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基于CDIO理念的工程训练课程建设

来源:用户上传      作者:王景磊 王清华 臧琛

  摘 要:为了提升工程训练的办学层次和育人质量,建设基于CDIO理念的工程训练课程是必要且可行的。课程建设以教学设计和教学组织为核心内容,以师资力量、学生学识基础和教学案例与物料供应为基础支撑条件,以竞赛和项目联合为扩展和延伸。在以CDIO理念为指导思想的工程训练中,教师成为导师与技术顾问,以工程师的工作模式培养学生的工程素养;学生在做中学,以合作分工的形式完成以工业产品的设计和制造为主要内容的综合性学习和训练,实现理论知识与实践技能的有机结合。
  关键词:工程训练;课程建设;CDIO;工程教育
  中图分类号:G4 文献标识码:A doi:10.19311/j.cnki.16723198.2020.34.066
  0 引言
  工程训练是工程教育的重要实践环节,它担负着培养学生工程素养,启发学生创新意识的重要职能。工程训练涵盖的知识面广泛,系统性与综合性较强,其理论与实践相结合的鲜明特点决定了它在工程教育体系中发挥着其他理论与实验课程无法替代的独特作用。工程训练脱胎于金工实习,长期以来,工程训练一直延续着“师傅教,徒弟学”的教学模式,学生学习的过程主要是重复教师的操作方法和步骤,缺乏自主思考和创造。这种教学模式注重对学生进行技能训练,其弊端显而易见,教师的劳动强度大且精神高度紧张,学生进行被动学习而非主动解决问题,收获十分有限。这种教学模式适合于培养技术工人而非工程师,这与本科工程教育的人才培养目标存在着较大的差距。
  CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Implement)、运行(Operate),它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、课程之间有机联系的方式对工程进行系统学习。CDIO理念以培养学生的工程技术基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力为主要目标,它强调“在做中学”,这与工程训练的理论与实践相结合的特点高度契合。CDIO理念为工程训练教学模式的改革和新的课程建设带来了思想启迪,以CDIO理念为指导实施工程训练课程建设及其教学的改革和创新,以工程师的标准培养学生,使学生在设计创新、解决实际工程问题、合作分工及沟通协调等方面得到全面系统的训练和提升,这是完全必要而且可行的。目前,CDIO理念已经被越来越多地植入和运用于一些工科理论与实验课程中,但是在工程训练中的运用尚处于探索试验阶段。
  1 课程建设的目标
  以CDIO理念建设工程训练课程,目的在于提升工程训练的办学层次和育人质量,把育人目标从培养技术工人提升为培养工程师,将教学的重点定位于设计创新、解决实际工程问题,强调工程设计与制造的有机结合。要把学生培养成能够全面思考问题,综合运用已有理论知识解决实际工程问题,或者能够为某个工程问题提供综合性解决方案的工程师型的人才。
  2 课程的教学设计
  基于CDIO理念的工程训练课程要体现理论与实践相结合的教学要求,突出“在做中学”的教学特点,实现工程设计与制造的有机结合。要以简单工业产品为载体,要求学生以合作分工的形式完成从产品功能分析、构件拆分、加工方案选择、零件设计与加工工艺制定、零件的加工制造、产品装配调试与功能实现、产品设计文件的整理到答辩陈述等环节组成的完整训练过程,每个训练环节都要贴近工程师的实际工作要求。训练流程如图1所示。
  依据训练流程,以一种实用小台灯为具体案例来说明基于CDIO理念的工程训练课程建设的教学设计。
  2.1 小台灯的功能分析
  台灯的照明功能由电路实现和控制,实体的安全性和稳定性则由组成台灯的零部件决定,因此,小台灯的设计与制造分为电路与实体零部件两大部分。这里着重对实体零部件进行分析。
  2.2 小台灯的构件拆分
  构成小台灯的实体零部件应该实现遮光、支撑、连接、稳定放置和美观等功能,一般包括灯罩、灯口、支撑架、连接柱体(灯身)、底座和连接螺钉等,其简单模型如图2所示,构件拆分如图3所示。
  2.3 加工方案选择
  选择加工方案要考虑零件的材料属性、外形特点和尺寸精度等要求。对于灯口、灯身圆柱筒和螺钉等零件,其外形都具有回转表面的特征,主要起连接作用,以螺纹连接即可,这些零件的尺寸不大,但对尺寸精度有一定要求,可以采取车削加工。底座要有一定的重量以起到稳定灯身的作用,尺寸稍大,可考虑选取金属材料为加工原料,采用线切割方法下料并加工轮廓外形。底座上表面可以有装饰性的凸起花纹,由于形状较复杂,可以考虑采用数控铣削加工。支架尺寸小,其上有連接孔,可以采用钳工加工。灯罩也为薄壁零件,尺寸大,如采用切削加工方法则材料浪费较多,可以考虑采用3D打印的方法加工。
  2.4 零件设计与加工工艺制定
  零件设计与加工工艺制定是训练的重点内容,考查学生联系和运用理论知识的能力。零件设计时要综合考虑被加工材料的特性、以何种机械结构实现零件的功能、加工精度、美观性、零件之间的配合等问题。制定加工工艺时要综合考虑如何安排工序、如何选取切削用量、使用什么样的机床、刀具与夹具,机床的实际情况以及机床操作者的操作技能和熟练程度等因素。总的原则是零件设计要简单实用可靠,加工工艺要简单合理可行,另外还要考虑加工手段的多样性和经济性。以最适合的加工方法加工每一种零件,最终要以零件图和工艺卡片或数控程序来表达设计和加工意图。各零件的造型设计如图4、5、6、7、8、9所示。各零件图纸如图10、11、12、13所示。
  2.5 零件的加工制造
  零件的加工制造是训练的重点内容,考查学生的安全意识和操作技能。在零件图与加工工艺得到工程训练教师认可之后,学生按照选定的加工方案分工种完成零件的加工。学生要严格遵守安全守则,按照加工工艺完成加工流程。教师要全程监控学生的加工情况,及时处理机床、刀具等安全问题,保证人与设备的安全,确保零件的加工质量。
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