基于CDIO教育理念的工程设计实践教学探索
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摘 要：论述了深圳大学机电与控制工程学院以CDIO教育理念为指导，开设面向新生的工程设计实践课程的实践探索，实践证明该项改革取得了良好的教学效果。
关键词：CDIO;工程体验;项目教学法
一、引言
当前高等工程教育，旨在使学生掌握扎实的专业技术知识的同时，培养其工程思维、创新意识、实践能力以及良好的团队协作精神，以便适应现代企业的团队化的产品开发模式。工程设计实践课程正是为了提高学生实践能力、创新意识和工程思维而新开设的一门创新力教育实践体验课程。课程主要面向初入学的新生，并在更高年级设立后续的工程实践专题课程。
二、教学现状分析
目前，高等学校的各门课程大多沿用传统的教学模式，其过程与高、初中授课过程类似，相较于工程人才的培养目标存在以下不足：
1.授课过程教师讲授理论知识为主，辅以若干学时的实验，最后通过期末期中的一到两次考试评定学生的学习效果。其间学生并没有再多学以致用的机会，不利于对学生工程能力的训练，且容易是学生产生“学这些知识是为了考试”的想法。
2.学生在不同课程中所学的知识之间关联度低，学生难以将各门课程所学知识形成系统的知识体系，容易是学生进入一种盲目的为了学分或考试而学习的状态，而并不清楚课程中所学知识对其今后的工作有何意义。
3.传统教学模式大多以教师为中心传授知识，学生只能被动的接受，难以激发学生的学习兴趣，调动其自主学习的积极性。
4.在传统模式的教学过程中，并未强调对学生的团队协作与沟通能力的培养。
5.期末一张卷的考核方式无法有效的对学生一学期的学习过程进行评定，容易使学生产生临考突击的投机思想，不利于其扎实的掌握所学知识。
因此，我们开设了工程设计实践课程。基于CDIO工程教育理念，通过预先设置的工程实践任务，由教师引导学生分析任务、划分子模块、实现各个子模块功能、基于已实现的子模块完成最终的工程任务并撰写相应的总结报告。通过这样一个完整工程设计过程，对“工程师”的概念有一个基本的认识，基本了解工程师工作的基本内容，并且在实践的过程中，初步的体验到综合各种知识解决问题的过程以及必要性，使其在今后的学习生活中能够有意识地寻找各门课程之间的联系，从而弥补传统教学模式的不足。
三、基于CDIO的计算机工程实践教学探索
1.CDIO的基本概念
CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。自2000年起，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组织，经过四年探索研究，创立了CDIO工程教育理念，并成立了以CDIO命名的国际合作组织。
CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到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学习工程的理论、技术与经验。
2.项目教学在工程实践中的具体实施
（1）课程体系及地位
基于CDIO的项目教学模式，而开设的工程设计实践课程，是一门面向初入学新生的工程导论课，它涉及到机械及自动化专业的多门课程的知识和技能，如机械设计、机械制造、工程制图、制图软件使用、程序设计、控制算法、嵌入式系统、电路分析、电机驱动、传感器技术等，其内容几乎涵盖学生整个本科课程，使学生在实践过程中，体验一个工程师的工作过程，工作内容，从而充分地了解成为一个机械或自动化工程师所需要的知识及各门知识之间的相互关系，初步建立对本专业知识的“体系感”，对今后将要学到的知识的用途有一个初步的认识，从而激发学生对后续基础及专业课程的探索欲。
（2）课程项目的选取
工程设计实践的教学是以为学生提供完整的工程体验为目标，所以课程是一个简单的实际工程任务为主线贯穿全程，现阶段我们选用的硬件平台是Depush公司的宝贝车机器人平台，其处理芯片Parallax公司的BasicStamp2处理器。并使用PBasic语言对其进行编程。该平台可外接多种传感器模块，使用简单，入门方便，从而使学生能够将主要精力放在对课程任务的分析以及在教师的引导下完成的工程过程的体验上。
课程的总体任务要求学生自主编程控制机器人在规定场地上将若干物块搬运至指定位置，并向外界反馈信息。授课时教师会首先介绍任务要求，并引导学生对任务进行分析，从而使学生认清机器人要完成任务所需的各项功能，并依此划分出一系列的子任务。之后以子任务为单位讲授相关知识，最后指导学生编写程序完成课程设置的总体任务。
课程的子任务共五个：硬件平台基础知识，信息反馈部件（LED及蜂鸣器），运动部件（电机），信息收集部件（QTI及霍尔传感器），寻路算法。在讲解每个功能模块时将会介绍相关的变成语句，做到“学以致用，以用促学”。
课程中，学生将分成若干小组，在五个子任务的相关知识学习完毕后，将以组为单位，自主编写程序完成最终的课程任务，一般小组人数限定在四人以内。小组成员分工合作，完成由构思、设计、实施、运行的CDl0完整过程。
（3）教学实施
工程设计实践课程共17～18周，每周3～4课时，其授课对象为本科一年级学生，整个教学过程分为2个阶段。
第一阶段是讲授阶段，该阶段由教师引导学生分析任务，划分子任务，并讲授各子任务相关的知识。在这个阶段教师将首先讲解某个功能部件的使用方法，并通过一系列有简到繁的例子程序引导学生学会并熟练的使用该功能部件。并要求学生独立完成一些课堂小任务，讲授阶段用10～11周实施。
第二阶段是CDIO工程实践阶段，用7～8周实施，完成课程项目。在这个阶段，学生已经能够熟练使用硬件平台及各种相关的功能部件，此时学生需以组为单位，针对课程设置的最终任务，独立完成CDIO代表的构思、设计、实现和运作各阶段的工作，编写并调试程序，调式硬件，撰写设计报告，最后由教师组织各组同学参加搬运比赛。
（4）考核方式
工程设计实践课程的考核不同于一般课程采用的理论考核或理论加实验的考核方式。其考核以每组机器人的比赛表现以及各个组员的贡献为评分依据，每个学生的成绩由三部分组成：
第一部分是讲授阶段要求学生完成的课堂小任务的成绩，占总成绩的40%。
第一部分是该组的机器人在最终比赛中的表现，按照完成时间，物块摆放的准确度等指标进行打分，占总分的40%。
第三部分是学生提交的设计报告（以组为单位）成绩，占总成绩的20%，报告中需注明各组员在整个设计过程中所做的工作。教师根据报告质量及学生的工作量给出这部分成绩。
3.工程实践后CDIO项目的运作
在工程设计实践课程中获得充分的工程体验后，许多学生开始对工程项目研究产生兴趣，因此我们在每学年都设立有各种工程设计实践专题课程供学生选择，为学生提供创新实践工作环境和必要的硬件条件，促进学生完成自主创新研究。
四、结束语
工程学科本科教育的目的是培养具备扎实的专业知识技能、较强的系统工程能力以及良好的团队协作意识的工程技术人才。
在工程设计实践课程的教学过程中，我们引入并尝试了全新的CDIO教学模式，使学生在教师的引导下得到了充分的工程体验，建立了对工程师的初步概念，初步建立对各门本科专业知识的“体系感”、“用途感”，极大地激发了学生的探索欲望。这是该课程实施的成功之处，但在教学过程中我们发现小部分同学产生了重使用方法，轻原理理解的现象，对理论知识的原理不做深入探究，知其然即止，不欲究其所以然。
所以如何在保证学生对工程项目兴趣的同时，激发学生探索理论原理的科学精神，将是今后工程设计实践课程实施过程中需要继续探索的问题。
（作者单位：深圳大学机电与控制工程学院）
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