机电综合训练课教学改革

分类：机电一体化论文发表 时间：2020-10-13 09:34 关注：(1)

　　在工程教育专业认证背景下，机械工程与自动化专业针对机电综合训练实践课存在的问题，引入先进的CDIO模式，融合OBE理念，探讨了该课程的教学体系、教学内容、教学方法、考核方式等方面的改革，构建并实施基于以工程设计项目为核心的机电综合训练课程，有效推进面向工程教育专业认证的学生实践能力培养与工程素质提升的教学改革。

　　关键词：工程教育专业认证；CDIO；OBE；机电综合训练课程

　　经济全球化背景下，工程教育向国际化发展。目前，工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础[1]。部分学科教育中出现了重理论轻实践、强调个人能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而轻视创新培养的现象。教育实践中，学生的能力培养没有满足现代工业要求，学生自主性、创造性没有得到充分的发展。为适应时代发展，我院机械工程与自动化专业从2013年起开展基于工程教育专业认证的教学改革，2015年春，设立机电综合训练实践课。这是面向工程教育专业认证的课程体系改革，并在实现“卓越工程师教育培养计划”中成为必不可少的重要环节。机电综合训练课为机械工程及自动化专业大学三、四年级的学生设置，通过整合多门核心专业课程设计，形成了大型的、系统化的项目训练系列课程。该课程立足于机械原理、机械设计、机电传动与控制技术、单片机及测试技术等多门课程的理论知识，以实际工程设计任务的方式下达给学生，要求学生在设计过程中主动寻求解决问题的方法。通过产品构思，形成概念产品，将所创意的概念产品进行设计，用图形展现出来，在工科实践中心加工制造实物，并在模拟的工作环境下运行，检验其构思、设计、实施的产品功能效果，以此培养学生的工程科研能力、学习知识能力和团队协作能力。这门跨越三个学期的大型项目训练课程在近年的教学评估中受到了专家、学校、用人单位和学生的认可。同时，也出现了许多亟待关注、解决的现实性问题。本文结合近几年教学实践，将CDIO工程教育模式和OBE理念相融合，对机电综合训练课程的教学体系、内容、方法、考核方式等方面进行分析，探讨工程教育专业认证视角下的课程教学改革。

　　1CDIO模式和OBE理念

　　CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate)工程教育模式是2000年起，以麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究，经过四年所建立的一整套国际工程教育实施模式。CDIO分别代表构思、设计、实现和运作。这种学习方法是以真实产品制作为载体，从产品研发到运行的整个生命周期中，学生都以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式进行工程学习。近年来，工程教育专业认证在我国快速发展，CDIO模式逐步应用在包括燕山大学、北京交通大学、汕头大学在内的多所知名高校的工程设计类专业教学中。截至2018年，有105所高校加入“CDIO工程教育联盟”[2]，CDIO成为实现新工科建设的有效模式。OBE(Outcomes-basedEducation)是一种基于学习结果的教育理念，又称成果导向教育。起源于20世纪90年代西方国家的基础教育改革。1994年，美国学者WilliamGSpady对其进行解释：“对教育系统中的每个环节进行清晰的聚焦和组织，确定一个学习目标，围绕目标使学生在完成学习过程之后能够达到预期结果”[3-4]。OBE理念基本过程通常分为三个阶段：学生学习需求的确定、教学的实施和学生学习成效的评估。

　　2专业背景和问题现状

　　课程组秉承CDIO理念，把机电综合训练实践课程分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三个子环节，贯穿于大三到大四的三个学期，综合了机械自动化专业不同阶段的机械、控制、电子类课程内容，分别进行机电产品的机械设计(大三下)、电子电路设计(大四上)和机电系统综合设计(大四毕业设计)，形成阶段性的、连续的系列综合训练。借此训练过程，以系统设计方法为主线，以机电产品为突破口，促进学生形成一体化设计的整体思想，能够将传感器技术、电子电气技术、计算机控制技术与机械传动技术相结合，掌握不同技术之间的输入(输出)接口，最终设计机电一体化系统或产品。将多门专业基础课和专业课的知识点融入工程项目设计之中，对前期所学课程进行充分的融合、消化和提高认识，是以项目设计为导向的综合能力培养，这正是实践CDIO模式的有效途径。本系列课程从无到有，从摸索到试点，在本专业2016届、2017届、2018届学生中实施。运行4年以来，逐步显示出以下问题：一是课程项目案例相对独立、项目规模大小不一，深度不同，缺乏与工程实际的联系，设置陈旧或重复；需要优化选择三个学期的项目，保证连续性，以机电一体化的思维综合运用多学科知识思考和设置训练内容。二是教学理论体系不突出，缺乏关联、继承，没有形成机电一体化。三是教学安排时间有待优化，尤其是电子电控部分设计，开设在大四上学期，学生投入的时间与精力不足，学习兴趣不高。四是部分学生反映学习难度大，处于被动学习状态，应用能力不强，不能将一些来自工程实际的问题与前序课程例如机械原理、机械设计、控制工程基础等课程的理论知识结合起来分析，学生产生知识断层。五是考核评价方式有限且缺乏区分度。工程教育专业认证非常看重学生的设计思维以及动手能力。目前评价数据来源单一、没有形成性的评价，评价结果仅仅是学生对知识点掌握程度的评价，而不是培养目标所要求的能力和素质的评价。

　　3教学改革与实践

　　针对现状，课程组在系统对CDIO模式和OBE理念学习的基础上，从教学体系、内容、方法和考核方式等方面进行了教学改革探索。

　　3.1教学体系的完善

　　在教学体系的建立和改进中，通过大量调研并实地走访了多所高校相关专业的教学体系规划，针对本专业的定位目标、学科基础和结构，参考其他院校初步建立如图1所示的理论框架[5]，并优化课程设置时间，做好课程体系中与其他专业课程的配搭和衔接针对设置在第七学期的机电综合训练II所面临的学生投入精力不足等具体问题，将教学时间提前移至第六学期结束后的暑期小学期中，主要完成项目前期的调研、开题、基本软件硬件工具的学习预备任务。项目后半段的实施任务调整至第七学期开学第一个月完成，以此兼顾学生考研、求职、实习和实践项目。

　　3.2教学内容的改革

　　将过去机、电独立训练转变为机电一体训练，过去以理论知识为训练单元改革为目前以工作过程为训练单元。教师对项目的选择，是课程有效开展的基本保障。教学内容设置上，主要以生产实践中真实的产品为项目对象，以该产品的数据采集、数字化设计、数控化制造、智能化装配等一系列工作过程为导向，把传统的、单独的课程设计实践课程加以整合，设计出若干个多种技术合成训练的综合课程设计项目案例。在此基础上，对项目案例进行严格遴选、整合和优化。从简单产品机电设计、中度产品机电控制，到创新产品机电系统开发等各级项目，由简到难分层建立项目库。这种分层设计，根据训练课程的不同执行阶段而设立，适应学生差异化需要，同阶段项目库中，也可让学生根据自己的知识水平和能力进行选择性学习，既满足了不同层次学生的学习需要，又使他们都能获得成功体验。培养了专业交流能力和团队合作精神，学生也能更客观地评价自己和队友，激发专业学习兴趣。同时在以项目为主导的教学内容设计中，不能忽视理论综合学习，分时、分阶段选择重点章节讲解，既避免与所学课程的重复，又补充了在综合训练中学生缺少的知识内容。

　　3.3教学方法的改革

　　开展以学生为中心、以成果为导向、以项目为主线的教学方法。培养学生基于项目、问题的主动学习方法，使实训项目成为专业基础课和专业课学习的主线。由于项目任务下达时间是在第六学期，学生将围绕工程设计任务主动地在第六、等七学期开设的课程中搜寻专业知识，学生针对项目学习课程主要知识点进行思考。与此同时，教师在项目开展进程中查找学生知识体系中的短板，挖掘机和电等实践环节和专业知识点的关联性，引导学生在具体项目中体验、理解并补充知识点和技能，改善目前学生表现出来的探多究少的现实状况。教学组织过程中，以小组为单位，边学习边循序渐进地完成项目，并着力发挥学生的自主性。

　　3.4考核方法的改革

　　基于OBE理念，引入了工程项目验收的考核方式。根据学生讲解设计思路、产品仿真、运行演示、现场答辩及项目报告等环节，引入学生自评、互评，由多名指导教师给出验收成绩。评选验收成绩高的小组为全体学生演示设计的成果，促进全体学生共同学习。同时，将项目验收方式与传统课程考核相结合，训练过程中，通过实施设计周志提交、中期答辩等形式，实现学生个体的考核区分度，形成过程考核成绩。最终的考核成绩综合过程考核和项目验收成绩。这种成果导向性的课程考核方式，已形成可执行文件，在不断总结完善中，逐步形成综合性、创新性的机电综合训练课程考核制度和规范。

　　4结语

　　本文探讨了工程教育专业认证背景下，融合CDIO模式和OBE理念的机电综合训练课的教学改革实践。教学改革执行中，贯彻“以学生为中心，成果、产出、结果导向的教学设计，持续改进的质量保障机制”的工程教育专业认证理念，改进并完善了以工程设计项目为核心的教学体系，明确教学目标，搭建了分层项目案例库，探索了课程考核评价方法。这种以成果为导向，以实际项目为载体，“做中教、做中学”的实践学习模式已初步取得成效。后期，将通过教学改革项目的持续改进，进一步完善既符合工程教育共识，又符合本专业学生发展实情，有自身学科专业特色的机电综合训练课程体系，以期学生在这种系列、综合的训练过程中逐步成长，使毕业生在工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，达到工程教育专业认证的预定目标。

　　参考文献

　　[1]陈秀梅,王红军,钟建琳,等.面向工程教育专业认证的机械设计制造及其自动化专业培养目标的研究与探讨[J].教育现代化,2017(45):17-19.

　　[2]朱高峰.中国工程教育的现状和展望[J].清华大学教育研究,2015(1):13-20.

　　[3]SpadyWG.Outcome-basededucation:criticalissuesandanswers[M].Arlington:AmericanAssociationofSchoolAdministrators,1994:1-10.

　　作者：龚堰珏 赵罘 黄雅婷