石文昭

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院機電工程系

CDIO模式在《電機與拖動》課程教學(xué)中的研究和應(yīng)用

石文昭

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院機電工程系

本文針對電機與拖動課程教學(xué)中存在的一些問題，提出了基于CDIO人才培養(yǎng)模式下的課程改革與創(chuàng)新。理論部分采用課堂講解、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和微課等多種方法相結(jié)合的教學(xué)方式；實踐部分主要運用CDIO模式，讓學(xué)生了解工程項目的概念，充分掌握一個項目從構(gòu)思、設(shè)計、實施到運行的整個過程。此外對期末成績給出了一種更為客觀合理的評價方式，最后總結(jié)了該模式下的教學(xué)效果。

電機與拖動；CDIO；改革創(chuàng)新

1 前言

CDIO倡導(dǎo)“基于項目教育和學(xué)習(xí)”的新型教學(xué)模式，是近年來國際工程教育改革的最新研究成果，它可分為構(gòu)思(con?ceive)、設(shè)計(design)、實現(xiàn)(implement)和運作(operate)4 個階段[1-2]。CDIO作為一種全新的工程教育理念，包括以下具體內(nèi)容：注重培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實的工程基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，自我構(gòu)建知識體系，并在此基礎(chǔ)上通過人才培養(yǎng)過程的團隊設(shè)計和創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，培養(yǎng)既有過硬的專業(yè)技能，又有良好職業(yè)道德的工程師[3]。

《電機與拖動》課程是電氣工程及其自動化、自動化等專業(yè)的一門理論性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課，同時也是一門多學(xué)科交叉的課程，涉及了電學(xué)、磁學(xué)、熱力學(xué)和動力學(xué)等學(xué)科。電機和電力拖動系統(tǒng)隨著科技的進步也有著日新月異的發(fā)展趨勢，并且為了響應(yīng)我國建立應(yīng)用型人才高等院校、培養(yǎng)應(yīng)用型人才的要求，“電機與拖動”課程的改革勢在必行。而這一點恰好和CDIO人才培養(yǎng)模式不謀而合。在“電機與拖動”課程的教學(xué)中，采用CDIO工程教育理念，結(jié)合我校的具體情況，利用學(xué)校的實驗室和校企合作的平臺，培養(yǎng)學(xué)生對一個項目構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作的能力，以及創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力。

2 電機與拖動課程概述

（1）“電機與拖動”課程在專業(yè)培養(yǎng)計劃中的作用

“電機與拖動”是電氣、自動化專業(yè)的一門很重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個學(xué)科中起承上啟下的作用。本課程是“電路”“模電”等課程的后續(xù)課程，也是“工廠供電”、“電力系統(tǒng)分析”和“電氣控制系統(tǒng)”等課程的先導(dǎo)課程，并為以后的設(shè)計大賽、畢業(yè)設(shè)計以及日后的工作儲備一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)基本的設(shè)計技能和分析問題的方法。

（2）“電機與拖動”課程的目的

“電機與拖動”實際包括兩部分內(nèi)容，一部分是電機，一部分是拖動系統(tǒng)，除了理論課程，還有實踐課程。實踐課的性質(zhì)多樣，分為基礎(chǔ)型實驗，設(shè)計型實驗、綜合型實驗和創(chuàng)新型實驗，考察的是學(xué)生對理論課內(nèi)容的理解程度和如何將理論知識應(yīng)用于實踐的綜合能力。

2.1 對專業(yè)知識和技能的要求

①掌握各種電機的結(jié)構(gòu)和基本工作原理；②熟悉電機的各項參數(shù)和選擇原則；③掌握基本的電機故障處理和維修方法；④掌握拖動控制系統(tǒng)的工作原理和特性；⑤培養(yǎng)學(xué)生的運算能力；⑥了解電機和電力拖動各部分的發(fā)展趨勢；⑦通過實踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生更深層次的掌握專業(yè)知識，增強動手能力。

2.2 對素質(zhì)的教學(xué)目標(biāo)

①培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力；②培養(yǎng)學(xué)生的思維方式、分析和解決問題的能力；③培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)到的“電機與拖動”相關(guān)專業(yè)知識解決實際問題的能力。④培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和團隊合作能力。

3 CDIO模式下的電機與拖動課程教學(xué)改革

結(jié)合對CDIO教學(xué)理念的理解和本人的能力，以及學(xué)生的具體情況，教學(xué)改革將從以下幾方面著手。

（1）基于CDIO模式下的教學(xué)體系

現(xiàn)行的大學(xué)人才培養(yǎng)目標(biāo)是“培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才”，在就業(yè)壓力加大的背景下，我們應(yīng)當(dāng)把改革的重點放在改革學(xué)科結(jié)構(gòu)，打破傳統(tǒng)的學(xué)科性課程結(jié)構(gòu)，建立以“工作任務(wù)為中心”、“以項目為載體”的課程結(jié)構(gòu)[4]。

“電機與拖動”課程中的很多概念都很抽象，電機中的磁場看不到摸不著，需要推導(dǎo)的公式多，所以學(xué)生會感覺很吃力，而且不會完整的分析問題，不會利用所學(xué)知識解決問題。在教學(xué)體系的改革中，應(yīng)用“學(xué)做合一”的方式，建立幾個實踐項目作為核心，可充分串接所有關(guān)聯(lián)的知識點和技能，學(xué)生邊學(xué)邊做，邊做邊學(xué)，這樣學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了提高，也培養(yǎng)了學(xué)生的各種能力。

CDIO模式以學(xué)生為中心，一個班的理論課、實踐課都由同一個老師擔(dān)任，以此實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的有機統(tǒng)一。教師在授課過程中將實踐項目引入課堂教學(xué)中，并且在學(xué)生獨立完成實踐項目的過程中，讓學(xué)生逐漸理解和掌握CDIO模式四個環(huán)節(jié)的整個流程，符合CDIO理念。

（2）教學(xué)內(nèi)容的改革

“電機與拖動”是一門多學(xué)科交叉的課程，很多概念抽象復(fù)雜，學(xué)生要理解這些基礎(chǔ)知識需要大量的理論教學(xué)時間；并且由于部分學(xué)生關(guān)于這些先導(dǎo)課程的底子較差，因此必要的時候還需要在課堂上對這些內(nèi)容加以復(fù)習(xí)，這樣上課的進度就會滯后于授課計劃，以至于到期末計劃的內(nèi)容還沒有講完。然而，近幾年工科的大多數(shù)專業(yè)課的課時量都被大大壓縮，我校也不例外，目前縮到48個課時，40個理論，8個實驗，一周的課程設(shè)計。因此，必需合理的選擇該課程的重點內(nèi)容。

學(xué)生學(xué)習(xí)“電機與拖動”這門課程，電機的結(jié)構(gòu)和原理部分只是基礎(chǔ)，夠用即可，它是為拖動部分做鋪墊的。因此，可將課程的重心放在電動機及其電力拖動部分上面。同時考慮到某些內(nèi)容因?qū)W生理解困難且實際應(yīng)用很少的原因，將其舍棄，例如直流電機的換向分析；關(guān)于電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的公式推導(dǎo)、電樞反應(yīng)及交流電機內(nèi)部磁場的分析等內(nèi)容，只需了解思路記住結(jié)論即可，這樣可以降低教學(xué)難度，學(xué)生也容易接受，有利于將更多精力集中到后面的實踐項目中，達到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

此外，有必要拓寬學(xué)生知識面，對一些近年來出現(xiàn)的新型電機，比如永磁同步電機、永磁無刷直流電動機、開關(guān)磁阻電動機和直線電機等內(nèi)容進行補充[5]。

對舍棄和壓縮的內(nèi)容，可以加入到后面的實踐項目中，例如電樞繞組的繞制方法等，以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力和動手能力。

（3）基于CDIO模式的教學(xué)方法

3.1 理論課教學(xué)方法的改革

CDIO模式提倡“以項目為載體”進行教學(xué)，但考慮到本校學(xué)生的實際情況，本人還是建議保留一部分理論課時，來幫助學(xué)生更好的理解知識點。

多媒體+板書+視頻是“電機與拖動”課程最基礎(chǔ)最有效的授課方式。尤其是視頻，對學(xué)生來說是更直觀理解的方式，比如電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，一目了然。

由于本課程課時量少，但是授課任務(wù)重，為了緩解這一矛盾，同時為了使那些學(xué)有余力的學(xué)生有更好的學(xué)習(xí)機會和平臺，授課時間可以不局限于課堂，可延伸至課外，建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，在此平臺上發(fā)布學(xué)習(xí)視頻、習(xí)題解答，也可在線答疑、討論，實現(xiàn)良好的課后互動和交流。

微課是近幾年說的比較多的一種多媒體技術(shù)授課方式，它要求創(chuàng)作者對一個小的知識點進行針對性的講解，可以是音頻或者視頻，并且時間控制在幾分鐘之內(nèi)。這也是一種效果顯著的授課方式，對于學(xué)生難以理解的知識點，或者進行例題講解、考點歸納等，都可以做相關(guān)的微課，作為對課堂教學(xué)的有效補充。

3.2 實踐課教學(xué)方法的改革

“電機與拖動”課程是一門實踐性很強的課程，并且很多高等院校都以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，所以培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力顯得尤為重要。實踐環(huán)節(jié)不僅可以使學(xué)生更深刻的理解知識，還能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和操作技能，讓學(xué)生在整個過程中理解并掌握CDIO模式下構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作的所有環(huán)節(jié)。

（1）學(xué)以致用是學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)，因此應(yīng)當(dāng)增加實踐環(huán)節(jié)的課時量，使學(xué)生在實踐項目中投入更多的時間和精力，并且提高實踐成績在總成績中的比重，讓學(xué)生意識到實踐課的重要性。

（2）加強校企合作。這種模式既能充分發(fā)揮企業(yè)和學(xué)校各自的優(yōu)勢，又能在培養(yǎng)社會及市場所需的專業(yè)人才方面起到推波助瀾的作用，是一種很好的雙贏模式。教學(xué)同生產(chǎn)的結(jié)合，實現(xiàn)了學(xué)校和企業(yè)的資源互用、優(yōu)勢互補、利益共享。

在學(xué)期初，提前與和學(xué)校合作的電機企業(yè)或廠家協(xié)商好時間，帶領(lǐng)學(xué)生對比較老式的電機進行參觀認知實習(xí)，目的是讓學(xué)生在電機和電力拖動方面有一定的感性認識，面對真實的機械，學(xué)生會由于好奇而激發(fā)興趣，進而會思考一系列的問題，帶著問題上理論課，學(xué)生就會集中注意力，盡力找到問題的答案，這樣可以達到事半功倍的教學(xué)效果。

在學(xué)期末，帶領(lǐng)學(xué)生進行第二次認知實習(xí)，目的是參觀該企業(yè)近幾年生產(chǎn)的比較先進的機械設(shè)備，并了解關(guān)于電機與拖動相關(guān)的前沿技術(shù)趨勢。由于一個學(xué)期的學(xué)習(xí)，學(xué)生們已經(jīng)具備了基礎(chǔ)的理論知識，因此對于比較先進的設(shè)備，會有更深刻全面的認識。

（3）在實踐項目中運用CDIO理念培養(yǎng)學(xué)生的能力

實踐部分主要是考察學(xué)生綜合應(yīng)用理論知識分析問題并解決問題的能力、自學(xué)能力、動手操作能力和團隊合作能力等，因此實踐項目中盡量減少驗證型的實驗，多為設(shè)計型、綜合型和創(chuàng)新型實驗。

在理論教學(xué)中，先深入講解基礎(chǔ)知識，待一個模塊講解完畢，緊接著就給學(xué)生布置相關(guān)的實踐項目，在實踐中進行思考、設(shè)計、討論、仿真、實物操作，以此鞏固理論知識，做到理論與實際的合二為一。

①構(gòu)思能力的培養(yǎng)

教師按照課程進度制定對應(yīng)的實踐項目任務(wù)書，學(xué)生每3人分一組，先對所選題目進行獨立的思考和分析，然后是集體討論，每人對自己的構(gòu)思和想法做出闡述，當(dāng)學(xué)生們有不用的想法時，會在別的同學(xué)的思路幫助下對自己的構(gòu)思做進一步的修正和補充；同時教師會對學(xué)生們的構(gòu)思給予一定的建議進行完善，最后每組制定出自己的方案。

②設(shè)計能力的培養(yǎng)

明確了實踐項目的方案以后，便展開一系列的設(shè)計工作。有些項目先可以利用MATLAB軟件通過仿真的方式來實現(xiàn)設(shè)計思路。利用仿真設(shè)計，能夠使學(xué)生對實踐項目的工作原理掌握的更加深入，也能提高學(xué)生們熟練使用MATLAB軟件的能力。

③實現(xiàn)能力的培養(yǎng)

實現(xiàn)能力階段即手動操作階段，也即將構(gòu)思設(shè)計的結(jié)果付諸實踐的過程。這就需要將學(xué)校的實驗室設(shè)置為開放式的平臺，學(xué)生可以隨時申請使用，并且學(xué)校需要為學(xué)生提供比較全面的實踐材料。例如有關(guān)電機的實踐項目中，需要學(xué)生自己繞制電樞繞組；也可以將智能小車項目引入到電機與拖動的實踐項目中來，通過對電動機及其調(diào)速方法的選擇、控制電路的設(shè)計、制作及調(diào)試等方面的研究，讓學(xué)生在制作智能小車的整個過程中更好的理解電動機的工作原理和結(jié)構(gòu)，以及不同調(diào)速方法的特點。

④運作能力的培養(yǎng)

在實踐項目的整個運作工程中，每個小組成員各司其職，分工不同但又彼此合作，最終寫出一份完整的實踐報告，設(shè)計出一個比較滿意的作品。但是由于小組成員研究環(huán)節(jié)不同，所以報告必須有差異。這一部分就考察了學(xué)生的團隊合作能力和動手能力，意義重大。

（4）CDIO模式下的課程考核標(biāo)準

將期末成績中實踐項目的成績比重加大為40%，理論課考勤、課堂表現(xiàn)和作業(yè)情況（即平時成績）占20%，卷面成績40%。其中實踐成績采用“教師對學(xué)生的實踐過程參與程度評分+小組成員互評+設(shè)計報告完整性評分+答辯表現(xiàn)評分”的考核方法。本著以評價學(xué)習(xí)過程的思想為主，這樣的考核結(jié)果更客觀、更合理。

4 結(jié)束語

在本?！半姍C與拖動”課程按上述方式大規(guī)模的改革之前，本人對本校14級電氣專業(yè)的2班進行了試運作，學(xué)生們普遍反映基于CDIO的教學(xué)模式更能激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效率也有很大程度的提高，相比較別的班級取得了較為滿意的成績。計劃以后對更多的班級應(yīng)用這種模式，既培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、專業(yè)技能、創(chuàng)新能力、溝通能力和團隊精神，也為以后在職業(yè)生涯中做一名應(yīng)用型的人才打下了結(jié)實的基礎(chǔ)。

[1]韓雁,馮興杰,梁志星等.CDIO工程教育模式下的教學(xué)效果分析[J].中國民航大學(xué)學(xué)報,2012,30(4):40～43.

[2]劉志雄.基于CDIO的實踐類課程教學(xué)改革研究[J].長沙大學(xué)學(xué)報,2014,28(4):156～157.

[3]張慧平,戴波,劉娜等.基于CDIO教育理念的自動化課程的改革與實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2009,31(s2):138～141.

[4]顧佩華,包能勝,康全禮,等.CDIO在中國(上)[J].高等工程教育研究,2013(3).

[5]歷虹,張巧杰,祁鯤.以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的“電機與拖動”教學(xué)改革研究[J].中國電力教育,2010,155(4):57～59.

石文昭，1989年8月生，女，漢族，山西忻州人，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，助教，工學(xué)碩士，研究方向為控制科學(xué)與工程。