基于CDIO与工程教育认证融合的汽车构造教学改革
付 强，蔡明秀，丁国辉，孔宪俊，程勉宏，荣 刚，王文竹
基于CDIO与工程教育认证融合的汽车构造教学改革
付 强，蔡明秀，丁国辉，孔宪俊，程勉宏，荣 刚，王文竹
（沈阳航空航天大学 机电工程学院，辽宁 沈阳 110136）
针对汽车构造传统教学计划中存在的问题，以构思、设计、实现和运作（CDIO）为教学手段有效结合工程教育认证体系核心内容，重新制定了CDIO的教学目标、对应毕业要求关联矩阵、工程教育达成度评价体系和CDIO的课程设计改进措施。采用CDIO工程教育的教学方法，加大产品设计问题和讨论内容，以达到认证各项毕业要求指标。经过汽车构造教学改革实践，教学目标达成度和解决工程问题能力得到显著提高，验证了CDIO教学理念和方法能够保证工程教育认证的核心要求。
汽车构造；
CDIO课程设计；
工程教育认证；
教学改革
构思、设计、实现和运作（Conception, Design, Implementation and Operation, CDIO）与工程教育认证契合点皆是以学生为中心，立足工程教育培养工程应用能力。将CDIO的教学理念和手段有效应用于工程教育认证的教育体系，达到课程大纲修订的材料表征与课程教学内容和过程实践相统一[1]。工程教育认证是近些年国际互认的本科工程专业多国多校协议，该协议能实现各国不同高校在相同领域和专业学位的通用性、对比性及标准性，在国际工程师专业高校学位互认领域是最权威的一种协议[2]。近期，普通高校在专业认证环节中，存在工程教育仅在教学大纲和教学日历等材料里体现，而缺乏以学生为中心，实现攻克复杂工程问题的具体实施手段和保证工程顺利实施的措施[3]。以产品研发到产品运行的生命周期为载体，以学生为教学设计中心的CDIO就是解决这一问题的教学实施手段。CDIO的工程教育教学理念认为，课程教学过程中让学生以主动积极的实践、课程讨论及教师引导和课内总结有机联系的方式学习工程产品设计。CDIO的工程教育理念是将实际工程实践项目产品融入构造类课程的教学和实践过程中，强化学生对机构系统基础结构知识的领悟和认知，激发专业本科生学习的主动性和积极性，这些要求都与工程教育认证核心标准一致。因此，研究二者融合对工科结构类课程实施教学的影响，有利于达到培养国际工程师解决复杂工程问题的目的。
汽车构造是车辆工程专业的重要专业基础课，在以往传统的教学计划中主要存在以下问题：教学大纲中教学目标不清晰，缺乏解决复杂工程问题的教学目标；
制订的教学日历中理论教学与实践教学内容相互独立，使学生在实验内容学习过程中出现与理论知识相脱节的问题[4]；
学生对于构造类课程主动参与度不高，故不能充分实施真正以学生为中心设计教学过程，教师主动讲解很难吸引学生的注意力，且不能有效激发学生主动学习兴趣和创新设计潜能；
课程理论基础知识考核手段单一缺乏综合评判学生掌握水平的真实性，传统理论考试使学生更加重视课程理论知识认知，而轻视和缺失了培养解决实际应用、复杂问题的能力[5]；
持续改进方法并没有体现逐步培养工程应用型人才趋势等。针对这些问题，根据工程教育认证的相关要求融入CDIO工程教育方法和策略，对汽车构造课程教学计划进行教学改革，力图提高学生的工程实践能力并培养出具有创新设计意识的汽车工程专业技术人才。
工程教育认证的核心理念在工程问题分析、产品设计研发解决方案、社会环境和环境可持续发展等毕业要求中多次提到针对车辆工程领域内的复杂问题进行分析并设计解决方案。为达到这一毕业工程要求，融合CDIO的工程教育理念重新制定教学目标，CDIO正是以产品设计为主教学思路培养解决复杂工程设计问题能力，以实现COIO教学思路与工程教育认证有机契合。新制定的教学目标以系统化的CDIO工程项目产品为主导，使讨论式理论教学和交流与实验实操考核紧密结合，并将专业知识、学生专业个人能力和素质融入CDIO工程教育课程体系。根据个人能力（包括技术知识、人际交往等）在企业和社会环境下实施CDIO教学，明确课程目标对毕业要求的支撑关系[6]。依据CDIO的教学手段和目标要求重新修订的汽车构造教学目标依次包括：1）认识汽车的分类、发展历史和新技术，提高本科学生汽车结构组成认知能力，增强其专业设计技术知识和分析结构能力。2）认识汽车四大组成基本结构和工作过程，掌握汽车各系统总成和主要零部件的结构组成、主要功用、工作原理和系统性能技术特点。3）认识汽车各系统和各主要零部件之间的有机逻辑联系，明确动力系统产生和传递路线，了解动力系统和传动系统的动力传递路线和过程；
了解汽车的制造新工艺、各领域新技术，并以产品设计为目的培养学生专业能力。4）掌握前期的基础理论知识，提高汽车构造的实践应用能力和人际交往能力，以及在企业及社会环境下具有一定的设计开发能力，以提高和专业有关的工作适应性，同时考虑实施过程、运行产品对社会的影响。5）有较好的实践技能和解决工程复杂问题的能力，提高学生实施和环保协调能力，同时具备一定的可持续运行创新意识。
依据车辆工程专业工程教育认证的核心理念明确本科生的培养目标，即车辆工程学生毕业时要达到的国际统一标准（相同专业）。车辆工程教研室教学团队针对车辆工程专业既往教学经验和实际情况确定了12个毕业基本要求和37个分解指标点，其中汽车构造是车辆工程专业本科生专业基础核心课程，也是后续理论和设计课程结构基础课程，共34个支撑毕业要求和4个分解指标点，其中两个高强度支撑3个、中强度支撑1个。汽车构造的CDIO教学目标所能支撑的车辆工程本科生毕业要求和指标点如表1所示。
表1 汽车构造支撑的指标点
毕业要求指标点教学目标 内容强度支撑 问题分析能够运用数学、自然科学和车辆工程专业的基本原理，识别和判断复杂车辆工程的关键问题H1、2 设计/开发解决方案掌握车辆产品开发全周期、全流程的基本设计或开发方法和技术，了解影响设计目标和技术方案的各种因素H2、3 工程与社会能够分析和评价车辆设计、制造等实践过程对社会、健康、安全、法律和文化的影响以及这些制约因素对项目实施的影响，并理解工程技术人员应承担的责任H3、4 环境和可持续发展能够站在环境保护和可持续发展的角度思考专业工程实践的可持续性，评价产品周期中可能对人类和环境造成的损害和隐患M4、5
注：H、M分别表示高强度支撑和低强度支撑。
依据CDIO要求对汽车构造课程内容进行分析和选取，研判各系统各章节是否符合项目产品理实讨论课堂的应用。选择汽车构造典型设计系统为项目产品目标，以产品开发为先导调动学生学习积极性和设计参与度。为凸显汽车构造解决复杂问题能力的培养倾向，选取汽车实验室作为CDIO现场教学场地，使理论教学与实践认识及实践考核有机融合。课前提出产品设计构想和设计具体要求及问题，学生针对工程产品提出设计结构方案并回答提出的问题，开展CDIO讨论和交流，之后理论教师总结和讲解补充，即自主创新理实讨论式学习模式。理论教室在汽车构造随堂开展多样化的研究性教学案例、试运行理论实验一体化模式，同时实验教师开展实验实操多样化的考核，让学生以小组为单位进行讨论，教师结合知识点，设置实践动手环节。强调“以学生为中心”“以系统为对象”“以产品为目标”，增加实物教学时间，并在教师指导下通过产品设计方案讨论、教学设备提高学生发现问题和解决工程复杂问题的能力，达到工程专业认证内涵要求。
CDIO现场理实教学课堂产品设计讨论时间比例为30％、现场教学课堂中实物教学时间比例为50％左右、现场实践操作考核教学实践为20%左右，加大平时和实验实操所占比例才能重点突出CDIO理念的理实现场教学优势和特点。
以往传统汽车构造课程考核的三个方面各自占比依次为期末理论笔试期末成绩（70％）、平时考核成绩（20%）、实验成绩（10%），这种比例直接导致学生非常注重理论知识记忆和原理背诵，而忽视专业解决实际工程问题能力的培养，具体表现为学生只会背诵讲解构造组成，而对逻辑关系和设计理论一无所知。因此，CDIO工程教育侧重对汽车项目产品设计运行与平时设计应用能力的考核，增加课内随堂考核问题和实验实操考核所占比重（理实教学笔试成绩占总成绩的50％、平时考核成绩占总成绩的30%、实验与实操成绩占总成绩的20%），以提高学生对课前产品设计、课堂讨论学习及实践操作能力重视程度。实践CDIO的教学内容侧重实践实操考核过程，强化学生对产品设计研发能力，经过一个学期的教学过程实践，统计分析车辆专业1801—1803三个班级本科生汽车构造笔试、平时考核、实验与实操各项分数。依据工程教育认证课程达成度计算教学目标达成度，以评判CDIO与工程认证融合教学目标程度，即
汽车构造笔试试卷包括四种题型合计100分，根据优化考核构造内容分为发动机系统、传动与行驶系统、转向系统和制动系统，并将其作为四个平时考核指标（每个平时考核为百分制，各系统各占25%，按占比计算合计100分），实验和实操考核100分[8]，考核内容、各项得分及支撑的教学目标的对应关系如表2所示。例如计算教学目标1，将全部对应支撑教学目标1的理论得分和平均得分代入式（1）内计算出教学目标1的达成度，以此类推计算出教学目标2—教学目标5的达成度。
表2 考核内容与教学目标对应关系
理论得分平均得分支撑的教学目标 笔试（50%）一题3519.301、2 二题107.612、3 三题2010.803、4 四题3516.104、5 卷面成绩10053.81 平时考核（30%）考核110093.701、2 考核210092.702、3 考核310092.603－5 考核410092.804、5 平时总成绩10092.97 实验和实操（20%）10081.901－5 总评成绩10064.45
为了更直观地了解每个教学目标对应的理论指标总分，计算指标平均分差距和达成度波动变化情况，课程目标达成度结果如图1所示。指标总分与指标平均分差值越大说明学生得分越低，达成度降低。反之，差值越小说明学生掌握知识牢固得分高，达成度也升高，同时也可以反映5个教学目标达成度的波动变化情况，波动越小说明全部教学目标的考核内容支撑度均衡，得分率均匀；
如某个达成度波动大，表示该教学目标的考核内容支撑过度，得分率过高或者过低。
图1 课程目标达成度结果
CDIO工程教育强调运行与实现、设计产品和课前问题是依据上一轮达成度数值进行修改，以达到持续改进的目的。因此，在教学过程中引入不同设计案例，将汽车市场中一些先进汽车技术的结构与原理和当今汽车结构讨论的热点问题作为案例与学生进行讨论，以提高学生在学习过程中的兴趣和积极性[9]，同时提高学生对构造知识的了解与解决实际工程复杂问题的能力[10]。每一轮次教学后持续改进也是工程教育认证的核心要求之一，分析车辆19级本科生汽车构造课程的达成度计算结果报告，针对CDIO设计提出以下几点改进意见：
1）针对教学目标1达成度较前一轮次值略低的情况，设计新的CDIO产品问题，增加汽车分类和系统组成分类题目，以提高学生对汽车结构基础知识掌握程度。
2）加强引导学生养成良好的看书学习和回答课前问题的习惯，围绕产品设计等重点内容复习，注重平时考核和实验及实操考核。
3）继续加强教学过程与实验实操内容紧密结合，多提供实物教学设备，如：展示更多零件的三维模型，同时增加平时考核次数至8～10次。
CDIO课前产品问题信息于课前2日发布于教学一体化平台（雨课堂和超星数字化教学平台），学生以小组为单位分工合作对系统产品做出设计和回答问题，课堂上在教师的引导下展开对系统结构和功用的讨论，把设计产品与解决工程问题有机结合在构造教学的过程中，符合工程教育认证的核心要求。经过一年的汽车构造CDIO的教学改革实践，5个教学目标达成度普遍得到提高，本轮与上一轮次教学目标达成度对比如表3所示。
表3 教学目标达成度对比
教学类型教学目标1教学目标2教学目标3教学目标4教学目标5 上一轮教学0.810.720.820.730.78 本轮教学0.800.840.850.790.82
CDIO工程教育的引入为专业工程教育认证提供了强有力的教学手段支撑，有效地解决了工程教育认证体系实施保证问题，本文通过CDIO与工程教育认证有效结合对教学目标进行修订，将CDIO工程教育的教学手段融入工程认证体系之中。汽车构造的教学改革实施一年后，学生笔试成绩和总成绩都得到了提升，教学目标的达成度明显升高。通过CDIO的产品设计与运行及实施，同时加大平时考核的强度和次数，实践教学证明这种融合有效提高了学生解决工程复杂问题的能力和团队协作意识，契合了工程教育认证的核心要求，为培养国际工程师提供了CDIO的理论与实践的教学途径。
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Teaching Reform of Automobile Structure Based on the Integration of CDIO and Engineering Education Certification
FU Qiang, CAI Mingxiu, DING Guohui, KONG Xianjun, CHENG Mianhong,RONG Gang, WANG Wenzhu
( School of Mechatronics Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China )
Aiming at the problems existing in the traditional teaching plan of automobile structure,takes conception, design, implementation and operation (CDIO) as the teaching method and effectivelycombinescontent of engineering education certification system,and formulate the CDIO teaching objectives,corresponding graduation requirements correlation matrix, engineering educationevaluation system,and re-establishes CDIO curriculum design improvement measures.The teaching method of CDIO engineering education is adopted to increase the content of product design questions and discussions, so as to achieve the graduation requirements of certification. Through the practice of automobile structure teaching reform, the teaching objectives and the ability to solve engineering problems have been significantly improved, which verifies that CDIO teaching ideas and methods can meet the core requirements of engineering education certification.
Automobile structure; CDIO curriculum design; Egineering education certification; Teaching reform
G420
B
1671-7988(2023)12-176-05
付强（1976－），男，硕士，副教授，研究方向为汽车防滑控制技术，E-mail:fuqiang@sau.edu.cn。
沈阳航空航天大学本科教学改革研究项目（JG2022069）。
10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.033
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