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CDIO在轧钢机械设计课程改革中的应用
CDIO在轧钢机械设计课程改革中的应用于凤琴 黄华贵 左大为 陈雷
（燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北秦皇岛066004）
[摘要] 将CDIO的工程理念应用在轧钢机械设计课程中，把课程内容细化为多个重点教学模块，使其与实验、项目有机的结合起来，加强课程之间的联系。通过项目的实施，提高学生的设计能力和综合素质。经过教学和实践环节的检验，该教学模式的改革取得了较好的教学效果。
[关键词] 轧钢机械设计；CDIO;教学改革
[中图分类号]G642.O
[文献标识码] A
[文章编号] 1005-4634 （2012） 06-0067-04
0 引言
CDIO （concelve -构思，design -设计，im—plement -实施，operate -操作）是由MIT和瑞典几所大学在Wallenberg基金资助下，经过几年研究于2004年创立。这个教育模式的载体是以产品、过程和系统的构思、设计、实施、探索、运行全生命周期为背景的教育理念，以CDIO教学大纲和标准为基础，让学生以主动的、实践的、课程之间具有有机联系的方式学习和获取工程能力，包括个人的科学和技术认识、终身学习能力、交流和团队工作能力Ⅲ。
CDIO工程教育理念是充分利用大学学科齐全、学习资源丰富的条件，以尽可能接近工程实际，涉及技术、经济、企业和社会的团队综合设计项目为主要载体，结合专业核心课程的教学，使学生得到全面的训练和提高。
我国的工程教育理念起源于前苏联的专业定向模式，该模式采用适应计划经济要求的定向培养，使得学生在学习过程中缺少主动性和创造性，学生在团队精神、交流能力和多学科、系统掌控能力等方面得不到锻炼。
《轧钢机械设计》是轧钢专业本科生的重要专业课之一，着重培养学生分析和解决轧钢主要设备和辅助设备工程问题的能力，有助于学生对基本知识、基本理论和基本技能的训练，使学生牢固掌握轧钢机械设计的基本内容和基本方法，为解决工程技术问题打下坚实的基础。本课程的目标是通过本课程的学习，能够掌握轧钢机械的组成以及工作原理、主要轧钢设备的结构类型，掌握主要设备的参数选择方法以及强度和变形校核等方法。
轧钢专业是燕山大学的传统专业，本专业具有悠久的历史，经过数十年的发展，为适应科技发展、市场变化和学分制改革等宏观环境的变化，轧钢专业的课程体系也在不断进行改革。(职教论文 www.fwsir.com)将CDIO模式应用到轧钢机械设计的教学中，细化教学模块，把教学模块分为多个项目，通过项目的实施进一步提高学生轧钢机械的设计能力和工程实践能力。
1 基于CDIO模式的教学改革
1.1理论教学的改革
本课程的传统的教学模式是教师从头讲到尾，是灌输式教学模式，反复强调重点章节和内容，造成学生强烈的依赖心理，失去了对课程的好奇心和学习的主动性，也没有对本课程产生浓厚的学习兴趣，对课程知识的掌握达不到理想的效果，特别是课程的目的性不明确，重点难点不清楚。
针对上述问题，首先在课堂教学环节中，要按照教学大纲和教学日历精心安排教学内容。教案首页应体现每章节的重点和难点、主要授课内容、授课达到的教学目的以及对学生的理论和实践的要求，末页制定合理的课后复习题及随堂作业、课后作业，对学生的作业进行启发，给出解题思路及解题步骤，对每章节进行总结。
其次，经过对本课程内容的仔细研究，精心规划课程内容，把重点内容分为若干模块，每个模块设有1——2个项目。在教学过程中，将课堂教学、查阅资料、做项目和写汇报、完成项目相结合，将理论教学、实验、项目配套进行，以学生自学后完成项目为目标，提高学生的学习主动性，增强理论与实践间的联系，使学生熟悉和掌握知识重点。
1.2将实验、项目安排到教学过程中
将实验、项目穿插到教学中，教学、实验和项目联系起来，使学生有针对性的获取知识重点。学生利用课余时间查资料、做实验和项目、写实验及项目报告，提高学生的团队精神、相互合作能力。
将实验、项目与理论教学同时进行，在进行理论课教学时，同时下达实验、项目的任务书，给出对实验和项目的要求，使学生在拿到任务书的时候就开始进入角色，有重点和针对性的获取理论知识。同时，让学生利用课余时间查阅资料，了解相关的内容，增强学生的学习兴趣和主动性。因为学生在接触本课程时，就知道本课程的知识结构、重点内容，通过这门课的学习，他们知道能够学会什么、做什么、课程之间的联系是什么，希望项目成功的欲望会推动他们努力学习理论课。在理论授课期间，教师应多次提示学生项目的重点、考虑的核心内容、项目的思路等，及时与学生沟通，使项目顺利进行，避免学生的盲目性。
1.3重视项目题目，强调课程之间的联系
为了提高学生的学习兴趣，不论是各章节的练习题还是项目的题目都应该选择有较强实际意义的题目，注意题目的难易程度合理搭配。各章节的练习题是为了让学生掌握本章节的知识重点和难点，要求学生独立完成。而项目是提高学生的综合能力，因此项目的题目更贴近实践，能够运用本课程的重点知识解决实际问题。另外，学生在做项目的过程中，把其他课程中学过的知识运用到项目中来，解决项目中的遇到的问题，这样使得课程之间的联系更加密切，能够真正实现理论与实践的结合，使学生认识到课程的应用价值。项目采用分组形式，一组一个题目，一般4——5人一组，提高学生团队合作能力，增强团队精神和创新思考能力。
2 三级项目的授课体系
本课程是轧钢机械专业的必修课，主要讲述轧钢设备（主要设备和辅助设备）的类型、结构参数选择、结构特点、工作原理、受力分析、重要零件强度刚度的计算、力能参数的确定以及有关轧钢机械设计的新理论、新方法。
根据CDIO的理念，结合“做中学”的指导思想和轧钢专业自身特点，按“多个课程的‘三级项目’向综合性的‘二级项目’延伸，二级项目为‘一级项目’服务”的指导思想进行项目式课程体系构建，其构成图如图1所示。
在课程设置中体现CDIO的理念，把相关的课程如弹性理论及工程应用、Matlab及工程应用、轧钢机械设计、三维设计技术、数值模拟等按照三级项目的要求设计相应的题目，使学生对相应的课程有深入的理解和应用。然后把上述多个课程的三级项目延伸到二级项目，作轧钢机械设计的课程设计，重点强调课程之间的联系，综合运用上述课程的知识点，如三维设计技术、数值模拟技术等设计一套数字的轧钢机主机或者辅助设备，对主要零部件进行强度或者变形校核。二级项目的锻炼为一级项目即毕业设计服务，学生在三级项目及二级项目中对工程设计流程、计算过程、校核方法等加以理解以及熟悉，在毕业设计中学生就能很快进入角色，开始毕业设计工作，缩短对毕业设计的熟悉过程，真正采用工程设计方法进行设计，为毕业后进入企业奠定基础。
3项目实施
项目实施的目的是鼓励学生进行主动学习，提高相关课程知识点的综合运用能力，培养学生开展研讨活动、对工程设计系统构建、模型建立、模型分析、结论误差分析等技能。在项目实施过程中，教师起指导作用，通过课后辅导，从项目的设计流程、方案确定等方面启发学生。
以本课程中的辊系结构设计为例，说明项目实施的阶段。
1）明确项目任务，构思方案。辊系结构设计的项目任务是要求学生利用本课程的知识对四辊轧机的辊系即工作辊和支承辊的结构参数进行选择，计算轧制道次、压下量、轧制力等工艺参数，对轧辊结构进行设计，利用三维技术绘制实体零件、装配图，利用数值模拟技术校核轧辊强度及变形，撰写项目说明书以及PPT汇报。
学生根据上述项目任务的要求，共同协作查阅相关的资料，讨论并制定辊系结构计算方法、校核的步骤、结构设计流程等。教师对学生提出的计算方法、校核方法、结构设计流程进行审核，并提出参考建议，让学生修改并完善辊系结构设计过程。方案确定后，学生小组人员进行任务分工，分为辊系计算、校核、结构设计、写说明书和PPT汇报等，确定合理的项目进度，最后，利用PPT汇报项目实施的过程、解决问题的方法、计算数据误差的分析等，教师对项目进行总结并评价。
2）学科体系知识的综合应用。项目的实施过程中，要求学生把项目中涉及到的相关的知识如弹性理论及工程应用、数值模拟技术、Matlab及工程应用、三维设计技术等进行融合、强化、提高，教师对学生进行引导，要求学生有选择性的自主学习，要求学生利用互联网平台，收集相应的知识要点以及技术资料，丰富课本的知识点，了解相关的技术发展动态，使学生能够站在知识的前沿。
3）项目的实施。项目的实施主要是完成项目任务书的要求，完成辊系参数选择、工艺参数计算、校核计算、结构设计等，对辊系的校核是建立数学模型进行数值模拟计算，利用三维技术设计辊系实体虚拟零件及装配图。由于小组成员各自分工不同，要求学生要经常沟通，不要各自盲目工作。碰到疑难问题，教师引导学生在工作中寻找解决问题的方法，从不同角度看问题，不断再学习。教师对学生的指导可以采用举办讲座或者经验交流会等方式，拓宽学生的思路，使学生之间最大程度的相互学习，从别人的经验中汲取教训，少走弯路。
4）项目评价。项目完成后，项目小组提供规范的设计图纸（包括零件、装配图、工程图）、参数选择方法、计算过程、校核过程、结构设计过程，小组给出一份项目说明书，制作PPT汇报稿。由小组成员对本组工作结果利用PPT进行汇报、总结、分析等，由教师或者其他小组同学进行提问，评价项目中出现的问题，对其进行总结。教师根据项目的实施情况和说明书质量、PPT汇报逻辑及准确性、学生的自评等三部分给出项目的成绩，上述各部分所占比例为：项目总成绩占本课程结课成绩中的20%，其中项目的实施情况和说明书质量占5%、PPT汇报逻辑及准确性占10%、学生的自评占5%。
4管理模式
CDIO模式下的授课模式需要转变传统课程质量的管理方法，由过去的知识本位的课程质量观念转变为能力为本位的课程质量观念，如图2所示。即由过去的以知识灌输为主的授课管理模式转变到CDIO以能力为目标的授课模式。
以能力本位课程质量观念作为新型课程质量管理，需要转变概念：第一，将CDIO的核心灵活的贯穿在教学活动中；第二，要让学生在教学活动中深入了解CDIO的基本理念、核心内容，并把课程管理质量的模式传递给学生；第三，在教学活动中，不断改善和完善这种新型课程质量观念。
课程质量管理的模式应该以激发教师授课的积极性和创造性为目的，对学生的学习兴趣和主动性逐渐引导。在原有的课程管理质量模式基础上，基于CDIO的理念，对课程质量管理的模式进行了改革，新的课程质量管理体系包括督导体系、监督体系、激励体系、反馈体系（如图3所示）。
在督导体系中，学校和学院两级督导团对教学过程进行监督，实行实时听课制度，把出现的教学问题及时反馈到教师及上一级部门。在监督体系中，系里的领导、辅导员以及同行进行教学听课，学生联系小组等形成教学监督体制。在反馈系统中，通过督导团、学生课堂教学评估、听课反馈等，促使教学方法和教学效果不断提高并达到很好的效果。在激励体系中，通过对教学效果好的教师奖励学时、增加课程的教学系数等多种手段，激励教师教学的积极性和创造性，促使教师对教学投入更多的精力，做好本科生的教学工作。
5 结束语
轧钢机械设计课程系统性、实践性比较强，适合于CDIO的理念，在此基础上特别适合项目的实施。对本课程的教学内容研究并细化教学重点，仔细拟定各教学重点的项目，组织学生投入到新的教学模式中，在项目中对知识点进行加强，取得了较好的教学效果。这种基于CDIO的教学模式，激发了学生的学习兴趣，转变了学习观念和学习态度，培养了学生的团队协作意识，以项目作为指导，做中学，学中做，加强学科之间的联系，培养了学生的综合能力。
通过近三年轧钢机械设计教学改革的实施，学生对CDIO的新型授课模式基本上已经适应并赞成这种教学模式。
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