杜惠萍

【摘 要】CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。為了適應(yīng)新形勢下對人才培養(yǎng)的新要求，有許多高校將CDIO教學(xué)模式應(yīng)用于機(jī)械原理課程教學(xué)中，新的教學(xué)模式需要與之適應(yīng)的機(jī)械原理教材。本文詳細(xì)介紹了基于CDIO教學(xué)模式的機(jī)械原理教材及其輔助數(shù)字化教學(xué)資源的建設(shè)，探索面向“新工科”，適應(yīng)不同教學(xué)模式、不同層次的教材建設(shè)的新模式。

【關(guān)鍵詞】CDIO;機(jī)械原理;教材建設(shè)

我國制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的攻堅(jiān)期，隨著制造業(yè)的改造升級(jí)，對人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)提出了新要求。為培養(yǎng)造就一大批引領(lǐng)未來技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力支持和人才保障，建立了“厚基礎(chǔ)、寬知識(shí)、重個(gè)性、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。機(jī)械原理課程是高等學(xué)校普遍開設(shè)的一門核心技術(shù)基礎(chǔ)課程，在機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)，尤其在機(jī)械創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中占據(jù)重要的教學(xué)地位。為適應(yīng)新形勢下的人才培養(yǎng)要求，機(jī)械原理課程的教學(xué)模式、研究對象、教學(xué)內(nèi)容也隨之發(fā)生了變化。

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO代表 Conceive （構(gòu)思） 、Design（設(shè)計(jì)） 、Implement（實(shí)施） 和 Operate（運(yùn)作） 。CDIO工程教育模式的目標(biāo)是為學(xué)生提供一種強(qiáng)調(diào)工程基礎(chǔ)的、建立在真實(shí)世界的產(chǎn)品和系統(tǒng)的構(gòu)思（conceive）-設(shè)計(jì)（design）-實(shí)施（implement）-運(yùn)行（operate）過程的背景環(huán)境基礎(chǔ)上的工程教育。它將工程師必須具備的工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和整個(gè)CDIO全過程能力以逐級(jí)細(xì)化的方式表達(dá)出來，使工程教育改革具有更加明確的方向性、系統(tǒng)性。CDIO體現(xiàn)了系統(tǒng)性、科學(xué)性和先進(jìn)性的統(tǒng)一，代表了當(dāng)代工程教育的發(fā)展趨勢。許多地方性高校將CDIO理念引入教學(xué)活動(dòng)中，進(jìn)行以提高學(xué)生應(yīng)用能力為目標(biāo)的教學(xué)改革，目前也取得了一些成效。作為機(jī)械類專業(yè)的主干課程，機(jī)械原理主要研究常見機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)方法，基于CDIO教學(xué)模式的《機(jī)械原理》教材也應(yīng)運(yùn)而生，高等教育出版社出版的江帆、董克權(quán)、龐小兵主編的《機(jī)械原理》（圖1）便是其中之一。

一、教材的特點(diǎn)

1.內(nèi)容結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)教材。按照驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目的CDIO流程來組織教材的整體結(jié)構(gòu)，便于學(xué)生邊實(shí)踐邊學(xué)習(xí)理論知識(shí)，理論與實(shí)踐并行，所以其內(nèi)容結(jié)構(gòu)也與傳統(tǒng)教材不同，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式，按照實(shí)踐項(xiàng)目的CDIO過程組織，分為構(gòu)思（conceive）模塊、設(shè)計(jì)（design）模塊、實(shí)施（implement）模塊、運(yùn)行（operate）模塊和知識(shí)擴(kuò)展模塊五部分。在項(xiàng)目構(gòu)思（conceive）階段需要了解機(jī)構(gòu)是如何組成的、有哪些常用機(jī)構(gòu)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案如何構(gòu)思等，應(yīng)對這個(gè)實(shí)踐需求，在構(gòu)思模塊中設(shè)置了機(jī)構(gòu)的組成原理、常用機(jī)構(gòu)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)等內(nèi)容。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)（design）階段需要掌握機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，因此在設(shè)計(jì)模塊中設(shè)置了連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、輪系設(shè)計(jì)等內(nèi)容。在項(xiàng)目實(shí)施（implement）階段需要對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，因此在實(shí)施模塊中設(shè)置了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、機(jī)構(gòu)力分析等內(nèi)容。在項(xiàng)目運(yùn)行（operation）階段，可能碰到有關(guān)效率、自鎖、平衡、波動(dòng)調(diào)節(jié)等問題，因此在運(yùn)行模塊設(shè)置了機(jī)械效率與自鎖、機(jī)械的平衡、機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)及其速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)等內(nèi)容。通過以上結(jié)構(gòu)布置，在不同的項(xiàng)目階段可以及時(shí)給予相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，并輔助于實(shí)際工程案例，達(dá)到學(xué)與用同步、理論與實(shí)踐協(xié)同的目的。最后還介紹了機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化方法（包括再生鏈的桿機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、TRIZ理論機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等）、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的MATLAB編程等擴(kuò)展知識(shí)，以引導(dǎo)學(xué)生們能夠應(yīng)用創(chuàng)新思維與創(chuàng)新方法設(shè)計(jì)更為合理的創(chuàng)新機(jī)構(gòu)。

2.大量具有工程應(yīng)用背景的案例加持。教材中的案例結(jié)合地方性高校學(xué)生的特點(diǎn)，采用“知識(shí)點(diǎn)講解—例題—強(qiáng)化訓(xùn)練題—習(xí)題”的呈現(xiàn)形式，循序漸進(jìn)，由淺入深，使學(xué)生們更加牢固地掌握知識(shí)點(diǎn)，并且逐漸引導(dǎo)學(xué)生融入機(jī)構(gòu)的工程應(yīng)用環(huán)境。特別是第二章章后習(xí)題中給出大量生產(chǎn)實(shí)際中的機(jī)構(gòu)，通過繪制這些機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡圖，讓學(xué)生充分了解機(jī)構(gòu)種類及基本構(gòu)成。同時(shí)課后習(xí)題給出多種類型的，便于學(xué)生適應(yīng)考試題型。

3.增加了創(chuàng)新思維與創(chuàng)新方法的內(nèi)容。教材中介紹了再生運(yùn)動(dòng)鏈桿機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、TRIZ理論機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法及機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，結(jié)合實(shí)際案例，逐漸引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)基本知識(shí)的同時(shí)，應(yīng)用創(chuàng)新思維與創(chuàng)新方法設(shè)計(jì)更為合理的創(chuàng)新機(jī)構(gòu)。

4.兼容經(jīng)典知識(shí)點(diǎn)和現(xiàn)代新型機(jī)構(gòu)知識(shí)，注重知識(shí)的更新與計(jì)算機(jī)技術(shù)（如機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的編程）和機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展。機(jī)構(gòu)學(xué)是新工科新興專業(yè)之一——機(jī)器人工程專業(yè)的核心課程之一，教材中緊密結(jié)合機(jī)器人技術(shù)，案例中大量涉及機(jī)械手機(jī)構(gòu)、機(jī)器人等相關(guān)內(nèi)容，并介紹了許多傳統(tǒng)教材中基本不涉及或者只做簡單介紹的新型機(jī)構(gòu)，除使學(xué)生掌握經(jīng)典的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析方法，將進(jìn)一步擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面。

5.滿足“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)。本教材中大量工程背景的題目保證了本書的高階性，結(jié)合創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與新型機(jī)構(gòu)、編程等保證了課程的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，以滿足教育部關(guān)于金課的“兩性一度”（高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度）標(biāo)準(zhǔn)。

二、立體化資源的配備

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)、手段的不斷進(jìn)步，教材的輔助資源更加豐富，訪問更加方便直接，也能更好地服務(wù)于高校的教學(xué)工作。

本教材每章末附有大量習(xí)題，其中包括選擇題、判斷題、填空題、計(jì)算題等多種題型，以供教師創(chuàng)建隨堂測試題、課后考卷和學(xué)生課后復(fù)習(xí)所用。本教材中共有近500道習(xí)題，其中大量采用實(shí)際案例，還可供參與各種創(chuàng)新大賽的學(xué)生和教師參考所用。為了方便教師和學(xué)生使用，隨本教材一起出版的還有電子習(xí)題解答。電子習(xí)題解答中，作者對每一題做了詳細(xì)的解答，圖文并茂?？蓲邥卸S碼鏈接購買，不需要再購買紙質(zhì)書，隨做隨查，方便實(shí)用。

本教材還配有高等教育出版社線上的abook數(shù)字課程。將課程相關(guān)的多媒體課件和教學(xué)資料等以數(shù)字課程的形式與教材同步出版。多媒體課件中包含了大量實(shí)例的靜態(tài)圖形圖像，展示了各機(jī)構(gòu)的平面結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)軌跡及新機(jī)構(gòu)的外形特征等。由于本教材是根據(jù)CDIO教學(xué)模式組織內(nèi)容結(jié)構(gòu)的，所以其教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)進(jìn)度安排、教案等會(huì)有所不同。為了方便選擇本教材的教師的使用，作者還將教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)進(jìn)度安排、教案、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)等內(nèi)容配于本教材的數(shù)字課程中。數(shù)字課程的具體使用流程可參見書前數(shù)字課程說明頁，密碼在教材封底的防偽標(biāo)上提供。多種類型的多媒體素材不僅擴(kuò)展了教學(xué)內(nèi)容，還活躍了課堂氣氛，為學(xué)生自學(xué)和師生互動(dòng)提供了輔助資源和手段，有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，數(shù)字課程的同時(shí)出版實(shí)現(xiàn)線上、線下教學(xué)的融合。

三、小結(jié)

教材建設(shè)是課程建設(shè)的重要組成部分，也是課程改革的主要呈現(xiàn)形式。應(yīng)教育改革新形勢的發(fā)展，不斷有新的教學(xué)模式應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)中，這樣與之適應(yīng)的教材必須跟上，才能使整個(gè)教學(xué)改革更加完整，還有先進(jìn)教學(xué)手段的加持，收效更加突出。廣州大學(xué)江帆等主編的《機(jī)械原理》教材是一本基于CDIO教學(xué)模式的機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)課的新形態(tài)教材，以輔助地方性高校師生開展混合式的機(jī)械原理教學(xué)，配合教師在教學(xué)模式上的革新，積極引導(dǎo)學(xué)生開展機(jī)械原理課程的線上線下的混合式學(xué)習(xí)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】江帆，董克權(quán)，龐小兵. 機(jī)械原理. 北京：高等教育出版社，2020.

【2】葛文杰. 牢記使命 創(chuàng)建新時(shí)代“一流課程”：基于機(jī)械原理課程的改革與建設(shè)實(shí)踐. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2018（01）：40-44.

【3】江帆，等. “新工科”背景下機(jī)械專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相關(guān)課程體系研究. 工業(yè)和信息化教育，2019（04）：76-83.

【4】王軍，何曉玲，田同海. 機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教材建設(shè)的實(shí)踐與體會(huì). 中國現(xiàn)代教育裝備，2014（19）：33-34.

【5】李樹珍，等. 地方應(yīng)用型本科機(jī)械原理課程教學(xué)改革探析. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，2020（15）：262.