机械电子工程专业工程人才的应用能力培养方式探究

吴承伟

(黄山学院机电工程学院，安徽 黄山 245041)

CDIO工程教育模式是由美国麻省理工学院Edward Crawley教授提出，并经过科研机构4年的探索研究创立的新的工程教育理念。CDIO代表了构思(conceive)、设计(design)、实现(implement)和运作(operate)，它着眼于想法—设计—产品—应用—反馈这整个过程，培养学生的工程能力，提高其专业素养。

近年来，国内众多高校开展了融入CDIO理念的新型教学模式、新型课程考核与评估方法、新型人才培养模式等的研究及实践工作，取得了一系列成果。如北京石油化工学院王殿君等[1]以创意之星机器人擂台赛为依托，重点讨论了赛事项目的构思、设计、实现及运作问题，将CDIO教育理念融入其中，培养学生解决问题的能力和团队合作能力。大连工业大学的魏鸿磊等[2]根据机电专业实践性强的特点，从学科知识与体系结构出发，构建了CDIO项目库，将一个或多个项目贯穿于课内实验、课程设计和实习实训等各个实践环节，学生经过培养，工程能力和工程素养明显增强。西南石油大学罗通等[3]基于CDIO理念建设了“互联网+中国制造2025”产教融合创新基地，并以该基地为切入点，从提升教师的CDIO能力出发，让教师密切联系生产实践，对“做项目中学”和“基于项目的教和学”等教学方法进行深入思考与探索，取得了一定成效。毕玉革等[4]针对农业机械专业优秀人才的培养需求，以及传统测试与实验衔接多、效果差的问题，提出了基于CDIO理念的现代测试技术课程实验教学体系。在该系统中，以CDIO项目教学反向研究渐进式实验课程内容，并设计了独立的实验教学评价体系，经过实践，学生能解决复杂工程问题，改革效果明显。盘锦职业技术学院王辉等[5]借鉴CDIO工程人才培养教育理念，以机电类专业人才的工程能力培养为导向，开发了一款基于PLC控制技术的游梁式抽油机教学设备，规划了一个开放、多层次和创新的培训项目。

综上可见，国内各高校已依据CDIO教育理念，从培养模式变更、实践课程改革、实训基地合作、实验仪器重新设计等多维度进行了探索，并取得了一系列丰富成果，这为后续各高校参与CDIO教育模式革新提供了坚实基础。

1 本专业存在的问题探究

2005年，CDIO模式进入中国，由汕头大学首先进行改革实施，国内各高校相继跟进。但就安徽省来看，省内各高校参与度明显滞后，目前为止仅有合肥工业大学和合肥学院两所高校为CDIO工程教育联盟成员单位。黄山学院以培养学生的应用能力为主要目标，其机械电子工程专业作为典型机电类工科专业，主要培养具备现代机电产品设计、制造及分析应用能力的工程技术人才。

从本专业现行培养模式来看，虽以应用型为目标，但在实际培养中却存在以下问题：

1)人才培养定位不足，专业特色与优势不明显。机械电子工程专业是各高校开设较多的专业，也是受众面较广的专业。该专业面向的产业范围广，学习内容多为各学科交叉知识，各高校对专业人才的培养容易造成同质化问题，导致人才竞争力不足。黄山学院该专业的办学仍然处于探索阶段，与同院的机械设计制造及其自动化专业相比，课程重复度较高，同质化倾向较重，与专业特色相关的课程及课时均较少，仅靠几门方向课程无法支撑特色人才的培养。目前来看，人才培养的定位不足，还没有完全形成自己的办学特色与办学优势，仍需改进。

2)教学体系特别是实践教学体系不够完善。在现有的专业实践教学体系中，有实验课程、实训课程、实习课程、课程设计等传统环节，但与科研工作、各类比赛相关的实践性很强的训练课程只能针对极小部分学生，由学生自愿参加，没有纳入整体的面向全体学生的实践教学与考核中去。

课程评价体系对学生的考核不足。目前，现有的课程评价体系一直延续传统的评价模式，大多数理论课程还是通过简单的考勤、作业、考试等基本环节进行考核，重视学生的卷面成绩而忽视整个教与学的过程评价；实验课程多数以实验操作情况、实验所获得的数据和实验报告撰写情况进行考核，其中存在一定问题：实验操作情况由教师打分，打分的主观度较高，实验内容单一化易造成学生抄袭实验数据的问题。对具体的实验达成度、创作度和学生通过实验的收获度不能很好地进行考核，也无法在此基础上进行正向的反馈和激励。教师对CDIO理念的认知不深，教师自身工程能力不足。不少教师的工程背景不够深厚，部分教师从高校毕业即到高校任教，所参与的工程项目较少，即便参与过若干科研项目，很多也是纵向的理论化较强的科研课题，而对解决实际应用问题的项目接触不多，导致教师自身的工程能力和素养不足，也无法教育、引导好学生去进行工程能力的培养。部分中青年教师有CDIO理念的认知，但缺少资金和平台去进行实践，去做自我提升，也制约了CDIO工程型人才的培养。

3)部分公共课程与专业课课时数偏多，专业核心课程数量不足，理论和实践学时分布不均衡。实践课时虽已经过调整，但总体上看，专业类的实践课课时比例占总课时的11%左右，仍然存在着重理论、轻实践的问题，这与专业的应用型培养目标不符。实践与理论之间融合衔接不畅。目前的专业培养方案中针对专业基础及核心课程开展了相配套的实验、实训课程。但从这些课程的开展时间来看，实验课程多集中于每学期的后几周开展，没能很好地结合当下所学的理论知识，存在理论知识点学习很久之后再进行实验的问题，容易造成学生在实验中对理论知识的体会和领悟度不高，而且能融合应用多课程知识的综合性训练项目较少。学生所学习的理论及实践知识较为零散，知识与知识之间较难形成体系。现有的课程设计环节只针对某一门课程知识的应用，且课程设计教学环节中，仍然较重视书面成果而缺乏对实物模型的要求；设计的题目较为传统，不能督促学生积极主动地去进行创造性思考；学生在设计活动中大多是独自进行相关工作，对团队精神的培养亦不足。多知识融合的综合性训练项目可多角度训练、考查学生对多课程知识的综合掌握和灵活应用情况，这方面的课程及课时安排较少将导致学生缺乏系统的训练环境去整合所学知识。

4)实验、实践项目与企业结合度不高。应用型的办学定位应面向企业和工程实际，现有的实验、实践项目更偏重于理论式的教学，与企业及工程实际问题结合不紧密，学生在实验、实践后仅知道简单的实验方法和实验结果，对结果如何应用到实际中去，有什么意义，为何要这样实验，如何去搭建实验的平台等实际问题感触不深，很难形成相应的工程能力和工程思维。

现有的实验仪器设备、评价体系对学生进行创作性实验支持度不够。现有的设备厂家大多本着统一化、模块化、操作简便化的设计思路去设计生产实验设备。提供的大多是满足验证性和简单的接线读数功能为主的设备。很多设备取消了零部件选型、后台搭接、安装、接线、调试、测试等步骤，学生通过简单的接线读数即可完成实验，从表面上看是简化了实验流程，方便了学生操作，但从实际角度看，这样做削弱了学生的动手能力。学生只能看见操作面板而不见内部结构，无法加深对实验的体系化认知，也导致思维懒惰化，不愿意去尝试，最终影响工程创造能力的养成。

由于大型模块化的实验设备价格昂贵，台套数量不足，且受实验课时所限，一般高校不可能为每一位学生单独提供实验机会，实验多数分组进行。在实际操作中，存在部分学生认真进行实验，而同组的其他学生既不动手也不动脑的问题。模块化的实验装置在后期亦很难进行更新升级，维护保养成本都较高。

2 改革的方法

2.1 明确人才培养定位，逐步发展专业特色

人才培养定位与专业特色紧密相关。由于机械电子工程专业具有多学科交叉融合、应用广泛、知识面广、技术新等特点，且该专业是由机械工程与电子信息深度交叉融合形成的，因此，该专业应用型人才的培养目标是致力于培养机、电、液一体化的复合型工程技术人才。同时，机械行业需要的是能够系统掌握伺服驱动技术和检测控制技术，熟练操作各种机械加工设备，熟练应用机械方面的软件技术，能够将机器人技术知识与专业基础知识进行衔接的技术骨干。为与机械行业需求相接轨，高校学生应掌握机械设计与制造技术的基本理论和基本知识，具备数控技术能力、机器人技术能力和智能物流技术能力。毕业后主要面向机械电子工程技术领域的工作岗位，成为所在部门的技术和管理骨干。应用型高校的人才培养始终要面向企业、面向工程解决实际问题，这也与CDIO的工程教育理念相契合。

2.2 依据CDIO理念，重构教学体系、课程体系与评价系统

CDIO模式要求新型的人才应加强个人学习能力、人际交往能力、过程和系统建造能力。以这些基本能力为切入点探究合适的人才培养体系，并最终依靠教师、学生、企业三方的综合评定来评价整个培养模式的好坏，特别要注重企业的反馈。并在此基础上有针对性地进行模式调整，使最终培养的人才符合现代工程师的要求，以满足企业所需。

1)教学体系改革。传统的教学体系仅重视学生理论知识的获取，导致学生实践能力不强。因此，需要将传统的教学体系转变为实践课教学与理论课教学相互衔接的实践教学体系，既重视学生理论知识的获取，又注重培养学生动手及协作能力。在教学体系中增加实践性很强的训练课程，如工业机器人项目综合培训课程和机电一体化系统综合设计等，逐步推进工程实践项目培训。采用任务驱动法充实课程实践教学体系，例如：机械电子工程专业的学生在学习“单片机”课程时，需要对电子钟进行设计训练，教师可以将基础理论知识与计算机软件应用相结合，使学生在加强知识点理解的基础上，提高相关软件的应用能力。对应用型大学来说，对学生的培养重点应放在“应用”上，只有颠覆传统的教学体系设置，采取以实践教学为主体，理论教学相协同的方式，才有可能将应用型培养落到实处。

2)重构课程体系。依托CDIO工程教育理念，注重培养学生系统化能力及对整体知识的把握；中型项目贯穿某几个学期，对应模块化的理论课程，培养学生对某一模块知识的学习和应用能力；针对某一学期某一课程，仅锻炼学生在这一课程实践活动中所需掌握的技能和技巧。多种大、中、小型项目的协调开展可强化学生对理论知识的掌握，并培养学生的主动意识和动手能力。

课程的设置要兼顾学生人文素质的培养和个性化发展，要求学生及早、主动地迎接社会，融入社会，多做思考，顺应时代发展。

以上课程体系的构建重点在于做好小项目的开展。改革初期，应当以小项目开展为主，可选取一至两门应用性较强的课程，如“机械设计”“微控制器技术”“可编程控制器技术”等进行整体改革，以改革成果为示范，推动整个课程体系重构。打破以往的“理论课程+实验课程+课程设计”这种较独立、松散的授课体系，借鉴项目式教学法，在教学之初，做好知识体系与逻辑设计，明确所应达到的教学目标，做好教学目标分解和教学考核机制，从企业面向的工程实践案例出发，以解决实际问题为导向，进行分区块知识点学习。整个学习过程在实验室中进行，以分组协作、组间竞赛模式开展学习活动。学生真正做到在“做中学”和“学中做”，以边学边做边思考边推进项目的形式学习知识和技能，培养动手能力、创造能力、过程管控能力和协作能力。

对中型项目的开展要以模块化知识的教学为依托，在课程设置上应集中于1～3个学期内。如，“力学”“机械设计”课程可规整为1个模块，这类课程集中于1～3个学期进行，参照小项目的教学方法，整体的模块课程也可以1个工程目标的实现为导向，通过模块课程的学习与训练，最终解决这个工程问题。亦可将“C语言”“数模电技术”“电工学”“微控制器技术”整合为一个中型模块项目，按同样的方法进行顶层设计后再进行教育实践活动。中型模块的开展可在多个学期中叠加进行，每一学期以开展2～3个模块的课程为宜。

大型项目可以作为学生毕业设计的提前演练环节，将考查学生综合运用所学专业知识，分析解决实际问题的能力。本校机械电子工程专业开设了机械电子综合设计项目，项目的选题将综合考虑机械、力学、电子、编程、控制等多方面知识的应用，确保学生能在项目的进行过程中将所学知识融会贯通，使个人能力得以锻炼。

3)评价体系调整。传统的评价体系依赖传统的教学体系，因此，进行教学体系与课程体系调整后，评价体系也要进行相应变革。传统理论课程注重学生考试卷面成绩，实验课程注重学生的实验报告，课程设计类课程注重学生的设计说明书，这些评价方式与新型的课程教学体系是不相符的。

从以课程为评价基本点变为以项目为评价基本点，重点关注项目的设计过程、实施过程和完成度情况。小型、中型、大型项目的评价观测点都应包含基础知识考核、项目构思、项目设计、项目对整体课程知识的应用度占比、项目实施管理情况、团队协作情况、个人表现、项目汇报PPT、项目实物成果、团队(个人)总结反馈等子项，不同类型项目各子项的分值应有所调整。

2.3 根据CDIO理念要求完善实践场所与设备

根据模块化、项目化课程教学体系的实施需求，完善相关实践场所和实验设备。对现有的实验、实践场所按工程理念要求进行改造，改造后的场所需配备现代化的工具、设备和软件，满足学生及时动手进行实践的需求。完善的实践场所可为项目的开展提供良好的环境，有利于学生专注地思考。在实践场所的管理上也可采用弹性预约的方式，最大程度提供更多的开放时间，满足不同小组进行课后实践的需求。

同时，在实践设备的选取上应尽可能地选用创新性、创造性的实验设备。可由教师与学生进行项目申报与立项，自研相关教学设备，满足学生在教学活动中的需求，同时对该项目成果进行综合学分认定。

2.4 依托工程竞赛及校企深度合作，提升中青年教师工程应用能力

高校范围内的各类学科竞赛不少，但从以往经验来看，参与者始终集中在小部分人中，竞赛的组织、参与、指导及奖励没有完整的评价机制，这样的方式不能带动大家的积极性，更无法提高大部分学生的工程应用能力。应开展多类别与专业相关的校级竞赛活动，支持更多学生参加省级竞赛活动。建立完善的竞赛活动评价机制。要求全体学生在大学4年中参加若干次专业相关竞赛，与学生的综合素质学分认定、评奖评优挂钩。中青年教师以年度或学年为单位进行考核，每年需指导一定数量的学生参与竞赛活动或为竞赛开设培训活动，该指标与教师的职称晋升、项目申报、评奖评优挂钩，努力摸索出适合本校实际的工程能力评价机制。该机制应能起到双向促进作用。

同时，在竞赛项目的设置上要坚持面向社会、面向企业、面向实际所需，解决实际问题，侧重考核实际成果，要求制作实物，侧重对实物考核。

中青年教师大多缺乏参与企业实际工程项目的经验，应深化校企合作，让中青年教师多进企业深造，多以企业课题为科研课题，多以企业项目为实际教学项目，多将研究成果转化为企业实际应用。邀请企业工程师入校讲学、参与培养方案制定、对学生进行考核，高校教师也可进企业讲学、参与企业项目，解决企业问题。深度的校企合作才能强化中青年教师的工程能力。

3 改革的效果及预期

项目开展后，机械电子工程专业已按CDIO理念进行了初步的探索与实践，进行整体改革后，学生和教师的学习积极性将被调动起来，动手能力得到进一步增强，工程素养也有所提升。2020—2021年，机电工程专业参加了9项学科竞赛，在省级竞赛中获得一等奖2项、二等奖2项、三等奖1项；在2021年批准的12个项目中，完成了各级大学生10项实用创新项目，完成了10篇期刊论文和多篇学位论文，取得了3项实用新型专利和6项物理竞赛奖项。

按照CDIO理念进行课程体系整体改革后，机械电子工程专业基本形成了人人有项目、人人参与的良好局面。学生能够得到全面的工程项目实践训练，自学能力、分析能力、应用能力和创新能力将显著提高，就业能力和就业率也将得到切实提高。机械电子工程专业课程的教学效果得到有效提高，使机械电子工程专业人才培养方案与行业需求相接轨，有效促进机电工程专业的发展，促进人才的全面发展。

4 结语

本项目的开展使黄山学院机械电子工程专业办学有了较明确的改革方向和改革办法，但更多具体的措施需要在改革中不断探索形成。众多工程竞赛项目和企业项目的开展有利于形成自己的办学特色，同时也能促进教师面向教学、面向企业做出更多的教学科研成果。今后，我们将继续朝着这个方向探索，努力培养一批合格的工程应用型人才，也为应用型学校的办学打下坚实的基础。