结合CDIO理念的“材料成形技术”课程教学改革
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0170-02
进入本世纪，社会发展越来越全球化，成功的工程师和企业取决于他们能否适应新的环境和新兴技术的运用。这一转变急需通过对工程类教育的改革来实现。全球化、多样性、全球文化和语言的不同、交流的需要、种族、领导地位等，必然构成了工程类教育改革的核心内容[1-2]。过去的20年来，美国工程教育协会、美国国家专业出版社、美国国家自然科学基金等组织对工程教育改革进行了广泛的研究。然而即使有如此多关于工程教育改革的文献，今天的工程类课程设置仍然未能满足培养优秀工程师们这一基本需要。工程类课程必须改变40年来的课程体系和教学思想。针对我国工程类教育实践存在的重理论轻实践，重视知识学习而轻视方法创新的培养等问题[3-4]，结合未来毕业的工程技术人才国际化工作环境，应大力培养学生工程实践训练，及英语工程化应用的能力。
1 CDIO工程教育模式
CDIO工程教育模式是2000年以来由查尔姆斯理工大学、瑞典皇家理工学院、瑞典林雪平大学、麻省理工学院四所大学创立的针对工程类教育改革新理念。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）。CDIO核心特点是围绕各学科组织课程，同时强调工程实际项目、活跃的教学模式、体验式的小组学习，以及多样的学习环境包括教室、车间、外部世界。
2004年美国机械工程师协会发表了“面向21世纪工程类知识”的核心标准。标准包含15项内容，涵盖技术、专业实践等方面。
技术类的指标包括：应用数学、科学、工程知识的能力；设计、完成实验，及分析数据的能力；根据需要设计系统、零件、所需工艺的能力；对工程类问题判断、公式化表达、解决的能力；掌握工程实践所需技术、技能、现代化工程工具的能力；应用所学知识解决机械工程特定领域问题的能力；理解工程管理、资产管理的基本理论。
专业实践类的指标包括：多学科团队协作能力；遵守专业、道德职责；高效的沟通能力；全球化背景下具有较宽的解决工程问题的知识面；熟悉商业、公共政策及组织的基本架构；理解领导者的角色、领导原则和态度。
在CDIO教学方法实践中，教师有三个主要任务：首先，确保每部分学习内容最终汇集为整体学习成果，保证单个学生遇到问题可以得到解决。其次，教师要为个人考核成绩。机械工程领域的教学简单通过学生的考试成绩来评价是不全面的。最后，教师要负责协助学生学习的过程，引导学生适应新的双语教学环境。鼓励学生间的沟通，创造良好的学习氛围。
2 教育策略的改革实践
结合CDIO能力大纲内容，在《工程材料及机械制造基础》课堂上，涉及了大纲内的大部分内容，如技术知识和推理能力、工程推理和解决问题、系统思维、求知欲和终生学习、团队协作能力等。需特别提出的是大纲中的交流技能，通过本课程双语教学逐步提高了学生的外语交流能力。相关教学改革实践如下。
（1）为了培养学生的工程推理和解决问题能力，亦可给出学生某种工程实际问题，如激光立体成形加工技术适用的合金材料。这样的问题多半需要联系学生已学的工程材料知识。除了之外，学生们对市场进行调查，了解工程中常用的材料，如钢、高温合金、钛合金等是否适合进行激光立体成形加工毛坯或半成品件。给出各材料成形方法的优缺点和经济性分析，撰写相关报告后提交。
（2）课程结束前对学生进行分组，针对一种新型成形技术进行英语报告。每组学生的题目从板液压成形技术、温压成形技术、熔丝沉积成形技术到半固态金属成形技术等任选，并且提供几篇相关文献作为背景材料。分组成员们通过现代化图书搜索工具找到更多的相关文献，撰写出一篇符合正式出版论文一般要求的报告。最后，每组选派代表在讨论会上讲解自己的报告，并接受其他讨论组的提问和评价。
需要特别指出的是，上述教学实践内容并不新颖，如何执行、贯彻CDIO精神是关键。在这一过程中，坚决杜绝学生简单地照搬网上已有的英文资料。以一个案例研究为题目（如熔模铸造的全膝关节置换体，或LotusElise汽车的悬挂组件成形方法等），时间为1-2周，培养学生团队工作能力，学习如何做演讲及撰写学术报告。除了这些技能，学生们也得到了计算机程序方面的锻炼。指导学生采用ProE，Solidworks软件建立毛坯件的数学模型，为大四的毕业设计将来工作打基础，同时也培养学生的工程实践素养。
在前述教学方法的实践改革后，有一个关键的问题需要思考：如何在激励学生合作性学习和以学生为中心的教学目标的同时，不遗漏课程的重点内容？笔者最初的想法是教学的目的不是覆盖所有的知识点。但通过教学实践发现虽然课堂上的分组讨论等占据一些讲授时间，主动学习的方式并不意味着要减少教学大纲内容。
《材料成形技术》作为我校大二本科生的必修课程，结合CDIO教学思想，进行了教学内容的改革实践。以“金属铸造工艺”内容为例，根据大纲要求讲授方式划分为介绍类、详细讲授类、学生实践类。如“金属铸造工艺及设备”内容划为介绍类，简单介绍或把学习任务下发给学生，不再布置附加的学习内容。例如请学生们分组做各铸造工艺方法的口头演讲。将“金属铸造的理论基础”列为详细讲授类，目标是提升学生的知识层面，清晰完整讲授金属凝固理论、流体流动、熔融金属的流动性、铸件缺陷等基本理论。将“金属铸造：设计、材料、经济性”列为学生实践类，首先教师讲解铸件设计时的关键考量，使学生掌握铸件设计的一般原则，将这部分内容作为课后作业下发学生。 3 转换新型教学方法对学生的影响及解决策略
习惯了教师讲授，学生在考试时重复教授内容的模式，学生们对新的教学方法可能不会很快接受。当教师要求学生自己学习部分内容时，他们可能会感到教师教课不认真。这种敌对情绪将非常影响教师，使之感到受挫。学生的抵触在合作型、基于问题的学习方式中较为常见。特别是这次的教学改革实践结合了双语教学方式。一些同学能够迅速地通过最初的不适应，但有些同学整个学期深陷抗拒、后退阶段。这一过程是正常的，作为教师，可从以下几个方面改善学生的抵触情况。
（1）循序渐进。以学生为中心的教学模式应在课程开始之初在学生心里埋下学习目标。循序渐进地开展，逐步增加强度。
（2）向学生解释讲授方式和理由。当学生初次经历新的教学方法，特别这种方法让学生有所负担，他们就可能感觉自己是实验对象，有所抵触。故在授课前将实施新方法的原因要解释给学生接受。
（3）查阅相关发表的研究结果，证实采用的教学方法是可行的。
（4）教师要避免生硬地实施新的教学方法，应认识到部分学生有其独特的需求和局限性，遇到问题的解决方法也要基于个体不同分类展开。
在《工程材料及机械制造》课程教学改革实践过程中，课题研究者感觉到除了耐心地引导学生适应新的教学方式，进行适当的教学手段改进是有效的。为此实践了以下教育方式。
（1）将每次学生的展示报告题目与近期学习的材料成形方法、相关应用结合起来。题目可以是实际问题或者具有说明性的事例。
（2）课程内容的教学目标详细地呈现给学生们，作为未来考试的复习指导。
（3）课堂上进行简短的小组讨论，引导学生对提出的问题进行构想、提出解决方法、衍生出新的想法。
（4）布置学生完成一到两个课下分组作业，而不是立即开展全面地小组合作式的学习。
（5）以课堂随机测验方式定期提问或测试学生，如本次课程的主要学习点、模糊点。教师只需浏览这些反馈意见，在接下来的课程中对困惑点进行重点复习讲解。
（6）进行教学中期评价。例如课堂上的教学方法哪种促进了学生的学习热情，哪种方法让学生反感思考并接受其中有建设性的建议。
4 结语
《工程材料及机械制造基础》作为机械类专业本科生的必修课，是一门介绍材料成形基础方法、工艺、结构工艺性的课程，是践行双语教学和CDIO理念的最佳平台。课程讲授时可结合成形技术领域的新思想、新方法、新工艺，实践、发展CDIO精神，培养学生的创新、实验中探索知识、团队精神。虽然学生初期感觉双语教学阻力较大，但通过一学期的努力，学生们掌握了知识，锻炼了公开场合下使用英语进行技术性报告的能力，增强了自信心。
建立学生完整合理的工程师素养，仅仅一个课程的双语+CDIO教学模式不能胜任。关键问题是如何设计整个课程体系，如何将CDIO能力大纲的各项贯穿在课程体系之中。对于四年本科教育的每个阶段，应建立不同的能力培养阶梯。本科教育的初期非常重要，也就是学生的第一、二学年，是建立学生热爱机械工程行业的奠基期。问题仍在于前两年的课程如何实现CDIO能力大纲的基础部分，如何与工程教育中其他课程的衔接，如何更有效地激励学生的兴趣。这些都需要高等教育工程类教师们继续努力实践改革。工程类教学改革需要各专业、企业、工程类组织持续、有效的协作。为满足21世纪知识型社会工作需要，工程教育必须立即实践改革，并且对硕士研究生学位课程进行制度化改革。
