基于CDIO的机械工程控制基础课程教学改革探索:机械工程课程

基于CDIO的机械工程控制基础课程教学改革探索

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：
1674-9324（2016）35-0075-03 一、引言 目前，中国产业正面临着产业升级及转型。传统的工程 教育模式在实践及创新能力培养方面存在许多缺陷，学生知 识面狭窄，学习缺少自主性和创造性，学科教育与工程实践 脱节，严重影响人才培养质量，无法满足产业升级需要[1， 2]。因此，我国各高校和教育研究机构对高等工程教育的发 展和改革进行了大量研究并提出了具体的目标，即：中国的 高级工程人才培养应当使学生具有创新能力、多层次、专业 化[3]。目前，在教育部的大力支持下，我国很多高校借鉴 CDIO的模式和理念进行了向上述目标努力的工科专业教学 改革。CDIO（Conceive构思，Design设计，Implement实施，Operate运作）作为当前国际上高等工程教育的一种人才培 养理念，它从产品研发到运行全生命周期为载体，让学生主 动地、实践地学习工程，是“做中学”和“基于项目的教育 和学习”的集中体现[4-6]。要贯彻CDIO，高校课程必须加 强理论与实践相结合，通过团队能力和创新能力训练，培养 学生的实践能力、工程意识和团队合作等综合素质。

“机械工程控制基础”是机械类各专业本科学生的一门 重要专业基础课。该课程的主要任务是通过对经典控制理论 的学习，培养学生在机电控制系统方面的设计能力、工程实 践能力和创新能力。该课程的理论性和实践性都比较强，课 程涉及高等数学、大学物理、电路、机械等很多门学科，有 些理论内容比较抽象，因此怎样既能激发学生的学习热情， 又能传授知识，培养学生的工程实践能力和创新能力一直是 本专业教师所关注和探讨的问题。为了适应现代工程教育需 要，结合CDIO理念工程人才培养的“机械工程控制基础”教 学改革是一项紧迫任务。融入CDIO模式的工程人才培养“机 械工程控制基础”教学改革就应当以着重培养学生的工程意 识、实践能力、团队合作等综合素质为原则和根据，以启发 学生的创造性思维，提高学生的工程实践能力和创新能力以 适应社会发展的需要。

二、课程当前的主要问题“机械工程控制基础”课程作为一门重要的学科基础课 培养机械类专业工程技术人员，其理论性与实践性都很强。

在传统的教学中，课程知识点系统性强，学生缺乏系统认知 导致实践与理论脱节，学生动手能力较弱。采用传统的方法 教学教师不但感觉难教，学生也感觉难学。目前，现有的教 学模式存在着不足，主要表现在：
1.学生的预备基础知识掌握不扎实。“机械工程控制基 础”是一门多学科交叉的专业基础课，运用到高等数学、大 学物理、机械学、电工学等多门基础知识，如果学生的前期 预备基础知识不扎实，将影响这门课程的学习。另外，课程 所分配的学时较少，教师在课堂上理论教学及实践教学的学 时都很紧张，很难抽出学时复习预备基础知识。

2.实践环节的设置不够合理，重理论，轻工程。“机械 工程控制基础”课程涉及的数学理论较多，内容丰富，理论 性强，但学生难以将公式的内涵和意义与实际工程应用相联 系，这样就会使大量的推理、运算，掩盖课程的实际工程性。

理论教学内容多、实际工程问题少，使学生难以感兴趣。另 外，教学内容和实践环节的项目设计与实际工程问题有一定 差距，开设的实验大多都是验证性的实验，来源于企业的实 际实践项目类型少，这样很难激发学生的兴趣和创新意识，学生在结课后只会解习题，而不会解决实际的工程问题，很 多学生仍然不理解传递函数是怎样得到的，不会按照系统的 瞬态响应曲线调整控制器，更不用说去开发机电产品了。课 程设计的内容多年不变，达不到学以致用，理论联系实际， 团队合作更是无从谈起。

3.以教师为中心，以教材为中心，以课堂为中心。教师 在课堂上滔滔不绝地传道授业，学生参与其中很少，只是一 味地被动接受，在教学活动中教师是主角，而学生是配角。

授课教师多半年从事基础课程教学的老教师，或近年来引进 的青年博士，教师缺乏在企业中的工程实践经验，在教学活 动中难以将实际的工程实践项目带入课堂。

三、课程教学改革措施 由于“机械工程控制基础”课程知识具有系统性强的特 点，开展基于CDIO理念的课程教学改革，把主要知识点与工 程实际结合起来，通过综合实验及模拟仿真使学生能够在 “做中学”，提高学生的工程实践能力。

1.重新设计教学模式。根据“机械工程控制基础”课程 特点，以学生为中心，将CDIO工程教育理念的构思、设计、 实施和运行贯穿整个教学过程，建立知识、能力和素质的培养体系，重新考虑与设计教学目标、课程框架体系及相应教 学活动，形成基于CDIO工程人才培养的新教学模式，图1所 示。

wwW.DYlw.NeT 教师可以通过搜索来整理网络上现有的课程知识点的 微课资源，也可以制作网络上没有的微课，分享给学生。这 样，除了课堂讲解以外，重点、难点、共性问题和预备基础 知识又以微课的形式呈现给学生。这种微课教学与课堂教学 相结合的教学模式，可以有效地解决课时少与教学内容多之 间的矛盾。学生可以针对自身情况在课后有目、有选择地学 习。

3.强化工程实践能力培养。为了加强学生工程实践能力 的培养，在传统理论教学的基础上，融合项目教学、虚拟仿 真和案例分析等方法，让学生在模拟工程实践的环境中进行 学习。

（1）项目教学。依托省级和校级大学生创新创业训练 计划项目（以下简称大创项目），在具体项目的基础上来培 养学生的工程实践能力。基于CDIO工程教育理念，依托省级 和校级大创项目，以3～5名学生为一组，教师采用一同探讨 的方式进行指导，具体实施如图2所示。由于“大创项目”的开放性，使得可选题材非常广泛，题目的来源也具有多样 化。很多项目都源于生活，解决生活中的实际问题，学生在 生活中迸发出相关研究的火花，进而获得较好的研究题材， 这样也能够激发学生的兴趣和研究热情。例如，鞋子潮湿不 易干，烦恼的同时也许一个好的题材将形成——自动烘鞋器 的设计。

（2）虚拟仿真。本课程中的虚拟仿真就是利用Matlab 软件提供的动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，来 对机电控制系统进行建模、仿真。将Matlab软件及其提供的 Simulink组件应用到课程教学中，改变了传统的单一课堂教 学模式，增强了教学的直观性，有利于加深学生对理论知识 的理解。Matlab虚拟仿真实验平台具备许多真实的实验教学 所无法拥有的优点，它能够不受外界因素的干扰，既可以演 示复杂控制系统的未知结果，又可以演示系统瞬态响应随各 控制参数的变化。Matlab虚拟仿真实验平台能够弥补真实实 验教学的不足，为学生自己设计创新实验打下基础。虚拟仿 真技术的引入，使得机电控制系统实验设计的思想和方式发 生了重大飞跃，符合现代工程教育发展的需要。采用虚拟仿 真能够使学生在一个比实际情况更安全的环境中提高工程 实践能力，可以说在“机械工程控制基础”课程中应用虚拟 仿真技术是可行且必要的。（3）实际案例分析。实际案例分析可以给学生提供很 多关于实际工程应用的具体经验。教师可将实际的科研课题 提炼以案例的形式在教学过程中进行系列讲授。这样既能开 阔学生的视野，提高学习兴趣，又给学生灌输了科学研究的 思想。通过讨论案例，学生能够亲自体验系统或产品的CDIO 过程，并参与疑问的解答，提高了学生的思考和决策能力。

（4）实验教学面向工程实践能力培养。为实现理论性 与实践性的有机结合还需要开展多样化的实验教学，例如：
观摩实验、仿真验证性实验和设计性实验。观摩实验主要是 对典型控制系统进行观摩，了解其软、硬件的组成及其工作 原理。仿真验证性实验是利用仿真软件进行时域、频域分析， 验证课堂所学的理论知识。设计性实验要求学生根据设计题 目，查阅资料，提出设计方案，通过数学建模、性能分析、 校正完善方案，搭建软硬件。设计性实验可以和前面的项目 教学结合起来，以项目报告的形式在课后完成。

4.教师角色转变。CDIO理念下的教师角色转型目的是培 养学生的工程实践能力及专业综合素质，因此要求教师成为 设计者，设计出与工程环境相匹配的综合课程。教师还应突 破传统的、以教师为中心的填鸭式教学模式，变为引导学生 主动参与的引导者，让每个学生都有机会参与工程项目和团 队项目的开发，培养学生的团队协作能力和工程实践能力。四、结束语 随着社会对多层次复合工程人才的需求，机械类学生对 于控制工程基础知识和基本实践技能的训练更需要加强， “机械工程控制基础”作为机械类各专业方向的一门主要专 业基础课程地位更显重要。因此，结合当前较为成功的高等 工程教育改革的CDIO模式，通过教学模式改革、引入微课教 学、强化工程实践能力培养和教师角色转变几方面对“机械 工程控制基础”课程进行教学改革，不断更新教育理念，提 高教育质量，培养具有创新能力的高素质工程人才。

参考文献：
[1]周济.中国机械工程教育现状和未来发展方略[J]. 高等工程教育研究，2006，（03）：1-3. [2]陈劲，胡建雄.面向创新型国家的工程教育研究改革 [M].中国人民大学出版社，2006，（12）：44. [3]赵磊，施云贵，郭一军.基于CDIO的“自动控制理论” 工程教育研究和实践[J].中国电力教育，2013，（29）：
53-54.[4]Bankel，J. Berggren，K. F.，Blom，K.，Crawley， E. F.，“CDIO Syllabus A Comparative Study of Expected Student Proficiency”，European Journal of Engineering Education，2003，（28）：297-315. [5]刘镇章，陈从桂，李东炜.CDIO自动控制理论课程的 探讨[J].当代教育理论与实践，2012，（4）：49-50. [6]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，（22）：81-83.