机械创新设计大赛组织与实施探讨

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系统生命周期工程教育的目的是培养具有熟练技术基础和广泛专业能力的学生，在过去几十年里，大学之外的社会一直在要求工程教育者改进工作以更好地满足以上目标。[1]但是20世纪中期以来，我国的工程教育日渐脱离和轻视工程实践，工程教育的教师越来越多的由工程科学家担任，他们其中多数人从来没有做过工程师，他们思考、工作、教学都是在其所熟知的工程研究环境中。工程研究固然是一个很重要的领域，但问题是，它实际上逐渐取代工程实践环境而变成了工程教育环境。这样，我们就不知不觉地开始把我们的学生培养成为工程研究者，而不是工程师。据麦肯锡季刊的一项分析报告指出，在中国160万名青年工程师中，只有16万能胜任跨国公司的工作，能达到跨国公司用人标准的合格毕业生比例不到工科毕业生的10%，与印度的25%、马来西亚的35%、波兰的50%、比利时的80%以及其他发达国家差距甚大。据瑞士洛桑国际管理开发研究院（IMD）公布的国际竞争力排名可知，我国整体实力排名由2005年的第31位大幅上升到了2006年的第19位，但在同一排名榜上，我国培养的可获得资格的工程师数量却连年忝居末座。[2]因此，中国的工程教育迫切需要进行深层次改革，以适应全球经济快速发展的需要。

一、国际工程教育大潮中的CDIO

全世界对工程教育的改革都很迫切，无论是发达国家还是发展中国家。在过去的10年里，美国的企业界人士开始致力于缩小当前工程教育中的理论和实际操作能力之间的差距，对工程教育提出了新的目标和要求。四所前沿的工程大学（美国麻省理工学院、瑞典查尔姆斯技术学院、瑞典林克平大学、瑞典皇家技术学院）从2000年起组成跨国研究项目组合，经过4年探索，他们合作开发了一个新型的工程教育模型，称为CDIO。其名字的灵感来源于产品/系统的生命周期过程。该生命周期可分为四个阶段：构思、设计、实施、操作。它是“做中学”原则和“基于项目的教育和学习”的集中体现。它以工程项目（包括产品、生产流程和系统）从研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动实践、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO的理念不仅继承和发展了欧美20多年来的工程教育改革理念，更重要的是提出了系统的能力培养、全面的实施指导、完整的实施过程和严格的结果检验的12条标准，具有很强的可操作性。[3]CDIO标准是直接参照工业界的需求（如波音公司的素质要求和ABET的EC2000标准）制定的，因而能完全满足产业对工程人才质量的要求。迄今已有几十所著名大学加入CDIO国际组织，麻省理工学院已有两届CDIO学生在毕业后得到工业界的好评。一些公司甚至专门为CDIO毕业生制定了高于其他教育模式毕业生15%的工资标准。

二、机械创新设计大赛中的“做中学”模式

2006年初北京石油化工学院在组织第三届首都高校机械创新设计大赛时，大多数师生根本没有听说过CDIO，因为要参赛而且想拿出成功的作品参赛，教师带领学生“在做中摸索、在做中学习、在做中提高”。第三届首都机械创新设计大赛的主题是“健康与爱心”，大赛要求从这一主题出发，由学生设计、制作、提交相关机械产品的样机进行比赛。机械创新设计大赛的设计远不只是图纸上的设计，还包括从调研到构思、设计、制造、装配、调试、使用，乃至改进设计这样又一轮的实践活动。这是一套完整的实践活动，是一套出真知、出创新、出成果的实践活动。[4]2006年是我们学生包括部分教师第一次亲临一种全新机械产品开发和制作全过程的体验，开头真是无从下手，产品都不知如何确定，更不用说设计与制作了。在教师的指导下，考虑到我国需助残、康复、健身的人群现状，学生们开展了广泛的市场调研，深入到大兴康复医院、海淀康复机构等观察采访，结合不同的康复人群的需要，拟订了“多功能电动轮椅”、“人性化担架和康复助力拐”等产品的选题组成产品开发小组。开发小组的分组以学生自愿组合为基础，并考虑了专业和男女同学的合理搭配，以便于最大限度发挥每个人的特长。过02级学生马强、机电02级学生龚月圆和机电02级学生杨雄在进行“多功能电动轮椅”的功能设计构思时，为突出“多功能”的特点，对各种机构进行了深入的研究和学习，最后运用机构学原理设计了靠背、桌面和遮阳翻转机构，设计思路新颖，结构精巧简单，将简单的靠背根据残疾人需要，经机构变换可巧妙变化成书桌或遮阳机构（该成果已获得实用新型专利授权）。杨雄同学在调试电动轮椅时，面对项目中驱动与控制问题，在请教自动化专业教师的基础上，自学掌握了控制工程原理、制定了合理的启动方案，并且利用网络查询小型步进电机及其驱动器的价格，为了节省开支，跑遍了大兴的各机电产品市场（包括旧货市场），不但购买到可用于该项目的小电机和驱动器，还学到了一些实用的技术、方法。在实际制作中，学生们虚心请教工程教育中心的师傅，改进原设计中的不足，自己动手加工零件，组装出所设计的产品，圆满完成设计制作任务。过03级学生姚明、钟云青在设计制作“人性化担架”作品时，出于最大限度保护伤残病人的愿望，巧妙运用四杆机构原理设计了可自由开合式担架，为准确规划担架的运动轨迹，并自学了WorkingModel机构设计分析软件，从理论上保证了机构尺寸的精确性，为进一步的设计制作奠定了良好的基础（该成果已获得实用新型专利授权）。每一个作品的后期制作，都是考验学生团队能否团结协作、有无锲而不舍精神的关口。内行都知道，设计工作量为一，那么制造工作量就为十，这表明，后天的制作量是十分大的。学生们顶着酷暑纷纷自己动手，有的到废旧市场寻找原材料，有的到工厂进行加工、组装、调试，反复修改，以求制造操作上易于实现。这真正体现了“做中学、学中做”相互结合、相得益彰。在以往单纯理论教学中，学生只是知识的接受者，而不是知识的主动索取者，学习没有明确目的，知识—教师—学生是一种直线单向式关系。而在机械创新设计大赛的实施过程中，围绕课题的实践，学生获取知识的欲望被激发，学生能够有目的地自学或在教师的指导下用知识解决实际问题，学生真正懂得了“学”与“用”的关系。同样教师通过实际课题的锤炼增长了工程实践能力，因此这是一种互动的三角双向式关系。

三、CDIO理念的运用

2008年初我们在准备第四届首都高校机械创新设计大赛时，已经在CDIO的实践中尝到了甜头，已经真正能将CDIO应用于大赛的规划和组织。在这一过程中我们更加强调产品生命周期开发和使用作为知识和能力培养的载体及环境，更加强调的是知识和能力之间的关联，而不是具体内容。因此依据此次大赛的主题“绿色与环境”———“环境机械、环保机械和厨卫机械”，我们首先在校内成立大学生课外科技活动小组（URT小组），以项目的形式为组织、以多年级多学科共同合作为要求、以运用知识解决问题为目标来实施产品全生命周期的工程实践，通过让参与的学生明白他们在构建的并非其特定产品的设计模式，“构思-设计-实施-操作”这四个词可表达更广泛的工程师行为，不论是网络工程师、机械工程师、建筑工程师或生产工程师，都要遵循。此次大赛的组织更加开放，多个URT小组都是学生自行管理和实施。组长安排讨论构思、组长分配任务，对于不懂或需用到的知识，组长听从教师的建议，分别安排同组学生选修相关课程或向教师请教。实际上，在有限的学制中，任何工程教育专业都不可能将今后工作中所需的知识完全教给学生，而只能按照项目训练的方式组织知识，教给学生在“做中学”，在基于项目的反复学习训练中，获得能力，提高工程素质。学生在此实践训练过程中学到知识，但更重要的是获得自学能力、解决问题能力和创新能力，进而提高其走入社会的自信心，这才是他们终身取之不尽用之不竭的宝贵财富。第四届首都高校机械创新设计大赛学生设计开发制作完成了户外折叠式玻璃清洁器、节能型高压汽雾清洁车、超声节水洗碗机和手动式户外清洁车等六件作品，项目执行过程中各小组多名学生有计划选修了机械创新设计、PRO/E三维设计、产品创意设计实践等具有创新设计理念和介绍先进设计工具手段的课程。所有设计开发制作的产品更注重学科上的综合性，学生的不少作品充分融合了机械、电子、光学、控制、材料等多学科知识。参加制作的学生来自不同的院系与专业，各人根据自己的专业与特长，分工合作，彼此协调，体现了良好的团队精神。2010年、2012年、2014年我们又先后组织学生参加了第五届、第六届、第七届首都高校机械创新设计大赛。假设前几届参加的学生只是学生群体当中学有余力、主动性强、成绩优秀的佼佼者，从2010年起我们把参加大赛作为学生评定机械设计课程成绩、机械课程设计课程成绩的一项必要内容，学生的成绩一部分参考学生在参加大赛中的表现，逐渐摒弃了那种一次期末考试成绩确定学生课程结业成绩的做法，而且获得一等奖、二等奖的学生还可以申报创新学分。这一系列措施极大激发了学生参加大赛的积极性和主动性，尤其是那些平时爱玩、学习成绩不理想、自信心不足的学生，他们觉得这种学习、动手、实践不再枯燥，还可以依据自己兴趣，在“玩中学、做中学”。2010-2014年参加大赛的学生逐年增加，在校内形成了品牌、形成了传统，学生们都知道，一、二年级都要到学姐、学哥的大赛项目小组“打打酱油”、学习学习，三、四年级就要成为主力队员，用产品说话了。通过机械创新设计大赛的组织和实施，不但培养锻炼了一批具有自学与组织能力、勇于实践善于创新、乐于动手与协作的工程技术人才，而且加强了教师的CDIO技能，使学生在真正学到锻炼工程技能的同时，教师在此过程中也弥补了工程经验不足的缺憾，为将来的实践教学打下了基础。正如总理曾经讲过“做中学才是真正的学，做中教才是真正的教”。“问渠哪得清如许？为有源头活水来。”创新之水来自实践之源。作为新时期的教育工作者，我们只有不断为学生提供实践之源，我们的学生才能成为社会需要之材，才能成为国家兴旺之材。

作者:蔡晓君 刘湘晨 窦艳涛 单位:北京石油化工学院机械工程学院

［参考文献］

［1］陶勇芳，商存慧.CDIO大纲对高等工科教育创新的启示［J］.中国高教研究，2006（11）：81-84.

［2］顾佩华，沈民.从CDIO到EIP2CDIO———汕头大学工程教育与人才培养模式探索［J］.高等工程教育研究，2008（11）：12-15.

［3］EdwardF.Crawley，查建中，JohanMalmqvist，DorisR.Br-odeur.工程教育的环境［J］.高等工程教育研究，2008（4）：13-16.

［4］杨叔子，吴昌林，彭文生.机械创新设计大赛很重要［J］.高等工程教育研究，2007（2）：1-5.

［5］杨叔子.三论创新之根在实践［J］.高等工程教育研究.2003（2）：1-4.

［6］NationalAcademyofEngineering，TheEngineerof2020［DB/OL］.http：∥www.nae.edu.Availableat，2004.

［7］彭建云.略论大学教师教学角色的定位［J］.中国大学教学，2009（8）：33-35.

［8］索双富，季林红，王兴信，张华基，杨春艳.机械创新设计大赛的实施与体会［J］.实验技术与管理，2005（10）：127-129.

［9］蔡晓君、刘湘晨.基于产品实现全过程机械设计能力培养［J］.实验室研究与探索，2013（7）：182-184.

［10］蔡晓君，刘湘晨.深化卓越工程师机械设计主题实践的改革［J］.实验室研究与探索，2012（6）：152-154.