CDIO工程实践场所的设计与实现

1、cdio工程实践场所的设计与实现工程实践场所的设计与实现汕头大学工学院汕头大学工学院什么是设计什么是设计-实现实现n设计设计- -实现的经验可让学生对实际的产品、过程、系统或一些合实现的经验可让学生对实际的产品、过程、系统或一些合理的替代品进行设计、实施理的替代品进行设计、实施( (构建、书面表达、制造构建、书面表达、制造) )和测试。这和测试。这些经验有时也称为设计建造、设计建造测试、或是设计些经验有时也称为设计建造、设计建造测试、或是设计建造飞行。在软件设计方面，学生通常是先设计，然后再写代建造飞行。在软件设计方面，学生通常是先设计，然后再写代码。基于竞赛而设置的课程包含了设计建造竞赛的各

2、个方面，码。基于竞赛而设置的课程包含了设计建造竞赛的各个方面，与传统的基于与传统的基于“纸面纸面”的设计课程相比，本质上这种经验就是让的设计课程相比，本质上这种经验就是让学生实际建造自己的设计并检验其有效性。学生实际建造自己的设计并检验其有效性。n设计设计- -实现的经验就是让学生通过一个产品、过程或系统的开发实现的经验就是让学生通过一个产品、过程或系统的开发而进行学习的一系列活动。这一经验主要要求通过设计和设施，而进行学习的一系列活动。这一经验主要要求通过设计和设施，创造一个能让学生进行具体测试的条件。在这种条件下，学生可创造一个能让学生进行具体测试的条件。在这种条件下，学生可以检验产品、过

3、程或系统是否符合实际需求，然后明确可能改进以检验产品、过程或系统是否符合实际需求，然后明确可能改进的地方。的地方。项目设计项目设计-实现经验的重要性实现经验的重要性n设计设计- -实现的经验具有双重效果，可以培养学生的实现的经验具有双重效果，可以培养学生的个人、团队能个人、团队能力，以及产品、过程和系统的设计与实施能力力，以及产品、过程和系统的设计与实施能力，同时还能加强所，同时还能加强所学的学科知识；学的学科知识；n通过在课程计划中引入设计通过在课程计划中引入设计- -实现项目，可以加强对基础知识的实现项目，可以加强对基础知识的学习，并可为学生提供实际应用的机会；学习，并可为学生提供实际应用

4、的机会；n设计设计- -实现的经验包括主动学习和经验学习；主动学习方式让学实现的经验包括主动学习和经验学习；主动学习方式让学生掌握操作、应用以及对构思的评价，而经验学习则是让学生扮生掌握操作、应用以及对构思的评价，而经验学习则是让学生扮演在专业工程实践中的各种角色，从而获取经验；演在专业工程实践中的各种角色，从而获取经验；n能够激发学生的学习兴趣，由此吸引学生参加工程实践，并让学能够激发学生的学习兴趣，由此吸引学生参加工程实践，并让学生在进入工程专业学习的过程中，一直充满热情和兴趣。生在进入工程专业学习的过程中，一直充满热情和兴趣。产品项目开发周期与成本举例产品项目开发周期与成本举例stanl

5、ey toolsstanley tools螺丝刀螺丝刀rollerbladerollerblade旱冰刀鞋旱冰刀鞋惠普公司惠普公司deskjetdeskjet打印机打印机大众公司大众公司新甲壳虫汽车新甲壳虫汽车波音公司波音公司波音波音777777客机客机年生产量年生产量100 000100 000100 000100 0004 000 0004 000 000100 000100 0005050产品寿命产品寿命4040年年3 3年年2 2年年6 6年年3030年年销售价格销售价格$3$3$200$200$300$300$17000$17000$130 000 000$130 000 000独立

6、零件数量独立零件数量3 3353520020010 00010 000130 000130 000开发时间开发时间1 1年年2 2年年1.51.5年年3.53.5年年4.54.5年年内部开发团队内部开发团队（顶峰规模）（顶峰规模）3 3人人5 5人人100100人人800800人人6 8006 800人人外部开发团队外部开发团队（顶峰规模）（顶峰规模）3 3人人1010人人7575人人800800人人10 00010 000人人设计设计-实现经验的过程实现经验的过程 明确客户的需明确客户的需求，考虑技术、求，考虑技术、企业战略和制度，企业战略和制度，并不断改进概念、并不断改进概念、技术和商业方

7、面技术和商业方面的计划的计划 给出将要实现的给出将要实现的产产 品、过程和系品、过程和系统所需的各种计划、统所需的各种计划、图纸以及算法。图纸以及算法。 把设计转变为产把设计转变为产品的过程，其中包品的过程，其中包括硬件制造、软件括硬件制造、软件编程、测试、检查编程、测试、检查和验证。和验证。 把已实现的把已实现的产产 品、过程和品、过程和系统的价值表系统的价值表现出来，包括现出来，包括系统的维护、系统的维护、优化和淘汰。优化和淘汰。构思构思设计设计实现实现运行运行产品生命周期的核心产品生命周期的核心 在理想的情况下，学生应接触到有关实际操作的各个方面。但经验表明，这种做法很难在在理想的情况下

8、，学生应接触到有关实际操作的各个方面。但经验表明，这种做法很难在一个学术环境下做到面面俱到，因此，我们都应该把重点放在一个学术环境下做到面面俱到，因此，我们都应该把重点放在构思、设计和实施构思、设计和实施上，并把它上，并把它们作为学生所应该了解的产品生命周期的主要活动。们作为学生所应该了解的产品生命周期的主要活动。项目设计的实现标准项目设计的实现标准5设计设计实现的经验实现的经验n在课程计划中包括两个或更多的设计在课程计划中包括两个或更多的设计实现的经验，其中一个为初级的，实现的经验，其中一个为初级的，一个为高级的一个为高级的 。n初级：导论，以及初级：导论，以及1级项目的初级部分；级项目的初

9、级部分； 高级：毕业设计高级：毕业设计导论项目导论项目一级项目一级项目初级部分初级部分 高级设计：高级设计：毕业设计毕业设计一级项目一级项目初级部分初级部分1级项目级项目2、3级项目级项目2、3级项目级项目2、3级项目级项目2、3级项目级项目导论项目导论项目项目的性质与目标项目的性质与目标 n首先探讨工程师的职责，然后以一个首先探讨工程师的职责，然后以一个设计制作的竞赛过程为载体学习设计设计制作的竞赛过程为载体学习设计过程管理，会议组织、讨论探讨方法、过程管理，会议组织、讨论探讨方法、因果分析、决策方法、总结报告书写因果分析、决策方法、总结报告书写和口头表达能力。学完本课程后学生和口头表达能力

10、。学完本课程后学生应能：应能：n理解工程师的社会和历史责任与义务理解工程师的社会和历史责任与义务n初步了解设计过程管理初步了解设计过程管理n具备良好的团队合作精神具备良好的团队合作精神n能对较复杂的情况作出合理的判断能对较复杂的情况作出合理的判断n具备初步的口头和文字交流能力具备初步的口头和文字交流能力内内 容容n工程师的责任和义务工程师的责任和义务(roles & responsibilities of engineers)n确定设计主体确定设计主体(find the design opportunities)n制定计划制定计划(planning)n因果分析因果分析(cause &a

11、mp; effect analyses)n设计概念与目标的确定设计概念与目标的确定(concepts & objectives)n完成设计完成设计(design & prototyping)n运行总结运行总结(operation summary)n总结报告总结报告 (final report)n一级项目（一级项目（projectproject）第一阶段）第一阶段范例电子工程系范例电子工程系并并通过一个电子通信产品通过一个电子通信产品实例，由专业教师及工程实例，由专业教师及工程师，介绍电子产品的构成师，介绍电子产品的构成与设计，以及其与所学课与设计，以及其与所学课程的关系，使学生

12、理解我程的关系，使学生理解我们的课程设计是与产品项们的课程设计是与产品项目密切相关的，使学生一目密切相关的，使学生一开始就以一个工程师的角开始就以一个工程师的角度去面对即将开始的专业度去面对即将开始的专业课学习，并提前了解即将课学习，并提前了解即将所学课程与实际产品的关所学课程与实际产品的关系。系。全数字彩色多普勒超声诊断系统全数字彩色多普勒超声诊断系统 脉冲超声多普勒血流仪与课程关系电路分析，模拟电子技电路分析，模拟电子技术，电子测量，电磁兼术，电子测量，电磁兼容，数字数字电路容，数字数字电路电路分析，高频电电路分析，高频电子技术，数字电路子技术，数字电路电磁兼容电磁兼容基础科学，传感基础科

13、学，传感器与检测技术器与检测技术信号与系统、数信号与系统、数字信号处理、自字信号处理、自适应信号处理适应信号处理自动控制原理，计算自动控制原理，计算机控制技术，微型计机控制技术，微型计算机系统，单片机系算机系统，单片机系统，嵌入式系统统，嵌入式系统数字图像处数字图像处理，随机信理，随机信号处理号处理n一级项目（一级项目（projectproject）范例电子工程系范例电子工程系1级项目的第二阶段（产品的构思）级项目的第二阶段（产品的构思）n产品开发要遵循一定的过程程序产品开发要遵循一定的过程程序 规划规划 概念开发概念开发 系统级设计系统级设计 详细设计详细设计 测试与提炼测试与提炼 生产启动

14、生产启动 产品的维护、优化产品的维护、优化 产品淘汰产品淘汰项目的构思项目的构思项目的设计项目的设计项目的实现项目的实现项目的运行项目的运行规划的一般步骤规划的一般步骤n市场调研，确认市场机遇市场调研，确认市场机遇n项目评估和排序项目评估和排序n技术领先、成本领先、以客户为中心、模仿？技术领先、成本领先、以客户为中心、模仿？n分配资源、安排时间分配资源、安排时间n完成项目前期规划完成项目前期规划n任务书：指定产品的目标市场、商业目标、任务书：指定产品的目标市场、商业目标、关键性假设条件与约束关键性假设条件与约束概念开发概念开发n产品的形态、功能和特性的描述产品的形态、功能和特性的描述概念开发过

15、程概念开发过程1级项目的第三、四阶段（产品的设计）级项目的第三、四阶段（产品的设计）n将学生组成将学生组成10人左右的团队，教师人左右的团队，教师也组成指导团队，并由经验及责任心也组成指导团队，并由经验及责任心都较强的教师担任组长，在前期调研都较强的教师担任组长，在前期调研的基础上指导学生尝试构思并设计一的基础上指导学生尝试构思并设计一个较大产品。个较大产品。n由于学生还没有开始专业课的学习，由于学生还没有开始专业课的学习，所以该项目一开始主要注重于构思所以该项目一开始主要注重于构思（c）阶段，侧重于学生的框图及系）阶段，侧重于学生的框图及系统的蓝图设计能力的培养；统的蓝图设计能力的培养；n随

16、着专业课程的进展，再逐步加强随着专业课程的进展，再逐步加强在设计在设计(d)与实现与实现(i)方面的训练。在方面的训练。在不同的阶段，我们都要求学生在查阅不同的阶段，我们都要求学生在查阅大量文献、资料的基础上，通过团队大量文献、资料的基础上，通过团队内部的研讨、交流，并在导师的指导内部的研讨、交流，并在导师的指导下不断地完善构思与设计，并在不同下不断地完善构思与设计，并在不同的阶段接受质量评估，从而最终达到的阶段接受质量评估，从而最终达到要求。要求。确定项目个 人 方案设计实现的改进方 案 设计改进小组方案设计项目构思改进项目小组构思项 目 个人构思提交设计报告及总结部分项目实现 1级项目级项

17、目cornerstone的实现流程的实现流程 1级项目（级项目（project）范例土木工程系为例）范例土木工程系为例 1 1级团队设计项目第级团队设计项目第1 1阶段阶段汕头市破旧的老区汕头市破旧的老区乌桥乌桥1 1级团队设计项目第级团队设计项目第2 2阶段阶段1 1级团队设计项目第级团队设计项目第2 2阶段阶段学生团队进行探究式学习和工作，教学生团队进行探究式学习和工作，教师仅指导，促使学生完成一次师仅指导，促使学生完成一次cdio（构（构思设计评估改进）的全过程。思设计评估改进）的全过程。第一阶段为第一阶段为“cdi”阶段阶段:每个团每个团队对城市规划、交通规划和单体建筑队对城市规划、交

18、通规划和单体建筑（或桥梁）做总体构思、并完成设计；（或桥梁）做总体构思、并完成设计；然后参加三次全班的交流。每次交流各然后参加三次全班的交流。每次交流各团队展示其设计，然后评估和辩论，最团队展示其设计，然后评估和辩论，最后形成评价意见供该团队修改参考。后形成评价意见供该团队修改参考。第二阶段为第二阶段为“o”阶段：各团队修改设阶段：各团队修改设计后再进行一次交流，同学和老师们再计后再进行一次交流，同学和老师们再一次进行评价。如此强调评估成果的一次进行评价。如此强调评估成果的“o”过程，是为了使同学更深刻地认识到其过程，是为了使同学更深刻地认识到其重要性。我国当前设计水平不够高的主重要性。我国当

19、前设计水平不够高的主要原因之一就是因为要原因之一就是因为“o”环节薄弱。环节薄弱。2级、级、3级项目级项目 以相关课程群为基础，构建二级项目以相关课程群为基础，构建二级项目 通过多个个通过多个个2级项目将整个课程体系有机地结合起来，既是对相关课级项目将整个课程体系有机地结合起来，既是对相关课程群的综合，也是对整个教学体系的补充。主要培养学生综合应用相关程群的综合，也是对整个教学体系的补充。主要培养学生综合应用相关课程内容的能力，特别注重学生的创新思维能力与终生学习能力的培养。课程内容的能力，特别注重学生的创新思维能力与终生学习能力的培养。 课程课程/3/3级项目级项目课程课程/3/3级项目级项

20、目课程课程/3/3级项目级项目 课程课程/3/3级项目级项目课程课程/3/3级项目级项目课程课程/3/3级项目级项目2级级项目项目课程课程/3/3级项目级项目课程课程/3/3级项目级项目课程课程/3/3级项目级项目课程课程/3/3级项目级项目课程课程/3/3级项目级项目课程课程/3/3级项目级项目结合结合“挑战杯挑战杯”等各种设计竞赛等各种设计竞赛2级级项目项目2级级项目项目2级级项目项目2级级项目项目2级级项目项目课程课程/3/3级项目级项目工程实践场所工程实践场所n为学生提供成功的设计为学生提供成功的设计- -实现经验需要一个具有合适工实现经验需要一个具有合适工作空间、设备和工具的学习环境

21、，我们把这些设施条件作空间、设备和工具的学习环境，我们把这些设施条件称为工程实践场所，以将其与创造性的工程开发联系起称为工程实践场所，以将其与创造性的工程开发联系起来，而与科研需要的传统实验室区分开来。实践场所可来，而与科研需要的传统实验室区分开来。实践场所可以是新建的楼房或对其它使用功能进行重新定位的实验以是新建的楼房或对其它使用功能进行重新定位的实验室和房间。它们能够支持简单及复杂的个人或小组项目室和房间。它们能够支持简单及复杂的个人或小组项目进行进行构思设计实施运行构思设计实施运行的全过程。同时还建立了的全过程。同时还建立了相关的基础设施，其目的是对主动学习和动手学习策略相关的基础设施，

22、其目的是对主动学习和动手学习策略的支持。的支持。工程实践场所的角色和益处工程实践场所的角色和益处n如果学生要理解构思设计实施运行就是他们的如果学生要理解构思设计实施运行就是他们的教育环境背景，那么，他们必须融入到围绕教育环境背景，那么，他们必须融入到围绕c c、d d、i i、o o而组织的实践场所。我们可以利用这些实践场所向学而组织的实践场所。我们可以利用这些实践场所向学生说明这些环境对他们的重要性，并利用这些实践场生说明这些环境对他们的重要性，并利用这些实践场所加强对他们的教育。所加强对他们的教育。n工程实践场所是实施工程实践场所是实施cdiocdio专业计划的一个关键因素。专业计划的一个

23、关键因素。工程实践场所以及其它提供学生动手学习的环境对于工程实践场所以及其它提供学生动手学习的环境对于提高学生的设计、建造以及测试产品、过程和系统的提高学生的设计、建造以及测试产品、过程和系统的能力都是极为重要的资源。标准能力都是极为重要的资源。标准6 6的重点就是工程实践的重点就是工程实践场所。场所。实践场所的设计实践场所的设计n工程实践场所的设计是让学生积极地进行创造性和实践性的学习，并支持整个课程工程实践场所的设计是让学生积极地进行创造性和实践性的学习，并支持整个课程计划，这与传统的实验室不同，因为传统的实验室基本上是围绕一个学科和计划，这与传统的实验室不同，因为传统的实验室基本上是围绕

24、一个学科和( (或或) )希希望学生在项目中充当一个比较被动的角色。传统的工程实践场所往往是让学生学习望学生在项目中充当一个比较被动的角色。传统的工程实践场所往往是让学生学习特定的能力，例如特定的能力，例如lab-viewlab-view实验环境、项目工作室、与工程实践场所相关的实验环境、项目工作室、与工程实践场所相关的cad/cam/caecad/cam/cae实验室、以及多媒体环境，而不是一体化的实践场所。另外，传统的实验室、以及多媒体环境，而不是一体化的实践场所。另外，传统的学生实验室主要以演示性实验为主，而没有为构思、设计以及团队建设提供支持条学生实验室主要以演示性实验为主，而没有为构

25、思、设计以及团队建设提供支持条件。件。构思讨论室构思讨论室设计中心设计中心实施实验室实施实验室运作中心运作中心学习资源学习资源社会社会展品展品个人交流个人交流网络网络存储设备存储设备cdio实践场所的概念模型实践场所的概念模型 工程实践场所通常在四种工程实践场所通常在四种不同空间中支持学生学习整不同空间中支持学生学习整个产品生命周期的四个阶段个产品生命周期的四个阶段 构思构思n构思构思工程实践场所工程实践场所使学生能够构思新的系统，理解用户需求和发使学生能够构思新的系统，理解用户需求和发展概念，它们包括个人与团队的实践场所，以鼓励概念的形成和展概念，它们包括个人与团队的实践场所，以鼓励概念的形

26、成和优化。典型的设备与资源包括白板、网络接入、图书馆资源以及优化。典型的设备与资源包括白板、网络接入、图书馆资源以及数据放映机。这种工程实践场所基本上是不涉及到技术的大型空数据放映机。这种工程实践场所基本上是不涉及到技术的大型空间，其主要目标是让学生通过交谈、倾听及反思的过程相互互动。间，其主要目标是让学生通过交谈、倾听及反思的过程相互互动。设计设计n设计设计工程实践场所工程实践场所支持新的协作模式和数字化设计；使学生能够进支持新的协作模式和数字化设计；使学生能够进行设计、模拟设计、分享设计和相互交流。典型的设备包括安装有行设计、模拟设计、分享设计和相互交流。典型的设备包括安装有计算机辅助设计

27、软件、辅助制造软件以及开发、仿真软件的计算机。计算机辅助设计软件、辅助制造软件以及开发、仿真软件的计算机。还有其它设备，如视频会议和共享数据库，能够支持世界各地学生还有其它设备，如视频会议和共享数据库，能够支持世界各地学生团队相互协作。设计工程实践场所还要在课余时间开放，因为学生团队相互协作。设计工程实践场所还要在课余时间开放，因为学生会经常利用晚上和周末的时间进行设计工作。会经常利用晚上和周末的时间进行设计工作。实施实施n实施实施工程实践场所工程实践场所可以让学生建造小型、中型和大型的系统，包可以让学生建造小型、中型和大型的系统，包括机械、电子和软件系统。典型的设备包括金属加工机械、手工括机

28、械、电子和软件系统。典型的设备包括金属加工机械、手工工具、测量设备、制造电路板的设备、以及可将软件集成到产品工具、测量设备、制造电路板的设备、以及可将软件集成到产品的计算机。学生进行的项目范围必须有较大的灵活性，但安全性的计算机。学生进行的项目范围必须有较大的灵活性，但安全性和可用性也是很重要的。和可用性也是很重要的。 运行运行n运行运行工程实践场所工程实践场所可为学生提供学习运行产品的机会，这种学习可为学生提供学习运行产品的机会，这种学习是通过实验和做出他们所设计的产品来实现的。在学术化的培养是通过实验和做出他们所设计的产品来实现的。在学术化的培养环境背景下，学生是很难学会运行这一环节的，但学生能学会如环境背景下，学生是很难学会运行这一环节的，但学生能学会如何运行自己的实验和班级的实验。实际操作的模拟以及实际操作何运行自己的实验和班级的实验。实际操作的模拟以及实际操作环境下的电路连接可直接为学生提供操作方面的经验。环境下的电路连接可直接为学生提供操作方面的经验。 学科知识的巩固学科知识的巩固产品和系统的设计与实施产品和系统的设计与