基于职业特征和CDIO的机械工程专业学位研究生案例库教学与实践

王家忠　弋景刚　王泽河

摘  要：针对机械工程全日制专业学位硕士研究生的职业特征和培养要求，将CDIO的教学理念引入教学实践中，以案例形式呈现。分析教学案例库建设的意义、对策，并进行案例库建设实践。案例素材源于科研项目和工程实践，具有实用性、先进性和科学性。结合自动化智能化制造单元与系统课程教学案例给出案例要素设计示例。实践表明，案例库教学能够在理论学习与实践训练之间架起沟通的桥梁，缩短从理论到实践的距离，达到理想的教学效果。该案例库的建设对专业学位研究生其他课程有一定的借鉴意义。

关键词：案例库建设;专业学位研究生;CDIO;自动化智能化制造单元与系统;案例教学

中图分类号：G643 文献标志码：A           文章编号：2096-000X（2022）11-0001-05

Abstract： In view of the professional characteristics and training requirements of full-time master degree students in mechanical engineering， the CDIO teaching concept is introduced into teaching practice and presented in the form of cases. The significance and countermeasures of the construction of graduate teaching case database is analyzed， and the practice of case database construction is carried out. The case material is derived from scientific research projects and engineering practice， and is scientific， advanced and practical. Combined with the teaching case of the "automatic intelligent manufacturing unit and system case library" course， the example of case element design is given， and the case library teaching is practiced. The teaching practice shows that case base teaching can build a bridge between theory learning and practice training， shorten the distance from theory to practice， and achieve a better teaching effect. The construction of the case base can be used for reference for other courses of professional degree graduate students.

Keywords： case base construction; professional master's degree programs; CDIO; automated intelligent manufacturing unit and system; case-based teaching

專业学位研究生的培养目标是以专业实践为导向，强调学术性与实践性、应用性的有机结合，注重其职业素养和社会适应性，造就高层次应用型专门人才[1-3]。培养研究生主动发现问题、提出问题及思考问题，并学会主动动手解决问题的能力，是专业学位研究生教育中的重要课题[4]。国外大学对专业学位人才培养进行了卓有成效的探索，案例教学是美、英等国研究生培养中运用最广泛的教学形式，尤其以商学院与管理类专业学位研究生发展最为成熟[5]。

为了尽快培养高层次应用型专门人才，国家对专业学位教育非常重视。2013年，教育部等三部委明确提出，专业学位研究生培养“以职业需求为导向，以实践能力培养为重点”[4]。2015年，教育部在借鉴国外先进经验基础上提出：加强案例教学，是强化专业学位研究生实践能力培养，推进教学改革，促进教学与实践有机融合的重要途径，是推动专业学位研究生培养模式改革的重要手段[6]。我国的案例教学在管理类专业应用较早，但在理工专业中难度较大。本文对机械工程专业学位研究生案例教学进行探索与实践，期望对其他课程的案例库建设有一定的借鉴意义。

一、机械工程专业学位案例库建设的意义

（一）机械工程专业学位研究生培养目标及要求

机械工程专业学位研究生主要面向机械工程行业及相关工程部门培养基础扎实、素质全面、工程实践能力强并具有一定创新能力的应用型、复合型高层次工程技术和工程管理人才，培养获取知识能力、应用知识解决工程问题的能力和组织协调能力。专业学位具有相对独立的教育模式，具有特定的职业指向性，是职业性与学术性的高度统一。专业学位教育以培养学生的实践能力为核心，强调实践性与应用性[3]。

（二）高级工程技术人员的工作职责和能力要求

经调研，企业对高级工程技术人员的工作职责和能力要求如下[7]：

1. 根据项目要求完成设备结构、机械部件的设计及方案的制订，绘制工程图及编制BOM;

2. 估算设备的设计成本和制造成本;

3. 对设备装配图样、零件图样进行绘制，参与产品加工过程中的质量跟踪;

4. 生产现场调试过程中进行技术指导、协调与沟通;

5. 负责非标自动化设备的规划，并指导项目团队成员设计。

由此可见，现代企业对高级工程技术人员的能力要求包括核心能力和非技术特质两个方面[7]，如图1所示。

核心能力包括机械加工工艺、机械结构设计和项目管理三个方面。其中，机构设计能力需要基础知识储备。大型项目经常采用并行设计的方法，需要项目组之间的沟通与协调，项目管理能力在现代的工业自动化设备设计中更加重要;非技术性特质包括团队精神、经验积累、责任心和抗压能力等，在竞争日益激烈的今天显得非常重要。

（三）当前专业学位研究生培养中存在的问题

目前，我国专业学位研究生在人才培养方案、教师队伍、工程理念、教材建设和评价体系等方面还不健全、不完善，表现在以下几个方面[8-10]：

1. 与学术性培养的同质化严重

多数研究型高校常常按照学术型研究生的培养方式来培养专业学位人才，存在课程安排与学术型学位研究生雷同等现象，有的学校培养方案趋同率达96%。职业性的缺失导致专业学位学术化、应用型实践性的缺失导致人才培养模式同质化，普遍存在专业实践时长不足问题，忽略专业学位研究生的专业特点和实践性。

2. 工程理念淡化或缺失

一名合格的机械设计师需要经过模仿、改造和创造的成长过程，需要按照工程教育理念和产品开发流程组织教学，在教学过程中需要营造一个适当的工作环境，但传统的教学模式淡化或缺失了工程理念。

3. 评价体系不健全

目前，对研究生教育的评价存在“重知识、轻能力;重工具讲授、轻责任培养”的局限，缺少“环境与可持续发展”“个人与团队工作”“项目管理与财务”等能力的培养。这些和图1中企业对高级工程技术人员的能力要求是不匹配的。

4. 学生自主学习能力差

由于沿用传统的教学模式和方法，发现问题、提出问题和解决问题的能力没有得到充分锻炼，学生自主学习能力差。低年级研究生借助文献和工具提出解决方案以及将专业知识活学活用方面明显不足。

针对以上问题，如何在有限的时间内培养机械工程专业研究生发现问题、提出问题、简化问题并最终解决问题的能力，是摆在我们面前的迫切任务。迫切需要采用工程教育理念“以職业需求为导向;以实践能力培养为重点;以产学结合为途径”。采用案例分析、现场研究和模拟训练等方法，使其在发现问题、分析问题和解决问题的实践探索过程中，理解知识、激活知识、应用知识。同时培养他们的创新能力、团队合作能力、表达能力、领导能力以及动手能力。

二、基于CDIO理念的案例库教学是解决问题的有效手段

CDIO（Conceive构思、Design设计、Implement实现和Operate运行，简称CDIO）是一种高等工程教育模式，由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学从2000年起探索研究创立的，并成立了以CDIO命名的国际合作组织。CDIO采用以学生中心、产出导向、持续改进的教育理念，以产品或工程项目的全生命周期为背景环境开展工程教育。它以全过程为载体培养学生的工程能力，包括个人的工程科学和技术知识，学生的终生学习能力、团队交流能力和大系统调控等方面的能力[11]。CDIO的模式、过程链、价值链及产品研发流程，见表1。

CDIO强调主动学习，采用合作和小组讨论、演示、辩论、概念提问、学习反馈，模仿工程实践进行，包括4个层面，分别为复杂的工程系统（level 1：技术）、有成熟思维的个体（level 2：个人）、基于工程环境的现代团队（level 3：团队交流）和构思-设计-实现-运作（level 4：CDIO）。将社会对工程人才的具体要求与工程系统的设计与建造和基本原理相结合，为工程教育制订出一套合理的、较完整的、通用的及可操作的教学目标，教学方法，教学路径和教学背景环境，使之适合工程教育领域。

案例教学是CDIO的一种教学模式，在专业学位研究生培养中发挥桥梁作用。尤其在理论与实践之间起着桥梁、纽带、媒介和过渡作用，它可以缩短课堂与社会、理论与实践之间的距离，在有限的教学时间内将理论知识转化成动手实践能力，提升专业学位研究生的培养质量。

三、案例库建设方法与步骤

近年来，我国专业学位研究生招生数量逐年增加，国家非常重视研究生的培养质量和案例库建设。但查询中国学位与研究生教育信息网的中国专业学位教学案例中心发现，目前较成熟的案例库在财会管理类专业居多，工程类课程极少，远远不能满足高级工程技术人员培养的需要。本文以机械工程专业学位研究生的自动化智能化制造单元与系统的案例库建设为例，介绍案例库的建设过程。自动化智能化制造单元与系统课程案例库的建设流程包括案例库建设规划、案例库设计、案例库制作和案例库维护几个步骤[12]。

（一）案例库建设规划

案例库建设总体思路为：按照CDIO工程教育理念，结合动化智能化制造单元与系统课程大纲和专业学位研究生培养目标，制定本课程的教学案例库建设方案。依托行业背景，保证案例库工程真实性、科学性和实用性，对真实案例高度概括、精简、升华。在案例库设计过程中将环保理念、标准意识等工程伦理意识融入到案例中。每个案例库包括“工艺分析-功能模块-整体布局-生产效率约束-各模块的工作节拍-机构设计-工作性能-持续改进”步骤。

（二）案例库设计

素材收集和整理工作量很大，需要长期的工作积累，这也是工程专业案例库建设难度大的主要原因。本课程案例库的素材来自实验室多年科研成果的积累，以及本科生机电一体化课程群的教学和研究生教学多年教学实践。按照模块化设计，模块之间可组可拆，方便使用。按照模块将案例库分为：数控机床类、机器人类、自动化生产线类和产学研类等。

（三）案例库制作

案例库的制作包括结构设计、初步制作和试用修改等环节。教学案例库中每个案例都是相对完整的事件，案例与案例之间、案例与教学内容之间相互关联，使案例教学具有系统性。一般包括：案例标题，教学目的与用途，案例背景，主题内容，结尾，相关附件，启发思考题，分析思路，理论依据分析，关键要点和教学建议等要素。

（四）案例库维护

案例库维护包括案例优化、案例管理和案例更新等，根据上课时反馈的具体情况，对案例库及时进行优化和修改，保证课程的持续改进与案例库的科学性、先进性和实用性。

四、案例库建设实践

本文以扇贝前处理自动化生产线设计模块为例，介绍案例库建设实践过程。在讲授具体案例之前应该让研究生了解和掌握案例的研究和开发背景以及在整个产业链中的作用，找到制约产业链发展的瓶颈问题，即发现问题。水产品加工最终实现机械化、智能化以及成套化技术体系，以扇贝加工前处理成套技术为例，扇贝加工包括原材料前处理和后处理，前处理非常重要，为后处理提供新鲜的原材料。前处理包括扇贝清洗、分级、剥壳、内脏分离和裙边分离等工序;后处理包括成品的冷冻、干燥、杀菌和活性组分提取等环节。扇贝前处理自动化生产线的案例内容描述见表2。

五、案例教学实践及思考

自动化智能化制造单元与系统课程非常适合采用CDIO模式进行教学。为了解决在有限的时间内培养研究生发现问题、提出问题、简化问题并最终解决问题的能力，完成由学生明白 “怎么做”到“会做”的转变。采用基于CDIO的案例教学模式，通过项目锻炼学生解决较复杂工程问题的能力。案例库素材来自于产学研的真实案例、本科生和研究生的教学实践。从案例库的组织、选题、实施过程、考核方式和评价体现等环节做了大量细致的工作，案例结构完整，整理成报告、动画和视频的形式，结合教材和PPT 课件、样机和三维数字化模型，丰富了教学内容和教材内容。

本课程的教学方法采用线上线下混合式教学模式，分组学习和讨论，一般3人一组。线上发布预习和作业信息，提前布置学习任务，引导研究生进行自主学习，查阅文献资料;线下以项目为线索，采用讲授、演示、讨论、学生汇报、实验室实训以及观摩样机等形式，指导每个研究生通过案例进行深入思考和分析，提出自己的观点。经过3轮的教学实践，效果明显，主要表现在：

1. 通过基于CDIO的案例库教学，完成了课堂中师生角色的转变，教师由过去的讲授变为“導学”，学生由过去的“听课”变为“主角”，活跃了课堂气氛。

2. 案例库中的案例采用模块式结构，可组可拆，可以针对不同基础的学生任意裁剪，方便便捷，便于案例库的优化和维护。

3. 案例教学通过案例呈现、情境模拟和实践体验等环节，在理论学习与实践训练之间架起沟通的桥梁，能够帮助研究生从静态的书本知识向动态应用型知识转化，缩短从理论到实践的距离。从近3年的教学效果看，选题、开题报告以及科研讨论会明显感觉到研究生开阔了思路，拓展视野，能够主动查阅文献资料，提高了发现问题、提出问题、简化问题并最终解决问题的能力。同时培养了研究生的团队协作能力和工程伦理理念。

案例教学迈出了从理论到实践的关键性一步，使专业学位研究生知识学习实现连续性和完整性。但是案例教学不是万能的，它无法使专业学位研究生形成熟练的技术技能，还需要结合课题和项目将案例变活，举一反三，达到事半功倍的效果。应进一步加强对案例教学方式方法的探索，利用网络资源和平台开发优秀案例，优化案例资源库。

参考文献：

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