機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽組織與實(shí)施探討

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系統(tǒng)生命周期工程教育的目的是培養(yǎng)具有熟練技術(shù)基礎(chǔ)和廣泛專業(yè)能力的學(xué)生，在過去幾十年里，大學(xué)之外的社會(huì)一直在要求工程教育者改進(jìn)工作以更好地滿足以上目標(biāo)。[1]但是20世紀(jì)中期以來，我國的工程教育日漸脫離和輕視工程實(shí)踐，工程教育的教師越來越多的由工程科學(xué)家擔(dān)任，他們其中多數(shù)人從來沒有做過工程師，他們思考、工作、教學(xué)都是在其所熟知的工程研究環(huán)境中。工程研究固然是一個(gè)很重要的領(lǐng)域，但問題是，它實(shí)際上逐漸取代工程實(shí)踐環(huán)境而變成了工程教育環(huán)境。這樣，我們就不知不覺地開始把我們的學(xué)生培養(yǎng)成為工程研究者，而不是工程師。據(jù)麥肯錫季刊的一項(xiàng)分析報(bào)告指出，在中國160萬名青年工程師中，只有16萬能勝任跨國公司的工作，能達(dá)到跨國公司用人標(biāo)準(zhǔn)的合格畢業(yè)生比例不到工科畢業(yè)生的10%，與印度的25%、馬來西亞的35%、波蘭的50%、比利時(shí)的80%以及其他發(fā)達(dá)國家差距甚大。據(jù)瑞士洛桑國際管理開發(fā)研究院（IMD）公布的國際競爭力排名可知，我國整體實(shí)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，我國培養(yǎng)的可獲得資格的工程師數(shù)量卻連年忝居末座。[2]因此，中國的工程教育迫切需要進(jìn)行深層次改革，以適應(yīng)全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要。

一、國際工程教育大潮中的CDIO

全世界對(duì)工程教育的改革都很迫切，無論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家。在過去的10年里，美國的企業(yè)界人士開始致力于縮小當(dāng)前工程教育中的理論和實(shí)際操作能力之間的差距，對(duì)工程教育提出了新的目標(biāo)和要求。四所前沿的工程大學(xué)（美國麻省理工學(xué)院、瑞典查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典林克平大學(xué)、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院）從2000年起組成跨國研究項(xiàng)目組合，經(jīng)過4年探索，他們合作開發(fā)了一個(gè)新型的工程教育模型，稱為CDIO。其名字的靈感來源于產(chǎn)品/系統(tǒng)的生命周期過程。該生命周期可分為四個(gè)階段：構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、操作。它是“做中學(xué)”原則和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”的集中體現(xiàn)。它以工程項(xiàng)目（包括產(chǎn)品、生產(chǎn)流程和系統(tǒng)）從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)實(shí)踐、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO的理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來的工程教育改革理念，更重要的是提出了系統(tǒng)的能力培養(yǎng)、全面的實(shí)施指導(dǎo)、完整的實(shí)施過程和嚴(yán)格的結(jié)果檢驗(yàn)的12條標(biāo)準(zhǔn)，具有很強(qiáng)的可操作性。[3]CDIO標(biāo)準(zhǔn)是直接參照工業(yè)界的需求（如波音公司的素質(zhì)要求和ABET的EC2000標(biāo)準(zhǔn)）制定的，因而能完全滿足產(chǎn)業(yè)對(duì)工程人才質(zhì)量的要求。迄今已有幾十所著名大學(xué)加入CDIO國際組織，麻省理工學(xué)院已有兩屆CDIO學(xué)生在畢業(yè)后得到工業(yè)界的好評(píng)。一些公司甚至專門為CDIO畢業(yè)生制定了高于其他教育模式畢業(yè)生15%的工資標(biāo)準(zhǔn)。

二、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中的“做中學(xué)”模式

2006年初北京石油化工學(xué)院在組織第三屆首都高校機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽時(shí)，大多數(shù)師生根本沒有聽說過CDIO，因?yàn)橐獏①惗蚁肽贸龀晒Φ淖髌穮①悾處煄ьI(lǐng)學(xué)生“在做中摸索、在做中學(xué)習(xí)、在做中提高”。第三屆首都機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的主題是“健康與愛心”，大賽要求從這一主題出發(fā)，由學(xué)生設(shè)計(jì)、制作、提交相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品的樣機(jī)進(jìn)行比賽。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)不只是圖紙上的設(shè)計(jì)，還包括從調(diào)研到構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造、裝配、調(diào)試、使用，乃至改進(jìn)設(shè)計(jì)這樣又一輪的實(shí)踐活動(dòng)。這是一套完整的實(shí)踐活動(dòng)，是一套出真知、出創(chuàng)新、出成果的實(shí)踐活動(dòng)。[4]2006年是我們學(xué)生包括部分教師第一次親臨一種全新機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)和制作全過程的體驗(yàn)，開頭真是無從下手，產(chǎn)品都不知如何確定，更不用說設(shè)計(jì)與制作了。在教師的指導(dǎo)下，考慮到我國需助殘、康復(fù)、健身的人群現(xiàn)狀，學(xué)生們開展了廣泛的市場調(diào)研，深入到大興康復(fù)醫(yī)院、海淀康復(fù)機(jī)構(gòu)等觀察采訪，結(jié)合不同的康復(fù)人群的需要，擬訂了“多功能電動(dòng)輪椅”、“人性化擔(dān)架和康復(fù)助力拐”等產(chǎn)品的選題組成產(chǎn)品開發(fā)小組。開發(fā)小組的分組以學(xué)生自愿組合為基礎(chǔ)，并考慮了專業(yè)和男女同學(xué)的合理搭配，以便于最大限度發(fā)揮每個(gè)人的特長。過02級(jí)學(xué)生馬強(qiáng)、機(jī)電02級(jí)學(xué)生龔月圓和機(jī)電02級(jí)學(xué)生楊雄在進(jìn)行“多功能電動(dòng)輪椅”的功能設(shè)計(jì)構(gòu)思時(shí)，為突出“多功能”的特點(diǎn)，對(duì)各種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究和學(xué)習(xí)，最后運(yùn)用機(jī)構(gòu)學(xué)原理設(shè)計(jì)了靠背、桌面和遮陽翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)思路新穎，結(jié)構(gòu)精巧簡單，將簡單的靠背根據(jù)殘疾人需要，經(jīng)機(jī)構(gòu)變換可巧妙變化成書桌或遮陽機(jī)構(gòu)（該成果已獲得實(shí)用新型專利授權(quán)）。楊雄同學(xué)在調(diào)試電動(dòng)輪椅時(shí)，面對(duì)項(xiàng)目中驅(qū)動(dòng)與控制問題，在請(qǐng)教自動(dòng)化專業(yè)教師的基礎(chǔ)上，自學(xué)掌握了控制工程原理、制定了合理的啟動(dòng)方案，并且利用網(wǎng)絡(luò)查詢小型步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的價(jià)格，為了節(jié)省開支，跑遍了大興的各機(jī)電產(chǎn)品市場（包括舊貨市場），不但購買到可用于該項(xiàng)目的小電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，還學(xué)到了一些實(shí)用的技術(shù)、方法。在實(shí)際制作中，學(xué)生們虛心請(qǐng)教工程教育中心的師傅，改進(jìn)原設(shè)計(jì)中的不足，自己動(dòng)手加工零件，組裝出所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，圓滿完成設(shè)計(jì)制作任務(wù)。過03級(jí)學(xué)生姚明、鐘云青在設(shè)計(jì)制作“人性化擔(dān)架”作品時(shí)，出于最大限度保護(hù)傷殘病人的愿望，巧妙運(yùn)用四桿機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)了可自由開合式擔(dān)架，為準(zhǔn)確規(guī)劃擔(dān)架的運(yùn)動(dòng)軌跡，并自學(xué)了WorkingModel機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件，從理論上保證了機(jī)構(gòu)尺寸的精確性，為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)制作奠定了良好的基礎(chǔ)（該成果已獲得實(shí)用新型專利授權(quán)）。每一個(gè)作品的后期制作，都是考驗(yàn)學(xué)生團(tuán)隊(duì)能否團(tuán)結(jié)協(xié)作、有無鍥而不舍精神的關(guān)口。內(nèi)行都知道，設(shè)計(jì)工作量為一，那么制造工作量就為十，這表明，后天的制作量是十分大的。學(xué)生們頂著酷暑紛紛自己動(dòng)手，有的到廢舊市場尋找原材料，有的到工廠進(jìn)行加工、組裝、調(diào)試，反復(fù)修改，以求制造操作上易于實(shí)現(xiàn)。這真正體現(xiàn)了“做中學(xué)、學(xué)中做”相互結(jié)合、相得益彰。在以往單純理論教學(xué)中，學(xué)生只是知識(shí)的接受者，而不是知識(shí)的主動(dòng)索取者，學(xué)習(xí)沒有明確目的，知識(shí)—教師—學(xué)生是一種直線單向式關(guān)系。而在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的實(shí)施過程中，圍繞課題的實(shí)踐，學(xué)生獲取知識(shí)的欲望被激發(fā)，學(xué)生能夠有目的地自學(xué)或在教師的指導(dǎo)下用知識(shí)解決實(shí)際問題，學(xué)生真正懂得了“學(xué)”與“用”的關(guān)系。同樣教師通過實(shí)際課題的錘煉增長了工程實(shí)踐能力，因此這是一種互動(dòng)的三角雙向式關(guān)系。

三、CDIO理念的運(yùn)用

2008年初我們?cè)跍?zhǔn)備第四屆首都高校機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽時(shí)，已經(jīng)在CDIO的實(shí)踐中嘗到了甜頭，已經(jīng)真正能將CDIO應(yīng)用于大賽的規(guī)劃和組織。在這一過程中我們更加強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品生命周期開發(fā)和使用作為知識(shí)和能力培養(yǎng)的載體及環(huán)境，更加強(qiáng)調(diào)的是知識(shí)和能力之間的關(guān)聯(lián)，而不是具體內(nèi)容。因此依據(jù)此次大賽的主題“綠色與環(huán)境”———“環(huán)境機(jī)械、環(huán)保機(jī)械和廚衛(wèi)機(jī)械”，我們首先在校內(nèi)成立大學(xué)生課外科技活動(dòng)小組（URT小組），以項(xiàng)目的形式為組織、以多年級(jí)多學(xué)科共同合作為要求、以運(yùn)用知識(shí)解決問題為目標(biāo)來實(shí)施產(chǎn)品全生命周期的工程實(shí)踐，通過讓參與的學(xué)生明白他們?cè)跇?gòu)建的并非其特定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模式，“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-操作”這四個(gè)詞可表達(dá)更廣泛的工程師行為，不論是網(wǎng)絡(luò)工程師、機(jī)械工程師、建筑工程師或生產(chǎn)工程師，都要遵循。此次大賽的組織更加開放，多個(gè)URT小組都是學(xué)生自行管理和實(shí)施。組長安排討論構(gòu)思、組長分配任務(wù)，對(duì)于不懂或需用到的知識(shí)，組長聽從教師的建議，分別安排同組學(xué)生選修相關(guān)課程或向教師請(qǐng)教。實(shí)際上，在有限的學(xué)制中，任何工程教育專業(yè)都不可能將今后工作中所需的知識(shí)完全教給學(xué)生，而只能按照項(xiàng)目訓(xùn)練的方式組織知識(shí)，教給學(xué)生在“做中學(xué)”，在基于項(xiàng)目的反復(fù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練中，獲得能力，提高工程素質(zhì)。學(xué)生在此實(shí)踐訓(xùn)練過程中學(xué)到知識(shí)，但更重要的是獲得自學(xué)能力、解決問題能力和創(chuàng)新能力，進(jìn)而提高其走入社會(huì)的自信心，這才是他們終身取之不盡用之不竭的寶貴財(cái)富。第四屆首都高校機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)制作完成了戶外折疊式玻璃清潔器、節(jié)能型高壓汽霧清潔車、超聲節(jié)水洗碗機(jī)和手動(dòng)式戶外清潔車等六件作品，項(xiàng)目執(zhí)行過程中各小組多名學(xué)生有計(jì)劃選修了機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)、PRO/E三維設(shè)計(jì)、產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)踐等具有創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念和介紹先進(jìn)設(shè)計(jì)工具手段的課程。所有設(shè)計(jì)開發(fā)制作的產(chǎn)品更注重學(xué)科上的綜合性，學(xué)生的不少作品充分融合了機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、材料等多學(xué)科知識(shí)。參加制作的學(xué)生來自不同的院系與專業(yè)，各人根據(jù)自己的專業(yè)與特長，分工合作，彼此協(xié)調(diào)，體現(xiàn)了良好的團(tuán)隊(duì)精神。2010年、2012年、2014年我們又先后組織學(xué)生參加了第五屆、第六屆、第七屆首都高校機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽。假設(shè)前幾屆參加的學(xué)生只是學(xué)生群體當(dāng)中學(xué)有余力、主動(dòng)性強(qiáng)、成績優(yōu)秀的佼佼者，從2010年起我們把參加大賽作為學(xué)生評(píng)定機(jī)械設(shè)計(jì)課程成績、機(jī)械課程設(shè)計(jì)課程成績的一項(xiàng)必要內(nèi)容，學(xué)生的成績一部分參考學(xué)生在參加大賽中的表現(xiàn)，逐漸摒棄了那種一次期末考試成績確定學(xué)生課程結(jié)業(yè)成績的做法，而且獲得一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)的學(xué)生還可以申報(bào)創(chuàng)新學(xué)分。這一系列措施極大激發(fā)了學(xué)生參加大賽的積極性和主動(dòng)性，尤其是那些平時(shí)愛玩、學(xué)習(xí)成績不理想、自信心不足的學(xué)生，他們覺得這種學(xué)習(xí)、動(dòng)手、實(shí)踐不再枯燥，還可以依據(jù)自己興趣，在“玩中學(xué)、做中學(xué)”。2010-2014年參加大賽的學(xué)生逐年增加，在校內(nèi)形成了品牌、形成了傳統(tǒng)，學(xué)生們都知道，一、二年級(jí)都要到學(xué)姐、學(xué)哥的大賽項(xiàng)目小組“打打醬油”、學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)，三、四年級(jí)就要成為主力隊(duì)員，用產(chǎn)品說話了。通過機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的組織和實(shí)施，不但培養(yǎng)鍛煉了一批具有自學(xué)與組織能力、勇于實(shí)踐善于創(chuàng)新、樂于動(dòng)手與協(xié)作的工程技術(shù)人才，而且加強(qiáng)了教師的CDIO技能，使學(xué)生在真正學(xué)到鍛煉工程技能的同時(shí)，教師在此過程中也彌補(bǔ)了工程經(jīng)驗(yàn)不足的缺憾，為將來的實(shí)踐教學(xué)打下了基礎(chǔ)。正如總理曾經(jīng)講過“做中學(xué)才是真正的學(xué)，做中教才是真正的教”。“問渠哪得清如許？為有源頭活水來。”創(chuàng)新之水來自實(shí)踐之源。作為新時(shí)期的教育工作者，我們只有不斷為學(xué)生提供實(shí)踐之源，我們的學(xué)生才能成為社會(huì)需要之材，才能成為國家興旺之材。

作者:蔡曉君 劉湘晨 竇艷濤 單位:北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

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