摘要:通过分析“机械原理课程设计”教学中存在的问题,阐述基于CDIO教学理念的“机械原理课程设计”教学改革和实践,提出了该实践课程教学改革的具体措施,培养了学生工程职业素质、团队协作精神,在教学质量上取得了较好的成效。
关键词:机械原理课程设计;CDIO;教学改革
作者简介:朱玉(1970-),男,安徽芜湖人,南京工程学院机械工程学院,副教授,主要研究方向:机械设计与机械系统仿真。(江苏南京211167)
基金项目:本文系南京工程学院高等教育研究基金项目“基于产品实现过程的‘机械原理和设计’课程实践教学改革与研究”(项目编号:GY200822)的研究成果。
CDIO(Conceive构思—Design设计—Implement实—Operate运作)是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、实践的方式学习工程,培养学生的四大能力(即理论知识、个人素质和发展能力、协作能力、工程—社会大系统适应与调控能力),[1]CDIO系统地提出了极具可操作性的12条标准,并有相应的培养大纲。南京工程学院作为教育部CDIO首批试点高校,在“机械原理课程设计”教学改革实践中,从本校实际出发,以CDIO工程理念为指导方向,详细地探讨了课程设计改革的措施。
一、传统理念下“机械原理课程设计”教学的不足
1.设计题目陈旧,设计方法呆板,设计手段落后,不能激发学生的兴趣
当前很多高校“机械原理课程设计”选题主要是对插床导杆机构、单边棍轴自动送料装置进行运动分析和动态静力分析,[2]并在此基础上确定飞轮的转动惯量。无论是用图解法还是解析法,设计中都是过于侧重理论,偏重知识的积累,这种模式是中国传统的高等教育的人才培养模式,在历史上曾发挥过重要作用。随着产业结构的转型升级,对工科人才需求越来越多,同时要求也越来越高。传统的教学模式暴露出了许多缺点,设计过程与工程实践完全脱节,学生在设计过程中仅是被动地接受知识,无法真正培养工程应用能力,对工程意识建立、工程应用能力培养等都有不利影响。
2.全班同做一个题目,没有考虑个体的差异性,学生对学习感到较枯燥,缺乏创新能力
高等教育的普及化发展方向带来的一个最大问题就是学生个体差异逐渐增大。这些差异包括性格,对基础知识和社会知识的掌握。机构运动、动力分析用到大量的理论力学基础知识,学生对该部分内容掌握程度不同极大影响了课程设计的效果,也成为抄袭的最大驱动力。课程设计全班、甚至全年级共做一个题目, 事实上学生没有自己拟定传动方案,只不过是按照设计说明书走一个过程,起不到设计新型机构和锻炼创新能力的目的。很多学生仅仅为设计最终能通过而学习,没有主动参与的热情,根本体会不到学习的乐趣所在,更不要提创新能力了。
3.设计内容单一,缺乏整机设计理念
一部机器本来是由原动机、中间传动系统和执行系统三部分组成,传统课程设计中学生只对其中的执行系统进行分析设计,缺乏整机设计理念和系统训练。没有机械系统的方案设计和机构的选型设计,学生处于一种被动的状态,按部就班,自主设计和发挥主观能动性的内容非常少,无法激发学生的创造力,也不利于创新思维和工程实践能力的培养和训练,与当前我国着重培养创新型人才的国家战略不相符合。
4.个体意识强烈,缺乏团队协作精神
在传统的教育背景下,学生几乎没有受到项目和团队工作的实际训练,个体意识强烈,普通缺乏团队协作的精神。在工程实践中的人际交往的技能,比如团队协作、沟通交流的能力没有得到有效培养,对工程的认识不够,导致和企业需求脱钩。
二、基于CDIO理念的课程设计教学改革实践
1.题目多样化,培养学生创新思维能力
首先,课程设计体现以人为本,以学生为主的理念,一改以往所有学生的设计题目千篇一律的传统。从日常生活、工程实际中广泛搜集合适的课程设计题目,也鼓励学生自选课题开展研究(难度、工作量由教师审核),如打包机、电磁帽坯件成型机、洗瓶机、自动门锁、光盘驱动器等,[3]不仅扩大了题目的数量和类型,而且学生觉得既有趣又不陌生,从而提高学生的兴趣,也给学生以充分的想象和发挥的空间,使他们学会独立思考、积极创新。特别是前期调研过程中,他们运用各种手段收集资料,如通过互联网、图书馆,有的还讨教自己的亲朋好友,不仅增长了知识,而且提高了能力。
在培养学生创新能力的同时,典型机械的分析和设计对于学生来说也是不能缺少的。插床传动方案作为传统课程设计题目,可以要求学生在现有插床传动方案基础上,提出几种新的传动方案(方案越多越好),然后对提出的各种方案进行评价,找出最佳方案。当然,学生的创新设计主要集中在机构功能的创新上,而非机构的创新。在“机械原理课程设计”中进行创新的目的是让学生掌握一个独立的设计过程。
2.使用现代工程设计方法和手段,提高创新积极性
以往的课程设计结果往往停留在几份图纸和书面报告,学生对自己设计出的机构或机器是否可行不得而知,所以积极性不是很高。随着计算机虚拟设计技术的发展,运用仿真软件对机构进行虚拟造型,并对机构进行运动学仿真及可行性验证已经轻而易举了,而且目前学生学习计算机软件的积极性都很高,所以,在课程设计的环节中,要求学生运用所掌握的三维设计软件(如Pro/E、ADAMS、UG等)对机构设计方案进行虚拟设计和运动学仿真,并验证方案的正确与否。[4]虚拟技术的运用加快了机构设计和可行性验证的进程,学生通过这个环节的训练,不仅巩固了对三维设计软件的掌握程度,而且当他们看到经过自己辛勤工作设计的虚拟机器能够运动起来,都很有成就感,这大大提高了学生创新的积极性,他们的设计结果往往出乎意料。
而采用虚拟样机软件ADAMS对传统题目插床进行运动学和动力学分析,对改善图解法和解析法的弊端也是非常有帮助的。[2]ADAMS动力学仿真软件可快速方便地创建完全参数化的机械系统几何模型,快速对各种设计方案进行仿真分析,结果以曲线图和动画显示的方式输出,良好的操作界面和对物理样机工作情况的可视性,充分弥补了学生实践经验的不足,而且能在较短的时间内完成整个课程设计,使学生有更充足的时间进行方案设计,培养创新能力。
3.合理安排设计内容,培养整机设计理念
目前“机械原理课程设计”和“机械设计课程设计”是各自独立、自成一体的,这就割裂了二者之间的有机联系。实际上,机器的设计一般大致包括两大部分,即实现预定要求的运动设计和克服生产阻力实现预定工作能力的设计,它们分别是由“机械原理”和“机械设计”这两门课程来承担的,是机械设计的不可分割的两部分。过去的“机械原理课程设计”,学生虽注重运动方案设计,但没有考虑结构、工艺、成本等问题;而在“机械设计课程设计”中,学生只注重结构设计轻运动方案设计,限制了学生创造性思维的发展。显然,两个课程设计各成一体,割裂了整体设计思想,不利于学生综合应用能力的培养。
为了对学生进行系统训练,形成整机设计理念,我们将“机械原理课程设计”和“机械设计课程设计”结合起来进行,从产品设计的全过程出发,编排课程设计的内容,做到课程设计的完整性、系统性和综合性。此外,采用先分散后集中的教学方式,解决设计内容多而时间紧的矛盾。以插床的设计为例,让学生从一开始就注重整体设计,增强综合分析问题的能力,“机械原理课程设计”所做的设计内容为“机械设计课程设计”提供了运动方案设计的必要条件,而且还提供了“机械设计课程设计”中所必需的运动和动力分析以及各尺寸等参数的充分条件,在后续的设计中,学生只需通过强度计算,在考虑结构、工艺、成本等问题上把各种机构具体化,画出装配总图、零件图,完成整个设计。这样可以大大改善“机械设计课程设计”的教学质量,避免理论与实际脱离。
4.采用研究设计小组形式,培养学生团队协作能力
全班学生根据自身专长和兴趣爱好选择好设计题目后,分成若干小组,每组3～5名学生,每组选出一个组长,领导本小组的成员构思创新方案。由于题目是自己选定的的,故学生主动参与的意识很强,设计的积极性很高,小组内能够充分发挥每个人的特长,集思广益,互相合作,能够比较全面有效地解决问题,使知识的掌握更加准确和深刻。每一个学生必须提出自己的设计方案,并介绍为什么要采用此方案,由小组长组织全小组讨论,取本小组每一个成员方案的长处,避其短处,形成本小组的一个或几个方案。课程设计是在有限的时间内完成一台整机的方案设计和相应的运动及动力分析等,因此小组成员之间的互相配合、步调一致非常重要。同时成立小组也避免了互相抄袭现象,可以调动后进学生的积极性,使其体会到团队的力量是无穷的,形成协作意识,增强自信心和责任感,有利于发展良好性格,为将来工作岗位上的合作奠定基础。采取小组形式充分调动和发挥了学生的主观能动性,开发了学生的智力,培养了学生的团队协作能力。[5]
5.倡导主动实践,培养学生实践能力
随着教学改革的深入和课程体系的调整,“机械原理”课程的教学学时越来越少,课程设计要想取得比较好的教学效果,必须重视学生的课外学习环节,把培养学生实践能力贯穿到这个课程设计中,在业余时间可以将课堂延伸到图书馆、网络、实验室、各种机械博览会和工程现场等。例如开放实验室的的“机械方案创意设计模拟实验仪”,该实验仪可以通过组合搭接形成各种不同形式、不同性能、不同功用的机构,学生们可以将自己的机构设计方案通过实验仪加以验证;对于有条件的学生鼓励他们利用节假日时间去工厂调研;组织学生参观与机械相关的国际博览会,如食品加工、医疗器械、包装机械等国际博览会;组织学生根据各自兴趣爱好成立兴趣小组,组织和鼓励他们参加全国、省、市、学校各层次的创新设计竞赛。通过这些措施,涌现了许多具有创意的作品。在主动实践的过程中,学生的质疑力、观察力、协同力等素质都能得到培养。
三、结束语
通过课程改革实践我们发现,基于CDIO模式下的课程体系优点明显,建立起了以往工科教育中缺乏的工程价值观,激发起了学生的学习兴趣,转变了学习态度,培养起了学生的团队协作意识。以产品为导向的工程教育,做中学,学中做,使得以往理论实践相脱离的问题得以改善,更加强调了学生综合能力的培养。学生普遍反映课程设计效果较以往有很大提高,CDIO对于工科学生的人才培养模式具有普适性。
参考文献:
[1]陶勇芳,商存慧.CDIO大纲对高等工科教育创新的启示[J].中国高教研究,2006,(11).
[2]朱玉.PRO/E和ADAMS在《机械原理课程设计》中的应用[J].江苏教育学院学报(自然科学版),2006,(4)
[3]孙志宏,单洪波,等.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,(11).
[4]朱玉.机械原理和设计课程设计教学探索和实践[J].南京工程学院学报(社会科学版),2007,(1).
[5]李秀春,秦志钰.机械原理课程设计改革探讨[J].太原理工大学学报(社会科学版),2008,(S1).
(责任编辑:苏宇嵬)
