以工程能力培养为导向的机械设计课程改革研究＊

朱永梅，撒 红，王明强

（1.江苏科技大学，江苏 镇江 212003；2.总参气象水文局档案馆，北京 100081）

我国现在是世界工程教育第一大国，工程能力是工程师最重要、最基本的素质之一。在过去的20年中，学术界、工业界和政府部门的领导提升了对理想工程师特质的认识，开始强调改革的必要性。通过这一努力，我们认识到这样一种隐含的关键需求：要培养学生能够在现代团队的环境下，构思-设计-实施-运行工程产品、过程和系统。这种要强调产品、过程和系统的全生命周期的工程教育新方法称之为CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operation，构思-设计-实现-运作）。

本文根据新世纪工程教育的特点，结合CDIO工程教育理念，对机械设计课程在培养学生的工程能力方面作了一些思考和研究，让学生初步感受产品研发和产品设计生命周期，参与研究及探索解决问题的过程，通过分层次、分阶段合理的工程教育使学生能主动地综合应用所掌握的知识去探究、分析遇到的问题。

1 国内外学生工程能力培养的现状分析

如今的工程师除了要牢牢掌握既有的知识，还必须具备终生学习的能力、不断的更新自己；必须具有良好的交流能力和团队精神；必须具备对本专业、本行业乃至社会、历史、文化、环境等方面的大系统的理解、掌控能力，即所谓的现代工程能力。由于受传统工程教育观念的影响，目前我国在教学中重视课堂理论教学、忽视工程能力培养的教育理念没有得到根本转变；实践教学环节相对薄弱，必要的工程训练条件尚未得到很好保证；专业教师队伍的工程实践经验与能力还不能很好适应学生工程能力培养的需要；学生组织管理能力、研究开发能力、社交能力、口语及文字表达能力较弱，工程意识、效益意识和质量意识不强。此外，对学生学习能力、思维方式、应用能力、创新能力、获取新知识能力、技术情报收集和检索能力重视不够。

国外大学非常重视学生工程系统能力的培养，在大学机械工程专业培养目标中均有描述，同时在大学学习阶段设置各种实践活动，社区、企业也介入、渗透到学生培养环节。如麻省理工学院将学生能够正确地使用工程原则建模、测量、分析和设计机械系统作为其培养目标之一，在培养计划中设置有机械工程工具和仪器实践课程、项目实验，在设计制造类课程中要求完成设计制造项目等，此外在激发学生兴趣、引领学生参与研究和学生工程能力培养中，针对新生和高年级学生分别设有新生学习社区和高年级学习研究计划[1]。国内高校也先后开展了一些以培养学生工程能力为目标的学生培养项目，如清华大学、浙江大学、华中科技大学等先后通过实施大学生研究训练计划、开设研讨班、开展诸如“挑战杯”等形式的科技竞赛来推进本科生研究性教学，培养其综合能力。目前正在推行实施的“卓越工程师教育培养计划”也是为了加强学生现代工程能力的培养。

2 CDIO工程教育模式简介

由美国麻省理工学院（MIT）发起的CDIO工程教育改革，不仅延续了美国近年来在构思和设计上所具有的优势，同时强调产品生产的实施和运行环节，以期让学生全面了解工业生产的流程，增强美国工程科技人才的竞争力。

CDIO 代表构思 （conceive）、设计 （design）、实现（implement）和运作（operate），这四个过程来源于产品／系统的生命周期过程，涵盖了绝大多数工程师必要的专业活动。现代工程师涉足产品、生产流程以及系统生命周期的各个方面，参与构想、设计、实施以及操作的全过程。构想阶段，包括定义客户需求、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，指将设计成品化，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[2]。

CDIO是基于工程项目全过程的学习，是“做中学”原则和“基于项目的教育和学习”的集中体现。它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO作为“做中学”战略下的一种模式，提出了系统的能力培养、全面的实施指导、完整的实施过程和严格的结果检验等12条标准。

3 基于项目的机械设计一体化教学体系

3.1 课程目标

本课程以“卓越工程师教育培养计划”为依据，以面向生产一线的应用型机械设计制造及其自动化专业人才为目标，培养学生初步的工程设计基本思想和技能。本课程将分小组完成一次通用机械的实习，采用“项目式教学”，通过“产品选题→文献调研、查新→可行性（技术和经济）分析与评估→设计实验→拟定方案→产品设计→图纸绘制及三维造型→设计报告编制→设计答辩”完整的工程设计过程训练，初步形成产品的“构想、设计、实施、改进和展示”全过程工程教育理念，为最终进行高级工程设计奠定基础。

通过本课程的学习，学生初步得到工程设计训练，掌握产品设计的基本过程和方法，培养学生的主动思考与探索能力、创新意识和实践能力、分析与解决问题能力、文献检索和综合能力、思想表达能力、团队合作精神等，有利于提高学生在社会的竞争能力。培养学生作为未来工程师的职业道德和社会责任感。

课程建设目标从四方面考虑，首先是让学生进行通用小型机械装置的设计，并运用力学及数学知识对其进行分析和改进。然后是对于通用机械零部件，包括紧固件、连接件、弹簧、制动器、联轴器、带传动、链传动、轴承及轴的设计。要求能够描述这些机械零部件的功能；了解在通用机械系统中的应用并给出实例；分析其性能及失效形式；了解机械零部件制造方法及完成同样功能的其他可替代设计方案；根据特定应用条件，选用合适的机械零件。再次是进行与机械设计相关的实验和计算分析。能够分析几何因素对设计的影响；能以适当的图解形式表述实验和计算分析结果；并能设计运用实验来改进设计。最后通过课程学习和实践了解工程师应具有的基本素质和应掌握的基础知识及基本技能；学会资料检索、调研、分析和整理，进行自主学习；进行工程设计的表达实践，体验解决工程问题的具体过程和分析方法，开展团队合作和交流。

3.2 课程内容

以项目实施为主线，重构课程体系，强化工程与实践，强调理论与实践的有机融合。机械设计课程主要内容有四部分，即理论课程教学、课程设计（二级项目）、机器装拆实验和虚拟样机设计，其中课堂教学约占50%，研讨课约占15%，研发实验课约占35%。

课程设计（二级项目）的题目将传统的（指定参数的）减速机设计项目转变为具有一定开放性满足一定条件的传动系统设计项目。根据本校“卓越计划”实施目标，借助于校工程实践中心、镇江船舶辅机厂等实习工厂，本课程确定了以下项目：船用起锚机的设计、船用铰缆车的设计、电梯提升装置的设计、搅拌机的设计、爬式加料机的设计、平板搓丝机的设计、简易卧式铣床传动装置的设计及简易拉床传动装置的设计。学生可自由组合，每个小组以4～5人为宜，题目可根据难度分为基本要求和较高要求两个层次，由教师指定或学生自由选择，从指导书中选择，做到每人一题一组数据。课程设计贯穿课程学习的整个过程，课题的基础参数计算和方案的制定等工作在课程学习期间完成，其余工作在设计周内完成。

设计过程中增加机器拆装和虚拟样机实体造型及装配等环节。拆装分析重点放在对机械系统的认识和系统表述，机械中典型的零部件、机械系统中各零件的尺寸、公差与装配关系的理解和再设计上。虚拟样机实体造型可由各小组通过分工和协调合作，完成三维设计、加工工艺编制、数控加工编程、数控机床操作和零件装配等工作。这一锻炼不仅强化了他们的整机观念，提高了综合设计能力和动手能力，还培养了他们协同工作的能力和综合素质。

3.3 课程教学方法

以机械设计学习网站为平台，采用课堂教学为主，达到传授基本的理论知识的目的。以适当的研讨时间培养学生认识问题和解决问题的能力。以习题与练习加深学生的理解、强化学生知识体系。通过机械设计试验让学生主动去学习知识、思考问题和运用知识去设计方案以解决问题。该设计试验包括了方案设计、动手实验、结论分析、探讨交流整个过程，实施了从构思、设计、实施到运行的一个全CDIO过程，达到培养学生全面的专业、个人、职业、团队、交流及社会意识与能力。

在理论课程的讲解中，采用多种教学方法。①运用启发研讨式教学法，针对教学重点定期布置思考题，或提出问题，让学生思考，提出自己的观点，并进行讨论交流；②重视定性分析和原理理论的讲解。机械设计教学中往往对每一个零部件设计后都有改进措施。教学中分析影响因素以及影响因素变化对其工作能力的影响，最后归纳改进措施，指出在设计中就考虑这些因素，也就不用到设计校核不合格时才改进，这样就指出了其实质；③重视结构工程的分析讲解。在教学中我们多采用结构实物、模型或CAI进行零部件的充分分析讲解，然后归纳在结构设计中应考虑和注意的定性方面和定量尺寸的选择；④重视内容的综合贯通分析；⑤重视结合工程应用的分析讲解。

研发实验课程以学生自主学习为主，指导教师辅导为辅。要求学生能根据二级项目中要求的使用功能，构想和设计机械的设计方案。在设计的时候必须考虑机械装置的实用性、价格等特点，同时还要考虑其他性能。能独立操作实验，反复进行机械装置设计—装置实现—改进提高过程，最终写出研发报告并进行全班演示。

在理论课程的教学中就布置课程设计（二级项目）的题目，使学生们做到心里有数，诱导学生主动思维。因而在上课学习的过程中，学生们带着自己课程设计中存在的问题（如机构的选型、机构的设计、齿轮的材料选择、参数设计等）有目的的去听课，在课堂教授的有关章节，教师结合课程设计中机构选型及设计的有关问题，适时进行点拨，在此期间，不少学生拿着自己“不成熟”的方案和老师共同探讨，不仅极大的激发了学生们的学习兴趣，变被动学习为主动学习，而且有效地提高了课堂教学质量。

3.4 课程考核

CDIO思想提倡“真正的评判”，因为工程教育需要模仿真正的世界。许多现代工程环境所要求的高水平认知，是无法仅在传统的教学测试方法中被测试、被预言的。因而传统的学习评价方法要结合进行非传统的学习评价的探索，包括使用学生自我评价、同伴评价、口头测试、学习记录、展示作品、发表论文等等。本门课程的评价用比重法，平时（包括文献阅读、研讨、参与程度等）约占30%，二级项目设计竞赛（包括实验）约占30%，期终考试约占40%。

二级项目设计竞赛考核以研发报告为考核主要依据，在全班展示报告为辅助依据。其中研发报告包括：项目的构想与设计、方案改进过程、研究计算的整理和绘图、研究结果与讨论。成绩的评定为研发过程（包括文献阅读、动手能力、团队合作能力、解决问题能力、机械设计与工艺的合理性及创新性）约占40% ，研发报告及其展示（包括任务完成情况、装配图质量、零件图质量、结构错误情况、设计说明书、答辩等）约占60%。

4 教学实践总结

由于学生课程设计的前一阶段（即方案设计）是在课外进行的，所以教师要及时了解学生的进度，定期组织方案研讨会，分析比较各方案的优劣。在这种研讨会上，要求学生要充分展示研究和解决问题的过程和结论，以开放的心态接受老师和同学的评论，同时聆听他人的研究过程和结论，坦率的发表自己的意见，最后再由老师作出总结，给出指导性意见，确定方案。通过这样的过程，可以促进学生积极主动地进行思考，同时也培养了学生对知识的整合能力。

课程设计中除了方案的确定以外，还包括初步计算、草图设计、装配图设计、零件工作图设计、编写设计计算说明书等几个阶段。其中，草图设计和装配图设计即结构设计阶段是重点阶段，也是学生感到困难，失误较多的阶段。由于在《机械设计》课上重点都是基础理论，很少涉及结构方面的知识，而影响结构的因素很多，例如零件结构尺寸的确定，除了计算，还常常需要借助于类比、初估或通过草图等手段，交叉进行，逐步完成，所以，在这一阶段，指导教师应悉心指导，多进行正误结构的比较，另外要引导学生抓重点，培养学生树立整体设计的概念。

由于使用多个设计题目，在设计计算部分各组之间以及同一组内各位同学之间计算任务不同，所用绘图软件自选，这就增大了老师辅导和管理的难度，对教师提出更高的要求。老师不仅要花费更多的时间，严格认真地给学生辅导、考勤，更应该了解基本的计算机语言及CAD、UG等技术，才能游刃有余地辅导课程设计。

[1]郝智秀，季林红，冯涓.基于CDIO的低年级学生工程能力培养探索：机械基础实践教学案例[J].高等工程教育研究，2009，（5）：36-40.

[2]顾佩华，陆小华.重新认识工程教育：国际CDIO培养模式和方法[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]吴鸣，熊光晶.以工程能力培养为导向的工程教育改革研究[J].理工高教研究，2010，（6）：54-59.

[4]吴洪特，甘光奉，胡达.探索应用型工科大学生工程能力培养的途径[J].中国现代教育装备，2009，（6）：70-72.