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摘 要:作为重要的实践性教学环节,传统的《机械原理》课程设计已难以适应新形势下高等工科教育对学生综合素质和创新能力培养的要求。根据CDIO工程教育理念,本文分析了传统的《机械原理》课程设计不足之处,并在此基础之上,对《机械原理》课程设计模式改革进行了探讨并付诸实践,取得了良好的效果。所作工作对机械基础系列课程改革具有重要的借鉴并为其进一步深化奠定了基础。
关键词:CDIO 工程教育 《机械原理》课程设计 实践性教学
中图分类号:G642.3 文献标识码:A 文章编号:1673-1875(2010)04-011-02
我国高等工科教育的迫切任务是尽快培养与国际接轨的中国工程师,然而目前我国工科的教育中还存在着诸如重理论轻实践、强调个人学术能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而轻视开拓创新的培养等问题。有报告称,2005年我国毕业的约60万工程技术人才中适合在国际化公司工作的尚不到10%,其主要原因即为国内学生几乎没有受到项目和团队工作的实际训练。
为了培养与国际接轨的中国工程师,国家教育部组织实施了“面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”,其中,机械基础系列课程的改革主要是以强化机械系统设计意识、培养机械运动方案与结构创新能力以及知识综合运用能力等为目标。为了适应新形势发展的要求,我校燕山大学在近几年中不断加大对本科教学改革的力度,而机械工程学院引入的CDIO教学理念尤为突出。
CDIO代表构思(conceive)、设计(design)、实施(implement)、运作(operate),是现代工业产品从构思研发到运行改良乃至终结废弃和再利用的生命全过程。该教学理念由美国麻省理工学院等四所大学历经四年探索研究所提出,是立足于改革工科教育,强调基于项目的学习,面向产业需求考虑课程设置,从工程科学和分析转向设计和产品创新的工程教育模式。
《机械原理》课程设计是高校机械类各专业学生在完成《机械原理》课程学习后进行的一个重要的实践性教学环节,目的在于培养学生机械系统运动方案设计和创新设计能力,以及综合运用所学知识分析和解决工程实际问题的能力。21世纪是全球化的知识经济时代,人类将更多地依靠知识与技术创新。产品的生命是创新,创新来自于设计,而机械产品的创新设计成功的关键是机械系统的运动方案设计。因此,借鉴先进的CDIO工程教学理念对《机械原理》课程设计予以改革,使其适应新形势下对机械类学生创新能力和综合素质培养的要求具有重要的意义。
一、传统机械原理课程设计模式分析
传统的《机械原理》课程设计一般选择“牛头刨床往复运动机构”为设计方案,为期一周,要求学生分别以图解法和解析法对该机构进行结构、运动学和动力学分析。由于设计时间较短,而工作量相比较大,故通常将每班学生分成三组,由指导教师给定三种设计方案,分配每组同学其中一种进行设计。
这种模式虽保证了教学任务得以较为顺利的完成,但也存在如下弊病:
其一,缺少全局构思阶段,由于省去了方案设计的过程,致使学生仅对本组方案有所了解,而难以得到对满足任务要求的全部方案的选择及优化等锻炼;其二,没有自主设计过程,方案确定之后,机构相关运动参数亦随之给定,需要学生做的即是绘制机构运动简图,用图解法和解析法对所选机构的位移、速度、加速度及力进行分析,绘制机构运动线图并作误差分析,之后编写课程设计说明书。
因此,从本质上来讲,类似上述的设计并非真正意义上的设计,仅能算是一次作业。即便学生按部就班地完成了设计任务,对学生创新素质和设计能力的培养效果也不会理想,并不符合工程教育的要求。
二、基于CDIO理念的机械原理课程设计模式改革
1、课程设计方式的改革
传统《机械原理》课程设计的题目千篇一律,限制了学生的思维,难以激发学生的兴趣。根据CDIO理念,课程设计改革必须使其设计题目多样化以充分调动学生设计的积极性。
鉴于《机械原理》课程设计时间较短,在《机械原理》课堂教学的首次课,即把课程设计的要求和安排告知学生,并要求其自由结合,每组4～5人,并选举组长1名,负责全组整体设计工作及协调各成员分工。
各组设计题目可从教师给定的备选项中选择,亦可自行确定(需经指导教师审核),但不能有重复。考虑到课程设计的可操作性以使学生在规定的时间内能够独立完成,设计题目不宜太深太复杂,其原则为:题目具有综合性,以运动方案设计为主;题目要覆盖《机械原理》课程的主要内容;题目应结合生产实际,是学生在日常生活、生产实践中所熟悉的;题目的设计结果应包括两到三种基本机构,也允许选用其它常用机构或组合机构;题目要有一定灵活性,有利于发挥学生的创造力。
设计题目确定后,需针对已选题目提出三种设计方案,每个设计方案中必须包括两到三种基本的传动机构。之后,经比较论证,确定一种最佳方案进行具体设计和分析。
改革后的课程设计中,学生们可以根据自己的特长自由组合,充分展示个人能力;每个小组自由选择设计题目,大大提高了其设计兴趣;各组独立提出设计方案,为其创造力的培养提供了条件。与传统的课程设计相比,上述改革使得学生们从选题、论证、设计到最后提交成果,需要共同讨论、分工协作,符合CDIO培养大纲中工程毕业生工程基础知识、个人能力和人际团队能力的培养的要求,既有利于提高学生独立解决问题的能力,又可培养其创新意识和团队精神,使学生受到一次真正设计的训练。
为了保证课程设计的顺利完成,采用分散的课堂教学与集中设计相结合的方式,即在《机械原理》课程教学中,选择适当机会安排讨论课,重点论述教学中所涉及机构的应用,以帮助学生合理选题及确定所选题目的最优设计方案;在1周的集中设计时间内,针对所选方案,学生需进行几何建模、运动仿真、运动学和力学的分析,以及编写设计说明书并准备答辩等。
2、课程设计考核的改革
与课程设计方式相对应,《机械原理》课程设计成绩共分为四部分:选题成绩、平时成绩、设计成绩及答辩成绩。各部成绩分值及考核依据如下:
选题成绩占总成绩的20%。在讨论课上,每组需以PPT形式结合文献查阅或调研情况将该组所选题目的意义、用途等进行说明,并提出三种设计方案,每种方案中必须包括两至三种典型的传动机构。各组汇报人临时抽签确定,根据其汇报水平及回答问题情况确定该组选题成绩。平时成绩占总成绩的20%,主要依据集中设计阶段的出勤情况和工作态度评定,这是设计正常进行的基本保证。设计成绩占总成绩的40%,分值最重,主要根据机构三维模型的建立、运动过程的仿真、运动简图的绘制、说明书的撰写等确定。答辩成绩占总成绩的20%。各组将集中设计阶段的工作及成果以PPT形式作汇报,每组的汇报人同样由临时抽签决定,介绍自己的成果并回答提问,据此评判答辩成绩。
由于选题介绍及最终答辩时的汇报人均是随机选定,故此要求各组每个成员都必须参与题目选择和机构设计全过程,对本组的方案应非常熟悉,否则将影响整体得分。
设计结束时,要求每组提交机构运动简图一张、设计说明书一份、机构运动仿真结果和PPT演示文档等资料。
按照CDIO教学理念对《机械原理》课程设计的改革已试行一年,实践证明新的模式为学生创新设计能力、分析问题和解决问题的能力以及工程思维和工程实践能力的锻炼和提高提供了很好的平台,并确实取得了良好的效果。然而,CDIO工程教学模式是一个系统的工程,无论是在设计内容,还是在设计方法和考核方式上,符合CDIO理念的《机械原理》课程设计还有很多需要完善之处,需要结合中国国情进行更加深入的探索和实践。
参考文献:
[1]顾佩华.从CDIO到EIP-CDIO——汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究,2008(1):12-20.
[2]王三民.机械原理与设计课程设计[M].北京:机械工业出版社.2005
[3]裘建新.我国高校机械原理课程设计的教学改革[J].高等学校理工科教学指导委员会通讯,2005(5):18.
[4]孙志宏,单洪波,庄幼敏,高志民.提高学生创新能力 改革机械原理课程设计[J].实验室研究与探索,2007,26(11):98-99,154.
关键词:CDIO 工程教育 《机械原理》课程设计 实践性教学
中图分类号:G642.3 文献标识码:A 文章编号:1673-1875(2010)04-011-02
我国高等工科教育的迫切任务是尽快培养与国际接轨的中国工程师,然而目前我国工科的教育中还存在着诸如重理论轻实践、强调个人学术能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而轻视开拓创新的培养等问题。有报告称,2005年我国毕业的约60万工程技术人才中适合在国际化公司工作的尚不到10%,其主要原因即为国内学生几乎没有受到项目和团队工作的实际训练。
为了培养与国际接轨的中国工程师,国家教育部组织实施了“面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”,其中,机械基础系列课程的改革主要是以强化机械系统设计意识、培养机械运动方案与结构创新能力以及知识综合运用能力等为目标。为了适应新形势发展的要求,我校燕山大学在近几年中不断加大对本科教学改革的力度,而机械工程学院引入的CDIO教学理念尤为突出。
CDIO代表构思(conceive)、设计(design)、实施(implement)、运作(operate),是现代工业产品从构思研发到运行改良乃至终结废弃和再利用的生命全过程。该教学理念由美国麻省理工学院等四所大学历经四年探索研究所提出,是立足于改革工科教育,强调基于项目的学习,面向产业需求考虑课程设置,从工程科学和分析转向设计和产品创新的工程教育模式。
《机械原理》课程设计是高校机械类各专业学生在完成《机械原理》课程学习后进行的一个重要的实践性教学环节,目的在于培养学生机械系统运动方案设计和创新设计能力,以及综合运用所学知识分析和解决工程实际问题的能力。21世纪是全球化的知识经济时代,人类将更多地依靠知识与技术创新。产品的生命是创新,创新来自于设计,而机械产品的创新设计成功的关键是机械系统的运动方案设计。因此,借鉴先进的CDIO工程教学理念对《机械原理》课程设计予以改革,使其适应新形势下对机械类学生创新能力和综合素质培养的要求具有重要的意义。
一、传统机械原理课程设计模式分析
传统的《机械原理》课程设计一般选择“牛头刨床往复运动机构”为设计方案,为期一周,要求学生分别以图解法和解析法对该机构进行结构、运动学和动力学分析。由于设计时间较短,而工作量相比较大,故通常将每班学生分成三组,由指导教师给定三种设计方案,分配每组同学其中一种进行设计。
这种模式虽保证了教学任务得以较为顺利的完成,但也存在如下弊病:
其一,缺少全局构思阶段,由于省去了方案设计的过程,致使学生仅对本组方案有所了解,而难以得到对满足任务要求的全部方案的选择及优化等锻炼;其二,没有自主设计过程,方案确定之后,机构相关运动参数亦随之给定,需要学生做的即是绘制机构运动简图,用图解法和解析法对所选机构的位移、速度、加速度及力进行分析,绘制机构运动线图并作误差分析,之后编写课程设计说明书。
因此,从本质上来讲,类似上述的设计并非真正意义上的设计,仅能算是一次作业。即便学生按部就班地完成了设计任务,对学生创新素质和设计能力的培养效果也不会理想,并不符合工程教育的要求。
二、基于CDIO理念的机械原理课程设计模式改革
1、课程设计方式的改革
传统《机械原理》课程设计的题目千篇一律,限制了学生的思维,难以激发学生的兴趣。根据CDIO理念,课程设计改革必须使其设计题目多样化以充分调动学生设计的积极性。
鉴于《机械原理》课程设计时间较短,在《机械原理》课堂教学的首次课,即把课程设计的要求和安排告知学生,并要求其自由结合,每组4～5人,并选举组长1名,负责全组整体设计工作及协调各成员分工。
各组设计题目可从教师给定的备选项中选择,亦可自行确定(需经指导教师审核),但不能有重复。考虑到课程设计的可操作性以使学生在规定的时间内能够独立完成,设计题目不宜太深太复杂,其原则为:题目具有综合性,以运动方案设计为主;题目要覆盖《机械原理》课程的主要内容;题目应结合生产实际,是学生在日常生活、生产实践中所熟悉的;题目的设计结果应包括两到三种基本机构,也允许选用其它常用机构或组合机构;题目要有一定灵活性,有利于发挥学生的创造力。
设计题目确定后,需针对已选题目提出三种设计方案,每个设计方案中必须包括两到三种基本的传动机构。之后,经比较论证,确定一种最佳方案进行具体设计和分析。
改革后的课程设计中,学生们可以根据自己的特长自由组合,充分展示个人能力;每个小组自由选择设计题目,大大提高了其设计兴趣;各组独立提出设计方案,为其创造力的培养提供了条件。与传统的课程设计相比,上述改革使得学生们从选题、论证、设计到最后提交成果,需要共同讨论、分工协作,符合CDIO培养大纲中工程毕业生工程基础知识、个人能力和人际团队能力的培养的要求,既有利于提高学生独立解决问题的能力,又可培养其创新意识和团队精神,使学生受到一次真正设计的训练。
为了保证课程设计的顺利完成,采用分散的课堂教学与集中设计相结合的方式,即在《机械原理》课程教学中,选择适当机会安排讨论课,重点论述教学中所涉及机构的应用,以帮助学生合理选题及确定所选题目的最优设计方案;在1周的集中设计时间内,针对所选方案,学生需进行几何建模、运动仿真、运动学和力学的分析,以及编写设计说明书并准备答辩等。
2、课程设计考核的改革
与课程设计方式相对应,《机械原理》课程设计成绩共分为四部分:选题成绩、平时成绩、设计成绩及答辩成绩。各部成绩分值及考核依据如下:
选题成绩占总成绩的20%。在讨论课上,每组需以PPT形式结合文献查阅或调研情况将该组所选题目的意义、用途等进行说明,并提出三种设计方案,每种方案中必须包括两至三种典型的传动机构。各组汇报人临时抽签确定,根据其汇报水平及回答问题情况确定该组选题成绩。平时成绩占总成绩的20%,主要依据集中设计阶段的出勤情况和工作态度评定,这是设计正常进行的基本保证。设计成绩占总成绩的40%,分值最重,主要根据机构三维模型的建立、运动过程的仿真、运动简图的绘制、说明书的撰写等确定。答辩成绩占总成绩的20%。各组将集中设计阶段的工作及成果以PPT形式作汇报,每组的汇报人同样由临时抽签决定,介绍自己的成果并回答提问,据此评判答辩成绩。
由于选题介绍及最终答辩时的汇报人均是随机选定,故此要求各组每个成员都必须参与题目选择和机构设计全过程,对本组的方案应非常熟悉,否则将影响整体得分。
设计结束时,要求每组提交机构运动简图一张、设计说明书一份、机构运动仿真结果和PPT演示文档等资料。
按照CDIO教学理念对《机械原理》课程设计的改革已试行一年,实践证明新的模式为学生创新设计能力、分析问题和解决问题的能力以及工程思维和工程实践能力的锻炼和提高提供了很好的平台,并确实取得了良好的效果。然而,CDIO工程教学模式是一个系统的工程,无论是在设计内容,还是在设计方法和考核方式上,符合CDIO理念的《机械原理》课程设计还有很多需要完善之处,需要结合中国国情进行更加深入的探索和实践。
参考文献:
[1]顾佩华.从CDIO到EIP-CDIO——汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究,2008(1):12-20.
[2]王三民.机械原理与设计课程设计[M].北京:机械工业出版社.2005
[3]裘建新.我国高校机械原理课程设计的教学改革[J].高等学校理工科教学指导委员会通讯,2005(5):18.
[4]孙志宏,单洪波,庄幼敏,高志民.提高学生创新能力 改革机械原理课程设计[J].实验室研究与探索,2007,26(11):98-99,154.