机械工程学院CDIO人才培养模式改革的探索与实践


 
  

一、CDIO培养模式改革的基本情况

    机械电子工程专业人才培养模式的改革是在深入探索CDIO教育理念的基础上提出的,同时也充分考虑了机电系现有的师资力量、设备条件等客观因素。从本质看,CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Implementation)、运行(Operate),它是现代工业产品从构思研发到运行改良乃至终结废弃的生命全过程,其工程教育理念就是要以此全过程为载体培养学生的工程能力,此能力不仅包括个人的学术知识,而且包括学生的终生学习能力、团队交流能力和大系统掌握能力。

我校自2009年开始,在机械工程学院机械电子工程专业整体实施CDIO人才培养模式(2009级为机械电子工程方向,2010级开始按机械电子工程专业招生),每届招收选拔80名学生组建CDIO试点班(2013级为120人)。机械工程学院为此组建了以教学院长牵头、机电系主任全面负责、专业骨干教师参与的CDIO人才培养模式改革小组。

在第一阶段,组织骨干教师进行了CDIO工程教育模式在机械电子工程专业的可行性论证,并积极参加全国以及机械组的CDIO工程教育会议并进行交流,其中多名教师完成了CDIO工程教育模式试点高校骨干教师培训并顺利结业。

第二阶段是专业培养计划的结构框架设计阶段,主要规划了机电系统设计与制造(IIIIII)三级子模块以及机电产品创新设计、毕业设计共五大环节(一级项目)贯穿本科四年的教学过程,完成了项目实施的载体-一种自主研发的移动式机器人的设计加工。

第三阶段是关键节点的详细设计阶段,完成了《基于CDIO创新培养模式的新型移动机器人设计》、《基于CDIO的机电系统设计与制造第I模块的构思与设计》等6项校级教研课题,并取得了重要的研究成果。完成了机电系统设计与制造IIIIII以及机电产品创新设计、毕业设计等5个一级项目。

第四阶段是成果总结及推广阶段。

二、CDIO培养模式改革的实施

依据CDIO培养模式的这一核心思想,首要解决的问题就是选定机械电子工程专业进行CDIO试点的项目对象。根据机械电子工程专业培养目标、发展方向以及学院的实际,经过多次论证,最终决定选择机电系教师自行研制的移动机器人作为项目对象。

根据CDIO的培养标准,培养方案以三级项目为构架搭建课程体系(一级为主干,二级为支干),以团队为组织形式,将项目实施作为主线贯穿课程设置的全过程,让学生有一个完整的做事经历,培养解决实际工程问题能力、自我获取知识能力和创新精神。

作为人才培养模式最重要的组成部分,引入机电系统设计与制造I、机电系统设计与制造II、机电系统设计与制造III、机电产品创新设计、毕业设计等五一级项目。分别设置在不同的教学时期,每个一级项目都是对学生某一方面知识和能力的锻炼和考核,往往涉及到多门核心课程。

机电系统设计与制造I认知测绘环节),开设在第四学期。学生在通过对机器人的解剖,了解其各个关键部件(包括机械系统组件和控制系统组件)的具体结构和连接方式,要求学生在工程制图、3D工程设计等相关课程的基础上,针对特定的机器人对象,实际测绘整个机器人关键部件的尺寸,并通过3D软件重新造型设计,完成机械图纸的绘制。

    机电系统设计与制造II机械结构设计环节),开设在第六学期。根据前一环节的3D模型,开始进行各种零部件的具体结构设计,机械构件运动原理规划设计,要求学生通过团队合作的方法完成机器人整体结构的设计。每个学生独立完成给定的局部设计任务,并保证团队各成员设计的各个部件之间的良好连接。最后给出进行装配的具体工艺,完成整机装配。

    机电系统设计与制造III控制系统设计环节),开设在第七学期。要求学生根据给定的控制参数,如操作速度、加速度、运动范围等特定任务,提出自己的控制方案,其中具体控制方法可以自选,如单片机控制、PLC控制,或采用板卡的形式等,驱动方法可以选择电机驱动或液压驱动等,给学生充分的思维空间。要求学生设计出详细的控制系统原理图,并完成部分控制程序。

机电产品创新设计(创新设计环节),开设在第七学期。创新环节要求学生针对实际需求,提出自主创新的设计方案,原理、结构、控制、算法等创新均可,但要求有较完整的设计方案。在每一届学生中选择设计较为出色的部分产品进行实际加工制作,一方面是对学生的激励,同时也可以作为低年级学生的研究对象。

机电专业毕业设计(综合设计环节),开设在第八学期。要求学生根据工程实际的需要,确定设计任务。学生综合应用所学的基础知识、专业知识以及之前的项目所培养出的创新能力,自主确定设计方案和控制方案,自行进行相关计算和编程,鼓励学生在条件允许下情况下,做出实物样机或模型。

我院自行研制了的12新型并联机构移动机器人,建立了CDIO实验室(近期将再新增3台同型机器人)。学生完成前三个一级项目后,基本掌握了机器人的总体方案设计、机械结构设计、控制算法设计、控制系统硬件和软件设计等关键技术,这些技术可以触类旁通地用于其它相关产品的设计与制造。后两个一级项目侧重学生创新能力的培养和知识的综合应用能力,由于5个一级项目依次承接,最终的产品完全是学生自己设计,甚至最终制作出实物,因此更利于学生掌握机电产品的整个设计、制造、控制和维护的流程,更能激发学生的学习兴趣。

三、CDIO改革的主要成果

申报并获得与CDIO相关省级教研课题2项,已完成验收1项(《基于CDIO的机械类应用型创新人才培养体系研究与实践》),《机械工程人才培养模式改革的探索与实践》获校级教学成果一等奖1项;完成并验收了《基于CDIO创新培养模式的新型移动机器人设计》等6项校级教研课题,取得了重要的研究成果。

投资40万元,建设了CDIO综合实验室,配备自行研发的移动机器人。

完成了CDIO5个一级项目,编写相应环节的大纲和指导书。

★学生创新能力、动手实验能力明显增强,2009CDIO实验班学生在科技创新比赛,获得29项省级以上奖励,其中国家级奖励8项。孟宇(机电1002班学生)、周文治等三名同学共同负责的项目“新型宏动式3D鼠标”获得第十三届“挑战杯”山东省大学生课外学术科技作品竞赛省级特等奖和国家级二等奖(201311月)。

  2009级机电专业(方向)是CDIO改革后的首届毕业生,79名学生一次学位率通过率100%,考研率40%,一次正式就业率92.5% ,毕业生的综合素质和创新能力受到用人单位和考研高校的高度评价和认可。

  相关经验和做法可推广至校内其他工科专业甚至省内其它省属高校。

四、存在的问题相关建议

1 教师参与的积极性还需进一步提高:为适应CDIO改革的相关指标要求,教师主体一般应具有教学、科研双重能力,但由于大多数教师科研任务压力较大,参与的积极性受到一定影响。因此如何建立相关制度给予引导、提高参与的积极性是保持CDIO人才培养模式改革生命活力的关键问题。建议涉及教师切身利益的相关问题,如津贴、评职、评优等向在人才培养方面的贡献较大的教师适当倾斜。

2 绩效考核:CDIO人才培养模式侧重于学生在自身素质、专业技能、创新能力等众多方面,如何综合性的进行考核这种模式下的培养效果尚没有统一的方法。

3.  建议进一步加大对CDIO改革的投入力度。

                                 (机械工程学院   宫金良  高军)

 
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