项目引领工程实践――兼论CDIO工程理念

[摘 要]目前，在我国的中、高职院校的教学中应用项目教学法已渐普及，应用型本科院校盛行CDIO工程教育模式，在CDIO模式下，应用项目教学法的研究尚少，还处在一种探索阶段。在国内应用型本科中，尝试以CDIO为理念，“项目”引领工程实践。借鉴德国“项目教学”的做法，以CDIO为工程教育理念，项目引领工程实践，不仅提高了学生综合素质、工程意识和创新能力，而且促进教师和学生互动实践教学。

[关键词] CDIO 项目教学法 工程实践

[中图分类号] G42 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2014）14-0012-03

一、引言

2000 年10 月，CDIO 工程教育改革的项目由美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等工程院校共同发起，经过近十年的传播，已经扩展到全世界。该改革的愿景是为学生提供一种强调工程基础，基于真实产品的构思、设计、执行、运作过程的工程教育[1]。CDIO代表构思、设计、实现和运作，是“做中学”和“基于项目教育和学习”的集中概括和抽象表达。它以产品的从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。

项目教学法起源于美国，盛行于德国，近年来流传到我国。目前，在我国的中、高职院校的教学中应用项目教学法已渐普及，应用型本科院校盛行CDIO工程教育模式，在CDIO模式下，应用项目教学法的研究尚少，还处在一种探索阶段。如何以CDIO 为教育理念，借鉴成熟国家的项目教学法做法，在应用型本科工程实践中实施“项目教学”呢？不乏是一个新的课题。

二、国外项目教学法研究

它最初的含义是“知识可以在一定的条件下自主建构获得， 学习是信息与知识、技能与行为、态度与价值观等方面的长进，教育是满足长进需要的有意识、有系统、有组织的持续交流活动”。[2]2003年7月德国联邦政府教育部职教所制定了以行动为导向的项目教学法，不仅传授给学生理论知识和操作技能，更重要的是培养他们的职业能力。

德国项目教学法为什么能够盛行多年不衰呢？源于德国先进的职业技术教育体制，为发展我国的职教事业提供了可借鉴的经验。[3]

德国项目教学法的实施过程包括布置项目、分析项目相关学科知识、材料购置及经济核算、项目设计及制造分工、项目总成本核算等。下面以 “立式铣床” 模型为例，介绍德国原汁原味的项目教学法的实施过程。

1.布置项目。项目名称――立式铣床模型的设计与制造。此环节首先由盖尔森基辛（Gelsenkirchen）的职业技术学院的老师Rode先生周密地准备一套立式铣床模型，展现在同学们的面前，演示立式铣床模型的三个自由度的运动，提出项目任务，激发学生的兴趣。

2.老师向学生分析跨专业学科相关知识

（1）CNC与经济关系。例：从简单的零件到复杂的装配好的立式铣床模型，教师首先从材料角度分析，从而引出其价格不同，要求学生通过数学计算，计算出最低耗材成本。

（2）CNC与电子、控制学关系。老师演示了一个方向在伺服电机驱动下，通过丝杠副传动机构的传递，完成一个自由度的运动功能。这涉及到了电子。类似关联学科的相关知识仍存在，不再赘述。

（3）学生（可以是不同专业的学生）在老师的指导下集中采购材料，了解市场成品“象棋”的价钱，从而体验市场经济，珍惜材料，计算成本。

（4） 学生在教师指导下，分小组实施完成项目，不同小组之间协作完成不同项目内容：设计图纸、编写工艺、制造加工、检测、装配等。

（5）学生对项目总成本进行核算，为提高生产率找出最低成本。

（6）老师提到了如果把立式铣床模型实施三个方向数控化，如何实现？

在以上六个环节中，贯穿在这个项目中有很多跨学科的知识在其内。设计阶段涉及到了机械设计的知识，加工前材料的采购阶段涉及到物理学的知识，物资采购的能力以及经济关系，制造装配阶段，需要查工具书、切削参数的选择、工艺的确定、程序的编制，实际操作机床进行加工、监测以及最后的装配，涉及到了学生制造能力的培养，成本核算阶段涉及到了数学和金融的知识，采用数控化机床与传统机床的设计制造进行比较，提出问题，让学生考虑解决的方法，涉及到了电子、控制学等相关技术。

一个看似相对简单的立式铣床模型竟然包含了如此广的知识面，德国教师在设计方面所下的功夫很大。项目“小组”的形式体现了学生团队合作精神，共同或分工完成整个项目的设计和制作。参加项目教学工作小组的学生来自不同的专业和工种，甚至不同的专业领域，目的是训练他们今后在实际工作中与不同专业、不同的部门同事的合作能力。

综上分析，德国的项目教学法滋生在“双元制”教育体制的土壤内，教师综合素质很高，每个专业教师都具备很宽泛又很扎实的专业功底。我国的中、高职业教育与崇尚技艺的德国相比，无论在教育发展的成熟程度，还是在人们心理认同程度上都存在一定的差距。

三、在国内应用型本科中，尝试以CDIO为理念，“项目”引领工程实践

德国的学生在学习阶段采用项目式教学方法，一切学习活动都是围绕“项目”进行。工程实践在本科院校是指实验、课程设计、毕业设计、工程训练、生产实习等环节。

1.开发项目

我们从德国开发项目的设计中得到的启发是：在本科实践环节中，抓住每一种工程实践的特点，确定相关的项目。例如：开发各类小装备、参加的各种级别的机械设计比赛、机电液课程设计项目等，都属于收集典型项目的焦点。

2. 以CDIO为教育理念，实证应用型本科院校“项目”引领工程实践

首先，确定方案，实现设计单一机构向综合机构教学转移，比较方案、验证方案可行性并优化方案；其次，准确设计机构；最后，实施制造，实现理论向实践转移，“知”向“行”转移；最后，知行合一。

（1）构思项目：（Conceive ）： 概念阶段。针对工程实践，让学生掌握专业知识的基本原理，确定“项目”的未来发展方向。接到项目首先研究项目产品完成的任务，然后构思整个项目的架构和初步方案。让学生构思出整个产品的几个分机构的设计，结合以前所学，学生在指导老师的指导下，就会对该项目有一定的进一步认识和构思，从而对整个项目实现草案设计。

以2011年第八届浙江省机械设计大赛为例，小车能顺利穿越一区的狭窄隧道和二区并到达三区、四区完成救援任务，为实现短时间内救援机器人顺利完成救援任务，其行走机构除具备良好的转向性能及行驶稳定性之外，还必须具有较高的行驶效率。

项目要求得到的相应构思：主要分两大类，构思一： “救援小车”的行走机构，满足速度、满足差速转向、满足通过隧道、满足车体拓宽，构思二：“救援小车”的救援目标抓取机构，满足限定范围内的救援活动，构思机械手式抓取还是吸盘吸入式。

（2）设计项目（Design）：技术阶段。以项目产品设计与规划为核心，通过研发，拟解决某一具体的问题或某些问题。仍以“救援小车”为例：根据构思的初步草案，学生通过了解现有的产品设计思路，产品功能、应用领域，结合自己所学提出优化设计理念和产品设计改进建议，对于能力比较强的学生选为技术小组组长，带领其他组员主要解决设计和创新过程中，发现的一些问题，提交指导教师或通过查阅资料解决。

仍以“救援小车”为例，构思一中，可分解出两类机构的设计：变距装置结构设计、差速转向行走机构设计；构思二中，可分解出机械手式抓取机构设计、机械臂结构设计、扫铲式救援装置设计、吸盘式救援装置设计等。分解出的机构中通过比较进行优化设计阶段，确定最后方案。在每一个机构的设计中，都可以有不同种实现的途径，这个时候一定要发挥学生之所能，让学生进行发散思维，翻阅丰富的参考资料，设计各个不同的分机构，然后小组成员在老师的带动下，优化取舍，确定最佳方案，这是个很艰苦的重要阶段。图1 、图2为学生设计的“救援小车”的三维设计和二维设计。

（3）执行项目（Implement）：制造阶段。以制造、建造为核心，组织一体化的项目制造。结合“产、学、研”互动的特色，将设计产品引入到工程训练中心来，学生自己动手完成零件的加工和装配，以设计图纸为蓝本，完全按照工件图纸要求进行，把所有零件加工后，组装成装配产品。在制造过程中直接加工零件和装配零件，可以增强学生的生产劳动观念、产品质量观念和经济价值观念，零件加工和装配的训练过程为培养学生的工程实践素质、理论联系实际和严肃认真的工作作风打下了坚实的基础，过程中产生的问题可以磨练学生的工程意志和提升学生的工程素质。图3、图4分别为学生设计的“救援小车”的行走机构图，和“救援小车”的抓取结构。

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图3 “救援小车”的行走机构

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图4 “救援小车”的抓取结构

（4）运作项目（Operate）：服务阶段。各个机构设计完整后，确定最终方案，制造组装出来完整的产品。可以对项目进行运作，完成任务。图5和图6为学生设计的“救援小车”的最后两种不同方案的“救援小车”。

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图5 “救援小车”方案一图 图6 “救援小车”方案二

四、CDIO与项目引领工程实践的相辅相成的关系

CDIO工程教育虽然包含培养学生实践能力的教学项目，但不同于项目教学。在应用型本科的工程实践中，两者是相辅相成的。CDIO工程教育在一体化的课程体系中不仅包括实践教学项目，也包括专业技术的系统知识教育，具有长期性与学制化的特点；而项目教学是针对某一具体项目开展的教学活动，具有短期性与临时性的特点 [4，5]；从表面上看，两者有些相似，项目教学包括立项、计划、实施、展示和结项等各个阶段，学生需要在教师的帮助下对各个阶段中可能产生的问题找出相应的解决方法。但是两者的实质性不同在于，CDIO工程教育旨在提供一种学生获取知识与经验的背景环境，它是制度化的、循环性的，而不是即时性的，并不随着实践教学项目的完成而终结。而项目引领工程实践是实实在在的项目在贯穿整个工程实践的训练。

五、总结

借鉴德国“项目教学”的做法，以CDIO为工程教育理念，项目引领工程实践，不仅提高了学生综合素质、工程意识和创新能力，而且促进教师和学生互动实践教学。对比德国项目教学法，也看到了我国项目引领工程实践实施的软硬环境均存在不足之处，德国项目教学注重项目成本的核算、指导教师的综合素质较高、项目完成后的功能拓展、制造项目的工业化程度等等，而应用性本科的工程实践，若要借鉴德国项目教学法，与师资力量、实践教学体制、软硬件都存在直接关联。因此，在科学的方法论指导下与严谨的行动框架内推进应用型本科的项目引领工程实践不妨是一个很有效的尝试和发展趋势。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 顾佩华，陆小华.CDIO工作坊手册[M].汕头：汕头大学出版社，2008.

[2] 李坤.赵阳.宁静等.德国职教项目教学法的理论研究与实践及推行策略[J].吉林工程技术师范学院学报，2009（3）：25-27.

[3] 赵志群.职业教育与培训学习新概念[M].北京：科学出版社，2003.

[4] 基于CDIO教育理念的工程学科教育改革与实践[J].教育与现代化，2010（1）：30-33，71.

[5] 熊和平，岳爱臣.CDIO工程教育模式：误解的澄明与风险的规避[J].高等工程教育研究，2009（5）：48-51.