CDIO项目式教学研究与设计

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　　[摘 要]笔者以机械设计制造及其自动化专业实施“卓越计划”和工程教育专业认证为背景，开展工程图学课程CDIO项目式教学研究与实施方案设计。本文对比分析工程教育专业认证和CDIO工程教育模式两者的出口质量要求，按照专业培养方案、课程体系设置以及工程图学课程对毕业要求指标点的支撑强度，构建CDIO项目式教学方案，在CDIO基本环境、课程目标、教学过程组织、评价标准与方法等方面，给出具体实施策略。应用表明：工程图学CDIO项目式教学能发挥学生的主体地位和教师的引导作用，促进工程图学课程教学效果的提升和人才培养质量的提高。
　　[关键词]工程图学;CDIO;工程教育认证;成果导向
　　[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）03-0018-04
　　CDIO工程教育模式突破了传统的工程教育理念，以产品研发的整个生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。2010年6月，教育部联合中国工程院启动了“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越工程师计划”）。“卓越工程师计划”与CDIO工程教育模式在基本目标、任务、理念与方法以及内容上具有高度的相关性和兼容性。CDIO工程教育改革的理念与方法为“卓越工程师计划”提供了重要的参考[1]。自实施“卓越工程师培养计划”（简称“卓越计划”）以来，作为国际工程教育改革最新成果的CDIO工程教育模式，已完全被国内各高校工科专业采纳。CDIO工程教育理念和教学大纲的应用，使得工程教育的教学效果和培养质量明显提高。2016年6月，中国成为《华盛顿协议》（The Washington Accord， WA）第18个正式成员。WA从设立之初就开始把培养学生的能力放在首位，并明确表示认证对象不是院校机构，而是人才培养方案，特别是人才培养方案中的培养目标[2]。我国的工程教育专业认证，遵循《华盛顿协议》体系，以学生为中心，按照成果导向教育理念，树立持续改进的质量文化，实施于教学全过程。
　　本文以江苏科技大学机械设计制造及其自动化专业实施“卓越计划”和工程教育专业认证为背景，遵循成果导向（OBE）理念，深入分析CDIO工程教育模式和工程教育专业认证两种培养模式在人才培养出口质量要求上的一致性，为工程教育专业认证背景下的工程图学课程实施CDIO项目式教学改革奠定基础。我们按照本专业培养方案、课程体系设置以及工程图学课程对毕业要求指标点的支撑强度，开展工程图学CDIO项目式教学方案设计，并给出具体实施策略，以满足机械设计制造及其自动化工程教育专业认证培养质量的要求。
　　一、工程教育专业认证与CDIO工程教育模式的质量要求对比分析
　　（一）OBE模式下的工程教育专业认证与CDIO工程教育模式的内涵
　　成果导向教育（Outcome based education，简称OBE）最早出现于美国和澳大利亚的基础教育改革中，它作为一种先进的教育理念，于1981年由Spady（美国学者）等人提出后，很快得到了人们的重视与认可，并已成为美国、英国、加拿大等国家教育改革的主流理念[3]。OBE是一种以学生的学习成果为导向的教育理念，认为教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后取得的学习成果[4]。我国工程教育专业认证协会颁布的《工程教育认证标准（2014）》也充分体现了OBE 理念，强调工程教育专业要实施成果导向教育。OBE模式的主要思想是围绕所有学生畢业时必须能够做到的，考虑到一切教育元素，包括清晰地确定学生能做什么，然后去组织课程、教学和考评，以确保所期望的学习成果（出口质量要求）最终能够取得。CDIO工程教育模式和工程教育专业认证均采用OBE教育理念。
　　CDIO工程教育模式是以能力培养为目标，以“基于项目的教育和学习”为手段，建立在真实世界的产品和系统的“构思—设计—实现—运行（CDIO）”过程上的工程教育。它包括1个专业愿景、1个能力大纲和12条标准等三个核心文件。其中，能力大纲将工程师必须具备的工程基础知识、个人能力、人际团队能力和整个CDIO全过程能力，以逐级细化的方式表达出来。
　　（二）工程教育专业认证与CDIO工程教育模式的出口质量要求对比分析
　　从OBE模式下的工程教育专业认证与CDIO工程教育模式的内涵分析可知，CDIO工程教育模式和工程教育专业认证均采用OBE模式的教育理念，即一切教育元素和教学过程，都是围绕所期望的学习成果（出口质量要求）去组织的。因此，从培养学生出口质量要求的视角看，工程教育专业认证标准中的12条毕业（出口）要求和CDIO工程教育模式下的能力大纲要求是一致和统一的。以面向工程教育专业认证的工程图学课程所支撑的毕业（出口）要求指标点为例，对比分析如表1所示[5]。
　　
　　从表1可以看出，工程图学课程所支撑的工程教育专业认证毕业要求指标点，与CDIO模式能力大纲的要求具有高度一致性，采用CDIO教学模式，不仅能达到课程教学目标，也能够促进人才培养质量，达到工程教育专业认证的要求。
　　二、面向工程教育专业认证的CDIO项目式教学设计
　　工程图学课程是一门理论严谨、实践性强的、与工程实践有着密切联系的基础课，对培养学生掌握科学思维方法，增强创新意识有重要的作用。它研究的是绘制和阅读工程图样的原理和方法，同时培养学生的空间想象和形象思维能力。通过工程图学课程所支撑的工程教育专业认证毕业要求与CDIO工程教育模式的能力大纲对比分析（参见表1），在工程图学课程中采用CDIO项目式教学，是本课程支撑毕业要求的有效方法。具体实施方案如下：
　　（一）构建CDIO基本环境
　　以船舶海工机械装备行业为背景，选择典型船舶辅机——锚绞机为对象，并抽取其中的减速箱及支架等部件，作为工程图学课程中实践性环节的主要对象。将掌握工程基础知识、分析解决问题能力、使用现代工具（技术）建模能力、分析和判断能力等要求，融入工程图学的教学全过程的不同阶段。 　　（二）确定课程学习目标
　　根据工程教育专业认证要求，课程学习目标确定的依据是毕业要求指标点。本课程学习目标与毕业要求指标点的对应关系如表2所示。
　　根据机械设计制造及其自动化工程教育专业认证人才培养方案和课程体系设置，工程图学课程由工程图学1和工程图学2两个部分组成。工程图学1主要讲授工程制图基础、画法几何、组合体零件的基本视图表达等，结合绘图实践，综合培养学生空间分析与投影分析能力、形体分析能力、规范制图技能等，加深学生对课程知识的理解与掌握，初步建立零件表达与一定的构型设计能力，对应毕业要求：1.3、2.2、8.2等。
　　工程图学2主要讲授机件表达方法、标准件、零件图、装配图和计算机辅助设计（制图）等，结合一定数量的专题（项目）作业和课内绘图实践，进一步加深学生的工程启蒙以及对课程知识的理解与掌握，培养其综合运用课程知识的能力、产品设计的标准化意识、熟练的工程制图技能和团队合作能力，对应毕业要求1.3、2.2、5.1、8.2。
　　（三）组织教学过程
　　工程图学课程中实践性环节对工程教育认证毕业要求的支撑程度较高，充分结合CDIO教育理念，以课内绘图实验为例，在测绘对象选择、测绘思路设计等方面实施了一系列的改革措施。
　　1.测绘对象选择
　　CDIO工程教育理念就是为了切实提高学生的工程实践能力，基于此，新测绘对象就不仅仅限于原有的单个轴及齿轮。测绘对象优先选择了锚绞机中的减速箱和支架等关键部件，增加了键、螺栓、垫圈、螺母等标准件。对象的增加使学生的选择面扩大，同时也增强了学生对实际工程零件的认知。
　　基于切實贯彻CDIO工程教育理念，在测绘方案设计中，摒弃一贯的指定测绘方式，改成以小组为单位，自主选择测绘对象的方式，具体做法为：教师在课前布置测绘任务，将学生分成多个小组，把测绘的所有对象资料分发给学生，学生根据测绘任务，自主选择测绘零件，将其设计成为具有一定功能的组件，再进行具体测绘工作。
　　2.测绘过程设计
　　根据测绘对象选择及设计要求，学生必须进行课前预习，以分组讨论的方式决定该组的测绘组件对象，例如“两齿轮啮合传动”“轴与齿轮的配合传动”等主题。学生在测绘前必须要掌握各传动的知识要点，才能顺利进行下一步的测绘工作。这样的设计使得学生主动思考，提出问题，求解问题，在动手操作中更好地理解、消化问题，提高了学生的项目综合设计能力，促进了学生主动学习和经验学习的高度统一，实现了图学基础课程与机械专业课程之间的近距离接触，为促进学生实践动手性、创新主动性和后续课程做好充分的准备工作。
　　3.考评方式多样化
　　在CDIO教学过程中，测绘考核不再局限于一套图纸，而是采用项目考核的方法。项目式考核对学生学习效果和能力掌握水平的考核更加全面合理。前述中对班级学生已进行分组，每组学生通过讨论自由选择该组的测绘组件，然后明确一个独立的项目。
　　每个项目团队都选择了某个特定功能的组件进行表达，每个学生都全程参与到本项目团队所有阶段过程，最终每个项目组提交一套完整的图纸，包括该组件的所有零件草图和零件图以及组件装配图，这一过程充分体现了CDIO教育的完整过程。
　　在考核过程中，实行“教师-团队负责人-团队成员”分级考核制，教师对团队负责人考核，项目组内由项目负责人配合教师对团队成员进行考核，以及团队成员间相互考核。通过项目考核，使学生对团队的组成、团队的运行（合作与分工）、团队的成果表述及成员贡献评价等方面的能力得到了提高。
　　三、制订评价标准
　　工程图学1考核方式为闭卷考试，采用图解作图题方式为主的闭卷笔试，主要考核学生空间分析问题和图形表达的能力。理论考试成绩占总成绩的70%，平时成绩占总成绩的20%，课内绘图实验成绩占总成绩的10%。平时成绩包括出勤、作业及互动，其中平时作业成绩占总成绩的15%，互动占总成绩的5%。
　　工程图学2考核方式为考查，采用图解作图题方式为主的闭卷笔试及上机实践考试，主要考核学生空间分析问题和图形表达的能力。理论考试成绩占总成绩的60%，平时成绩占总成绩的20%，课内绘图实验成绩占总成绩的10%，CAD上机项目及考核占总成绩的10%。平时成绩包括出勤、作业及互动，其中平时作业成绩占总成绩的15%，互动占总成绩的5%，如表3所示。
　　四、建立评价方法
　　（一）赋权重值
　　本专业工程教育认证建设方案中，根据本课程对毕业要求指标点支撑的强度，赋予相应的权重值。
　　（二）确认评价依据的合理性
　　在开展课程目标达成评价前，由本专业工作组对评价依据，包括试卷、大作业、报告等的合理性进行确认。具体内容包括以下三项：（1）考核内容是否完整体现对相应毕业要求指标点的考核（试题难度、分值、覆盖面等）;（2）考核的形式是否合理;（3）结果判定是否合格，如是否存在试卷难度过大、成绩分布不合理等现象。
　　（三）课程目标达成评价计算方法
　　依据对学生的考核结果，对该条毕业要求指标点的达成进行评价。抽取的样本以全体学生作为评价对象。课程对某条毕业要求指标点达成的评价值计算方法为：
　　[评价值=权重值×样本中与该毕业要求指标点相关试题的平均得分样本中与该毕业要求指标点相关试题的总分]
　　（四）建立达成判断要求
　　课程目标达成评价判断依据如表4所示。考核环节的数值计算方法为：
　　最终考核评价以最后一栏“达成度要求”为依据来评判。达成度要求的计算方法为：
　　五、结论
　　长期以来，工程图学课程的教学重点是放在表达方法和制图技能上，忽视对学生创新能力的培养，教学方式着重为传授，教学结果看重考试成绩，缺少结合形象思维、构思表达和创造设计等综合能力的有效训练和测评。因此，开展以学生为主体，以知识、创新能力和协调发展为目标的教学方法改革意义重大。
　　本课程以项目教学为主线，通过项目设计将整个课程的教学内容体系有机、系统地结合起来，所有需要学习和掌握的内容都围绕项目实施这个核心，并与这个核心融合在一起。学生通过项目式教学，能够系统地得到构思、设计、实现、运作（CDIO）的整体训练，实现教学项目与能力培养一体化。
　　CDIO项目式教学使教师和学生熟知本课程在整个专业培养体系中的作用及贡献。在项目式教学实施的过程中，采用分组立项的教学模式，引导学生提出问题，解决问题。采用主动学习的方法，如分组讨论、辩论、演示、提问、学习后反馈等，能够让学生在听中学、看中学、做中学，将主动思考和动手操作相结合，实现了从注重知识传授向重视能力和素质培养的转变，与国际化教学模式接轨，取得了显著成效。
　　[ 参 考 文 献 ]
　　[1] 顾佩华，包能胜，康全礼，等. CDIO在中国（上）[J].高等工程教育研究，2012（3）：24-39.
　　[2] 樊一阳，易静怡.《华盛顿协议》对我国高等工程教育的启示[J].中国高教研究，2014（8）：45-49.
　　[3] Spady， W. Choosing Outcomes of Significance[J].Educational Leadership，1994（51） ：18-22.
　　[4] 李志义. 适应认证要求 推进工程教育教学改革[J]. 中国大学教学，2014（6）：9-16.
　　[5] 穆浩志，薛立军，牛兴华.工程教育专业认证背景下工程制图课程大纲的改革与实践[J]. 图学学报，2016（5）：711-717.
　　[责任编辑：钟 岚]
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