摘要：如何针对不同类型的课程执行“实现、运作”环节，是当前ＣＤＩＯ模式应用中的难点问题。针对机械设计类课程性质和教学目标，提出基于实验室资源的ＣＤＩＯ新模式。该新模式将ＣＤＩＯ核心培养理念与现代实验室的开放性、容纳性、多样性、反复使用性和更新性相结合，利用实验室条件实施和运行ＣＤＩＯ四个环节特别是支持“实现、运作”环节。进一步探讨了ＣＤＩＯ新模式的实施过程、支撑ＣＤＩＯ新模式的实验室设备，最后将基于实验室资源的ＣＤＩＯ新模式在机械原理和机械设计课程项目中进行了应用。实践应用表明，利用实验室资源进行ＣＤＩＯ过程是可行的，基于实验室资源的ＣＤＩＯ新模式是推行ＣＤＩＯ工程教育的一种高效可行的实践应用模式，适合于机械设计类课程的教学。
关键词：工程教育；ＣＤＩＯ；机械设计；应用模式
ＣＤＩＯ工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新优秀成果。ＣＤＩＯ代表构思（Ｃｏｎｃｅｉｖｅ）、设计（Ｄｅｓｉｇｎ）、实现（Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ）和运作（Ｏｐｅｒａｔｅ），它以产品研发到产品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理论和实践。ＣＤＩＯ工程教育模式在国内高校引起了较大的关注，具有代表性的高校有汕头大学、燕山大学、成都信息工程大学、合肥工业大学、广州大学等。汕头大学最早探索和实践ＣＤＩＯ工程教育模式。从２００５年起，汕头大学工学院在执行校长顾佩华教授的指导下，开始学习研讨ＣＤＩＯ工程教育模式并加以实施［１］；燕山大学从２００８年开始实施基于ＣＤＩＯ模式的教育教学改革，建立了以项目为主线的课程教学体系，制定了以设计为导向、以工程能力培养为目标的培养方案［２］；成都信息工程大学基于ＣＤＩＯ工程教育理念和模式，在全校推进以专业建设为主线的教育教学一体化改革［３］。除上述高校外，北京石油化工学院、浙江工业大学、中南大学、哈尔滨理工大学、黑龙江工程学院等单位也进行了ＣＤＩＯ工程教育模式的探索与实践［４，５］。机械设计类课程是机械设计制造及其自动化专业中的一重要课程群，该课程群将在机械产品的方案设计、技术设计以及优化设计等方面提供基本的理论和方法，在培养高素质、优秀工程人才方面有着其他课程不可替代的重要作用。总结已有研究，尽管ＣＤＩＯ工程教育模式在若干高校中进行了实践，但是该模式还未在机械设计类课程中进行大范围的推广应用。本研究结合ＣＤＩＯ教育理念和机械设计类课程性质及教学目标，提出基于实验室资源的ＣＤＩＯ应用新模式，解决ＣＤＩＯ高等工程教育模式推广应用中难题。
一、ＣＤＩＯ新模式及其实施过程
针对机械设计类课程，提出和建立了基于实验室资源的ＣＤＩＯ应用新模式。该新模式通过系统的ＣＤＩＯ的项目设计，依靠实验台提供的拼装和仿真功能，实现某一产品从构思到运行全过程，达到培养和训练学生创新设计能力和实践动手能力的目的。该模式的思想是将ＣＤＩＯ核心培养理念与现代实验室的开放性、容纳性、多样性、反复使用性和更新性相结合，利用实验室条件实施ＣＤＩＯ四个环节特别是支持“实现、运作”环节的一种的高效应用模式，是实施ＣＤＩＯ工程教育理念的一种可操作性强的运行模式，是对ＣＤＩＯ应用模式的细化和具体实现。根据ＣＤＩＯ工程教育模式的实施步骤，基于实验室资源的ＣＤＩＯ应用新模式实施过程如下：（１）针对不同的课程及教学环节目标，设计ＣＤＩＯ项目；（２）按照项目实施目标，进行构思和设计，提出解决方案；（３）选择实验设备及组件，进行实验设备安排；（４）通过实验设备与组件的拼装、搭建、系统构建或实验设备加工，执行“Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ（实现）”环节；（５）通过实验系统的操作演示、反复修正，执行“Ｏｐｅｒａｔｅ（运作）”环节；（６）项目答辩与交流，能力考核，完成ＣＤＩＯ训练项目。
二、支撑ＣＤＩＯ新模式的实验室设备
在机械设计类课程的实验教学中，有大量拼装搭建实验台架，这些实验设备可用来执行本研究提出的ＣＤＩＯ应用新模式，典型实验台架包括：（１）轮系创新设计拼装及仿真实验台该实验台主要进行齿轮与轮系的分类及设计、分析与运用，是引导学生进行积极思维、创新设计、培养学生综合设计能力和实践动手能力的一种新型综合实验台。（２）机械方案创意设计五位一体化实验仪机械方案创意设计五位一体化实验仪是集机构组装、电机驱动、气缸驱动、程序控制和运动测试于一体的多功能实验台架，包含了连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、螺纹连接件、带传动、链传动、轴承等在内的多种典型机构和零部件，主要进行机械系统传动方案的设计与组装演示，特别适用于学生创新能力和动手实践能力的培养。
三、ＣＤＩＯ新模式的实践应用
１．在机械原理课程项目中的实践应用差动轮系是机械原理课程中的一个难点，针对该知识点，设计了差速器三级项目。将本文提出的基于实验室资源的ＣＤＩＯ新模式在该三级项目中进行了实践应用，具体过程如下：（１）设计差速器三级课程项目利用各类典型机构及零部件，以电机为原动机，设计汽车后桥上的差速器系统，将某一构件的运动按可变化的比例分解成两个构件的运动，实现汽车两后轮随着不同的行驶状态而自动改变转速的目的，以减小轮胎和地面之间的滑动。（２）进行构思和设计，提出解决方案解决方案可以有很多种类，现根据学生的设计，举例描述如下。差速器系统由电机、Ｖ带、直齿轮减速机构、万向联轴器、后桥差动器系统组成，其组成及传动方案如图１所示：该方案分析如下：由电机１经Ｖ带２传动到直齿轮组４减速，再经万向节联轴器５到后桥差动器６运动。同时，在差动轮系两边分别装有角位移传感器７和９，在主动直齿轮上装有一个角位传感器３，通过测试可以分析出其运动规律。通过该传动系统可以掌握后桥差动器的工作原理及其运动规律。１．电机２．带传动３、７、９．角位移传感器４．齿轮传动５．万向联轴器６．差速器８．轮子（３）实验设备与组件安排使用轮系创新设计拼装及仿真实验台。搭建过程中使用电机、Ｖ带、齿轮、键、联轴器、轴、螺纹连接件、支架等组件。（４）实验设备与组件的拼装、搭建根据传动方案，利用上述设备与组件，学生亲自动手实践，搭建形成差速器系统。（５）差速器系统运行、方案修正与完善在实验台上运行差速器系统，调试各项参数，反复修正传动方案直至完善。通过测试和分析系统的运动规律，掌握差速器功能，进而加深对差动轮系知识点的理解，了解差动轮系在工程实际中的应用。（６）项目答辩与交流，能力考核项目执行完成后，以小组为单位，制作ｐｐｔ进行答辩，交流方案设计过程与体会，提交设计报告，给出项目成绩。２．在机械设计课程项目中的实践应用轴系零部件结构及尺度设计是机械设计课程中的一个难点，针对该知识点，设计了轴系零部件结构设计与测量三级项目。ＣＤＩＯ新模式应用过程如下：（１）设计轴系零部件结构设计与测量三级课程项目利用轴系零部件实验台架和可拆装减速器，进行轴、齿轮、套筒、轴承、轴端挡圈等零部件的装配设计、轴结构设计、轴上零件定位与固定、轴各段直径和长度的测量等设计，通过设计和测量明确轴系零部件设计的基础理论和方法。（２）进一步根据课程项目任务和目标，划分项目小组，分工协作，查阅资料，进行构思、设计，提出解决方案；在此基础上，利用实验室设备与组件进行拼装、搭建、测量，将设计方案转化成实际系统，完成项目预期目标；最后，进行项目考核，进行答辩与交流，给出课程项目成绩。通过该模式的实施，学生普遍反映教学效果良好，真正进行了动手实践过程，增强了动手能力，加深了对差动轮系知识点的理解，并对该知识点的工程应用也有了较好的认识。在培养学生创新设计能力方面，通过对ＣＤＩＯ新模式实施前后课程成绩、教师评教、督导评教等各个环节的比较分析，可以看出学生的培养质量都有明显地提高。特别是学生在参与课外各级科技作品创新设计竞赛活动中，取得了比以往都好的成绩，反映出学生的创新能力不断提高。
四、结论
（１）针对ＣＤＩＯ工程教育模式在机械设计类课程中的应用难题，提出基于实验室资源的ＣＤＩＯ新模式。该新模式将ＣＤＩＯ核心培养理念与现代实验室的开放性、容纳性、多样性、反复使用性和更新性相结合，利用实验室条件实施和运行ＣＤＩＯ四个环节。探讨了ＣＤＩＯ新模式的实施过程、支撑ＣＤＩＯ新模式的实验室设备，最后将基于实验室资源的ＣＤＩＯ新模式在机械原理和机械设计课程项目中进行了应用。（２）实践应用表明，基于实验室资源的ＣＤＩＯ新模式在培养学生的工程设计能力、工程创新能力和工程实践能力方面具有较好的效果，能够达到ＣＤＩＯ工程教育目标。（３）本文研究在ＣＤＩＯ工程教育模式具体实践方面具有较大的创新性。当前，机械设计类课程或者还未应用ＣＤＩＯ工程教育模式，或者借助软件在计算机中仿真演示运动方案，这些都不能体现出“做中学”的教育培养理念。而本研究提出的ＣＤＩＯ新模式能够利用实验室资源，通过让学生拼装搭建形成产品实物，来体现和验证创新设计方案，从而能够锻炼学生的创新设计能力和动手实践能力。因此，该新模式较常规教学思路和模式具有较大的创新性。
参考文献：
［１］顾佩华，包能胜，康全礼．ＣＤＩＯ在中国（上）［Ｊ］．高等工程教育研究，２０１２（３）：２４－４０．
［２］史艳国，王鑫，姚建涛，等．基于ＣＤＩＯ理念的人才培养模式研究与实践［Ｊ］．教学研究，２０１５，３８（５）：７７－８１．
［３］王天宝，程卫东．基于ＣＤＩＯ的创新型工程人才培养模式研究与实践［Ｊ］．高等工程教育研究，２０１０（１）：２５－３１．
［４］潘柏松，王亚良，胡珏．机械工程ＣＤＩＯ实验室建设与研究［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１２，３１（４）：３６８－３７０．
［５］姜俊社会医学论文艳，孙晓君，魏金枝．ＣＤＩＯ教育模式的运用与探讨［Ｊ］．黑龙江教育学院学报，２０１６，３５（６）：５４３－５４．
作者：杨勇 金霞 江京亮 单位：青岛理工大学 机械工程学院
相关专题：黑龙江中医药杂志官网 天津市滨海新区邮编
