力。

（三）实施阶段

零件是构成产品的单元组织，是产品信息的一个载体，在数字化设计中，产品的零件模型是承载产品整个设计周期的有机体。要以培养学生创新能力与工程应用能力为目标，全面、系统地提高学生数字化设计能力。产品设计是CATIA机械设计的一个重要平台，用于对设计完成的零件实体进行组装以得到部件和产品。通过这个过程不仅培养了学生的学习兴趣，而且也能将学习的知识内容与机械行业生产设计制造实际联系在一起，从而大大提高此课程的教学质量。

（四）操作阶段

为了培养学生具备在现代工程环境下赖以生存和成长的团队协作精神、交流沟通能力对新产品、新流程、新系统的掌控意识和能力，在此阶段教师结合课程为学生安排零部件的测绘、产品的装配、产品的计算机模拟。进行零部件测绘，是学生学完理论课后的一个重要的实践教学环节，也是学生首次进行的设计训练，可以使所学的知识得以融会贯通。教学活动中，教师要为学生努力营造有利于创新人才培养的环境，选择齿轮油泵进行测绘，将学生分组，要求学生拆卸零件，选择表达方案，徒手绘制草图，测绘尺寸，并且将草图整理出零件图，并由零件图绘制装配图。然后利用计算机进行零件的实体造型，产品的装配造型，并对产品进行模拟。这样，既培养了学生的动手能力、协作精神、交流沟通能力，又培养学生的创新精神、创新能力。教学内容要与工程实践紧密联系在一起，培养学生的工程意识和工程素养。要积极开展实践教学环节的教学改革，使实践教学与课外科技活动、课堂教学有机结合，相互促进；创建良好的第二课堂，营造校园科技活动氛围，积极开展和组织校内外各种科技创新活动，组织、指导学生积极参加机械创新大赛和全国机械制图设计大赛。以上教学活动将会增强学生的学习积极性和主动性，并且使学生体验合作开发产品/系统的“构想—设计—实施—操作”的全过程的学习和实践，学习与人交流合作技巧；也可以使教师充分发挥其指导作用，在实践中培养学生的工程意识与解决问题、分析问题的方法和手段，满足高等工程教育的人才培养的需求。

CDIO理念对教学效果的促进作用主要表现在以下五方面：第一，构建以培养学生具备在现代工程环境下赖以生存和成长的团队协作精神，交流沟通能力，对新产品、新流程、新系统的掌控意识和能力为核心的教学目标。第二，将教学内容与工程实践紧密联系在一起，顺应先进制造技术发展的需求，适应日益扩大的国际经济交流，以及日益增加的工程全球化竞争环境。第三，营造有利于创新人才培养的环境，激励学生的创新精神、创新能力，以满足社会对工程人才知识结构和素质能力的要求。第四，在理论课堂教学中强化实践教学，提高学生的工程意识和工程素养。以适应信息时代对工程技术人才的需求，适应21世纪人才培养模式的需求。第五，探索一个满足社会对机械类人才知识结构和素质能力需求的新的机械制图课程教学模式。

［1］ Rethinking Engineering Education_The CDIO Approach［M］. Edward F Crawley，Johan Malmqvist，Soren Ostlund，Doris R. Brodeur ISBN 978-0-387-38287-6.

［2］ 高雪梅，等.CDIO方法与我国高等工程教育改革［J］.江苏高教，2008（5）.

［3］ 机械类课程报告论坛组委会.机械类课程报告论坛文集［D］.北京：高等教育出版社，2007.