基于卓越工程师计划和CD IO模式的机械设计课程设计教学改革

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州510641）

随着我国高等院校招生人数逐年增长，高等工程教育在人才培养方面遇到了一个难题：一方面高校毕业生就业难度加大，另一方面企业技术岗位又难以招聘到合适的、能迅速开展工作的工程技术人员。产生此矛盾的根本原因是学校人才培养的目标与社会实际需求不一致。为破解矛盾，2010年6月教育部决定启动卓越工程师教育培养计划[1]，该计划是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的重大改革项目，也是促进我国由工程教育大国转变为工程教育强国的重大举措。卓越工程师计划旨在面向工业界、面向世界、面向未来，培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务，对促进高等教育面向社会需求培养人才，全面提高工程教育人才培养质量具有十分重要的示范和引导作用。

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，它是由瑞典皇家工学院和美国麻省理工学院等高校所创立的一种新型的工程教育模式[2]。CDIO 的含义是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和操作（Operate），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工程教育是以能够领导现代工业产品开发的现代工程师所需要具备的知识、能力和素质为目标，以现代工程实际为背景环境，采用相互联系、相互支撑课程体系培养学生，并让学生在现代学习和实践环境中取得丰富的设计制作和主动学习的经验，促进学生知识、能力和素质的一体化成长。CDIO教育理念是一种面向产品、过程、系统生命周期的工程教育方法，它以产业需求为导向，以学生为主体，通过理论教学与实践教学的有机结合，培养学生的工程应用能力、交流能力、团队协作能力和终生学习能力等。因此，CDIO教学法非常适合新时期创新型人才的培养，与卓越工程师计划的目标不谋而合。

1 课程特点与难点

机械设计是机械类专业的一门技术基础课，主要讲述常规尺寸的通用零部件工作原理和设计方法。该课程内容系统性、逻辑性不太强，包含各种连接件、传动件、轴系回转件的设计、选型及结构设计等教学内容，具有公式复杂、标准繁多和实践性强等特点。该课程不仅要求学生学会各种通用零部件的结构设计和强度计算方法，而且要求学生具备能够综合运用先前学过的基础理论和技术知识，结合生产实际和机器的具体工作条件，进行简单机械系统设计的能力。

课程设计是机械设计的一个实践性教学环节，是工科机械类学生首次进行的较全面、较系统、较长时间、较贴近工程实际的综合性设计训练，对于培养学生的创新精神，培育学生的工程意识，锻炼学生的设计能力，激发学生的学习兴趣，加深学生对课堂教学内容的理解和掌握都具有十分重要的作用和意义[3]。

通过多年的教学实践，课程组发现机械设计课程设计在教学安排和教学要求方面存在以下不足之处：首先，课程设计时间一般安排在学期末，学生考试周前后，学生需应对其它课程考试，无法将主要精力集中到课程设计；其次，学生未能充分认识课程设计的意义及重要性，仅仅将其当作理论课的大作业，抄袭现象较为严重；三是评价体系过于偏重图纸质量和设计计算说明书，未能充分合理考虑学生的创新思维与实践以及日常设计活动过程；四是课程设计的内容未能及时与当前一些最新的应用技术相融合，显得陈旧、单薄。

同时，学生课程设计的结果也不乐观，普遍存在以下问题：（1）综合应用能力较弱。部分学生不能灵活地应用先修课程的相关知识来解决课程设计的实际问题，譬如不知如何灵活应用所学理论力学、材料力学知识对轴进行受力分析、约束反力求解、绘制弯矩图和强度校核；不能正确地、规范地利用工程制图、互换性与技术测量等课程所学知识绘制装配图、零件图并合理标注尺寸公差、几何公差。（2）系统设计的观念不强。传统的机械设计课程设计过程为传动方案分析，电机选择，运动及动力参数计算，传动零件与轴的设计计算，轴承、连接件、润滑密封件和联轴器的选型及校核，箱体及附件结构设计，绘制装配图、零件图，编写设计计算说明书。不少学生将各个阶段孤立开来，仅仅按照顺序依次计算，计算完毕后再开始画图，缺乏系统的整体的观念，不明白各个环节是互相关联的，牵一发而动全身，某个环节的修改会导致其它环节产生连锁反应，尤其是在轴系结构设计时未能正确执行“边计算、边画图、边修改”的原则，导致结构出现干涉等问题后不得不大面积返工。（3）工程知识匮乏。对零部件的结构、尺寸和加工、装配工艺认识不足，对减速器的制造、安装、调整、维护等工艺过程缺乏感性认识。在确定减速器整体及零件的结构尺寸、工艺过程和精度要求方面，只会模仿书本的样图，只会硬套指导书的经验公式，不知结合工程实际进行调整。譬如对齿轮轮毂和轮辐的非加工表面设计了不合理的尺寸和表面质量要求。

2 课程教学改革与探索

为了改进机械设计课程设计的教学质量，提高学生的创新设计和工程实践能力，培养适应经济社会发展需要的高素质机械工程技术人才，课程组基于卓越工程师教育培养计划要求和CDIO模式对机械设计课程设计进行了教学改革。

（1）优化教学计划

通常课程设计是安排在理论课结束之后集中进行，这让学生感觉两者之间关系并不紧密，在态度上呈现重课程、轻设计的趋势，未能很好地实现通过课程设计巩固和实践理论课程的目标。此外，两周集中设计的时间太短，学生很难完全领悟机械系统设计的要领并贯彻实施，很难充分考虑到一些细节问题并使之完善。再次，课程设计安排在考试周前后，学生要应付课程考试，无法将主要精力用于课程设计。本课程组将课程设计任务化整为零，分散到整个学期相关章节的教学活动中去，突破原有的教学模式，从而保证改革手段的长期实施和监控。

首先在理论课程开课之初，在机械设计概论介绍完毕之后就布置课程设计题目，让学生充分利用刚学过的机械原理知识根据机构运动简图对传动方案进行分析对比，让学生自己选择合适的传动方案，不搞千篇一律。教师可将课程设计各阶段的进度安排提供给学生参考，鼓励学生先自学理论课未讲到的内容，允许学生根据新获取的知识适时地调整设计方案。由于学生是在接受了设计任务之后带着问题去学习，学习动力增强了，兴奋度也提高了。在讲解到相关章节时，学生也容易向教师提出具体问题，更加容易形成互动。而且也便于教师因材施教，根据学生的不同情况进行分别指导，容易突出主要问题，从而使理论课教学也更有针对性。这样也可尽可能降低期末考试周的影响，使学生能根据自己各项学习任务的轻重缓急合理安排课程设计的进度。

（2）丰富设计内容

机械设计课程是机械类本科生培养方案中的承上启下的一个环节，按照CDIO教育模式，课程设计内容要充分与其它课程有机结合起来才能发挥更大的作用，尤其应该跟机械原理密切结合，扩大机械原理部分系统方案对比设计的比重，鼓励使用主流三维CAD软件进行计算机建模与仿真，还应适时引入有限元分析、机械优化设计的思想，开展研究型教学，鼓励学有余力的学生深入学习。同时也可尝试设计题目多样化，甚至由学生自定题目。

在题目选择上可设计传统的齿轮减速器，也可以考虑教师的工程设计课题，或学生自选题目（譬如学生研究计划项目、机械创新设计大赛项目、创新创业训练计划项目等），这样有利于提高学生的积极性与主观能动性。适当加大机械原理知识应用在课程设计中的比重，要求学生对传动方案进行充分的分析与比较，使学生全面经历从运动设计到结构强度设计，再到精度设计的机械产品设计过程。为适应用人单位对学生计算机应用能力的要求，鼓励学生利用计算机软件（Solidworks或ProE）进行三维建模、运动仿真，最终通过软件实现工程图出图，减轻学生绘图压力。对于学有余力的学生，将鼓励其进行有限元分析、疲劳寿命分析和优化设计，在完成课程设计的同时主动深入学习新知识，提高其综合素质和竞争力。

（3）完善评价方案

通常课程设计成绩评定的主要依据是图纸和计算说明书质量以及答辩情况，这样的评定方案难以全面客观评估学生在整个设计过程分析解决问题的能力、独立的工作能力以及投入时间的多少，甚至会出现抄袭者比被抄袭者成绩高的个别现象，同时为鼓励创新，激发学生的创新热情，也要求对评价方式进行改革。课程设计成绩评定可从选题的难度、方案的创新性、平时的努力程度、计算过程的完整性、计算结果的准确性、图纸的规范性与正确性、答辩的情况以及学生自我评价等方面综合权衡确定。

为便于客观全面地了解学生参与课程设计的情况，教师应该经常前往教室指导课程设计，但由于教师还有其它教学科研任务，无法全天呆在教室指导。教师可加入班级的QQ群，这既便于教师通过计算机、智能手机及时回答学生提出的问题，也便于学生就某一设计问题开展讨论，还便于教师根据学生发言的情况和频率来了解学生对知识点的掌握程度和参与课程设计的热度，更加客观公正地评定平时成绩。

（4）补充工程知识

招生规模的扩大，加上工程训练场地和设备等资源扩充的滞后，使得学生参加金工实习的学时缩减，能动手实操的训练项目也大不如前，这导致学生对机械产品制造技术了解不够全面，对机械零件的生产工艺过程认识肤浅。工程训练的不充分直接影响到后续专业基础课程和专业课程的学习效果。减速器的箱体及其附件的结构设计、轴系零部件的结构设计都需要扎实的加工工艺知识作基础，否则难以获得满意的结构和制造工艺性。教师可以通过互联网络获取箱体、齿轮、转轴等零件的制造工艺过程录像，以及常规加工工艺方法如铸造、锻压、焊接、热处理、车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削、铰削和拉削加工的录像，并将它们作为班级QQ群共享文件供学生课余时间补充学习或加深认识，从而提高设计质量。

（5）剖析常见错误

目前绝大多数课程设计指导书偏重于设计思路、设计方法和计算过程的阐述以及机械设计常用标准和规范的收录，但对设计中常见、易犯的错误却一笔带过，甚至只字未提，这对保证设计结果的正确性和提高课程设计质量是不利的。课程组根据多年的教学实践，从设计方法、设计计算过程和绘图标注等3个方面对齿轮减速器设计中的常见错误进行了总结，分析了出错的原因，给出了相应的处理方法[4]。这样学生可以避免重蹈覆辙，提高设计效率；教师也可以避免重复对相同的错误进行解释说明，提高工作效率。

3 结束语

根据卓越工程师教育培养计划要求，采用CDIO模式，从教学计划、设计内容和评价方案等方面对机械设计课程设计进行了教学改革。通过教学实践发现：所采用的教学改革措施有利于激发学生的学习兴趣，改进机械设计课程设计的教学质量，为学生今后进行毕业设计和从事机械工程行业打下坚实的理论和实践基础，从而有利于提高学生的创新设计和工程实践能力、就业竞争能力、交流能力、团队协作能力和终生学习能力，有利于培养适应经济社会发展需要的高素质机械工程技术人才。