基于CDIO的柔性实训教学平台设计与有效性评价

1、基于CDIO的柔性实训教学平台设计与有效性评价    摘要面对高校工程实训教学中存在的教学组织模式落后、平台灵活性差、教学资源无法满足快速增长的教学需求等问题，以CDIO工程教育理念为指导，对现有实训教学平台组织模式进行改革，探索实训教学平台系统重构方法，设计基于CDIO的柔性实训教学平台，并将其应用于实训教学四阶段。通过问卷调查和模糊综合评价法对柔性实训教学平台进行了有效性评价。 关键词CDIO 实训平台 系统重构 模糊综合评价法 有效性评价 一、引言 武汉科技大学工程训练中心（湖北高校实验教学示范中心）由基础加工训练部、先进制造训练部、电工电子训练部

2、、IT技术训练部、创新制作训练部和综合办公室组成，依托机械工程、控制科学与工程、计算机科学与技术、材料科学与工程、冶金工程等学科力量，是全校本专科生和部分研究生工程能力培养的重要基地。 新形势下，企业对大学生工程实践能力的要求不断提升，工程训练中心的实训教学中逐渐呈现出教学组织模式落后、平台灵活性差、教学资源无法满足快速增长的教学需求等问题，传统工程实训教学模式已无法满足要求。为解决上述问题，工程训练中心以麻省理工大学提出的CDIO（构思Conceive、设计Design、实践Implement、运作Operate）1这一工程教育理念为指导，开始尝试对现有实训教学平台组织模式进行改革。 二、C

3、DIO工程教育模式 CDIO（构思Conceive、设计Design、实践Implement、运作Operate）工程教育模式，提出了具有可操作性的以能力培养、全面实施以及检验测评为标准的工程教育模式，是以产品从研发到运行的生命周期为依托让学生以创新的、主动的、实践的、课程之间有机联系的方式来学习的教育教学理念，倡导接近工程实际、提升工程能力的教学理念，系统的培养学生的工程技术水平，使学生具有较强的项目构思、设计和完成能力，切实改进高校教育中存在的重理论轻实践、重知识学习而轻开拓创新的培养的问题2。CDIO工程教育模式的特点是：所有需要学习和掌握的内容都围绕项目设计这个核心，并与这个核心融合在

4、一起，形成一个整体。 三、实训教学平台现状分析 武汉科技大学工程训练中心作为培养大学生实践能力的大型工程实训机构，2011年的基本金工实训教学任务为85个班级、3322人、258720人时数。金工实训中，参加实训的学生数量大幅增加，学生专业需求差异性扩大，现有的实训教学平台资源无法满足快速增长的教学需求变化。其中，实训教学平台使用中存在如下两大问题： （1）实训教学平台设备资源人均占有率低 每年到工程训练中心参加工程实训的学生人数不断增加，实训教学设备每年的补充率低于实训学生增长率，导致实训教学平台设备资源人均占有率降低。因此，学生实训上机操作平台有限，学生实训操作时间无法得到充分保障，学生的

5、实践训练效果就无法达到预期目标。 （2）实训项目组合的灵活性差 学生使用不同的实训设备参与不同的实训项目，将会对学生学习知识的角度产生不同的影响。学生参与实训项目的多样性在一定程度上会影响学生知识掌握的完整度。然而，在实训教学设备、实训耗材、实训场地以及传统实训工艺思想的束缚下，所有实训项目的内容几乎完全固定，实训设备、耗材、场地也即确定，实训项目、设备组合的灵活性差，利用效率不高。为了高效利用有限的设备、耗材、场地等实训，使学生掌握更丰富的知识，需要从工艺重构的角度，提高实训项目、实训设备组合的柔性和可适应性，从而增加实训项目、丰富实训内容、提升实训资源利用率、提高实训效率。 四、基于CDI

6、O的柔性实训教学平台设计 （一）实训教学平台系统重构 基于CDIO的实训教学平台系统依据实训学生个性化需求的变化，适应性的转变系统组织与运作方式的过程，即系统重构。这里的重构，强调的是依据实训学生个性化需求实现实训教学过程、实训教学资源的重新组织，而不是一般意义上对实训项目流程进行彻底的重构。系统的快速重构就是指考虑旧实训教学平台系统的组织和结构的基础上，在最短的时间对分布式的实训资源进行最有效的“逻辑”上的重新构建和组合，以实现对旧实训平台系统的功能拓展。基于CDIO的实训教学平台重构过程本质上是实训设备单元自组织过程，以提高其柔性，它由组织起来的多个实训设备单元构成，这些实训设备单元依据实

7、训项目工艺的不同有不同的组织模式，实训项目工艺不同程度的改变，将促使实训教学平台系统产生不同程度的重构。 整个实训教学平台，按功能、工序和任务的不同，将实训设备划分为不同的实训设备单元。在空间上，基于CDIO的实训教学平台把分布在不同实训室的实训资源集成起来，利用这些实训资源在空间上的协同，获得这些实训资源的整体功能与效率。在时间上，每个实训资源在不同时间段内的可实训能力被分配给不同的实训项目，利用组成实训教学平台的实训资源在时间上的协同，获得这些实训资源的整体功能与效率，最终形成实训教学平台在时间和空间上的一种结构。这种结构随着实训任务的出现而形成，随着实训任务的完成而消失3。图1为一个实训

8、项目的自组织的示意，其重构设计思想为：实训项目1为中心现有实训项目，其实训过程为学生将实训耗材M1按照工艺加工路线1的加工顺序，利用指定的实训设备单元完成实训产品P1的加工。在增加新的专业学生后，根据学生个性化需求，在无法快速增加实训设备的条件下，灵活调整实训工艺路线得到实训项目X，其实训过程为实训学生将实训耗材M2按照工艺加工路线X的加工顺序，利用指定的实训设备单元完成实训产品P2的加工。当某工艺路线中实训设备单元i发生故障或可实训能力不足等问题时，实训设备单元i所属同区域内相同实训设备单元进行自组织，实训时则利用另外一具有相同设备功能的实训设备单元完成最终实训产品P2。 （二）柔性实训平台

9、下CDIO教学模式 在基于CDIO的柔性实训教学平台重构的基础上，建立六位一体的实训教学体系（如图2所示），即以提升实训资源利用率、提升学生实训知识完整度等实训效果为目标，采用CDIO四阶段教学法（构思设计实践运作）为主的实训教学模式。它要求学生和教师在各实训项目的四阶段实训过程中，充分考虑实训项目相关的环境、学生、教师、设备、耗材及制度等因素，依据学生个性化需求，制定最佳实训方案，以最大程度的提高学生的工程实践能力。 CDIO四阶段教学法可分如下几步执行：（1）项目构思阶段。教师将课题的相关资料分发给学生，采用教师讲解和学生提问的方式，通过师生的充分交流使学生熟悉和了解项目的任务、要求、技术

10、指标、完成时间等。（2）项目设计阶段。每班分若干小组进行，各小组根据课题内容，在规定时间内完成项目规划，如选用什么器材设备、需要什么样的标准规格等。要求做出一个完整详细、具有可操作的实施方案交给教师检查指导。教师提出整改意见后，由小组共同完成定稿，形成书面材料。（3）项目实践阶段。各小组按照实施方案进行内部分工，在实验室使用相关软件进行设计，然后按照安装工艺进行制作。（4）项目运作阶段。这里的项目运作，主要内容为对项目进行综合评估。各小组讲解整个制作思路和过程，回答教师和其他同学的提问。通过评估环节可以使本组制作更完善，同时培养学生的演讲能力及应对实际问题的能力。 五、基于模糊综合评价法的柔性

11、实训教学平台有效性评价 （一）问卷设计、调查 （1）问卷设计。以典型实训平台的模式为基础调查、收集资料，对实训平台有效性评价问卷进行设计。该设计问卷中主要考察指标如表1所示。量表采用LIKERT.5进行测量。1表示所描述程度最低，5为所描述程度最高，1与5中间的数字为所描述程度依次升高。 （2）数据收集。对柔性CDIO实训平台的四阶段项目教学模式的实施效果评价，分别选取50个专家、教师和200名学生以传真、电子邮件、走访等多种形式进行正式调查。据统计，平均每阶段问卷回收率为94.7%，平均每阶段回收的有效问卷率为85.3%。 （二）数据分析 在对实训平台问卷调查结果有效性评价采用层次分析法（A

12、nalytic Hierarchy Process，AHP）和模糊综合评价法（Fuzzy Comprehensive Evaluation Method）相结合4的方法进行数据处理。 （1）评价变量权重确定。采用AHP层次分析法5，根据问卷调查结果，对评价变量的权重进行计算，得到柔性实训教学平台及CDIO四阶段教学模式有效性评价的各变量的单一相对权重，如表2所示。 （2）实训平台的有效性分析。在得到的实训平台的单一相对权重的基础上，分别依据CDIO实训四个阶段进行数据处理，得到的有效性值（满分为5）分别为4.375、4.520、4.670、4.780。 由此可见，实训教学平台经过重构后，在构思

13、、设计、实践、运作四个阶段的适应性提高，并且每个阶段的适应性呈现出逐步上升的趋势，进而验证作者所设计的柔性实训教学平台是有效的。 六、小结 高校工程实训教学中存在教学组织模式落后、平台灵活性差、教学资源无法满足快速增长的教学需求等问题，根据学生的学习认知过程和专业个性化需求，重新规划设计实训教学平台组织模式，建立起分阶段、多因素、综合性的柔性实训教学平台。通过实训教学平台系统的重构，其柔性和可适应性得到大幅度提高，实训设备、耗材、场地等资源的利用效率迅速提升；构建CDIO的（构思设计实践运作）四阶段教学模式，考虑环境、学生、教师、设备、耗材及制度等相关因素，并将其应用于实训项目中，最大程度的提

14、升了学生的工程实践能力；采用Fuzzy和AHP相结合方法对所设计的柔性实训平台进行有效性评价，得到四个阶段的适应性提高，并且每个阶段的适应性呈现出逐步上升的趋势的结论。为高校提升大学生工程实训能力、优化实训模式提供了强有力的理论支撑。 参考文献 1凌芳，吕恬生，范成杰，安丽桥.以CDIO模式推进工程实践教学改革J，实验室研究与探索，2010，29（10）：141-142. 2吴文清，王莉.新形势下地方综合大学工程教育的现实选择J，中国大学教育，2011（9）：47-49. 3张洁，高亮，李培根.敏捷化智能制造系统重构的研究J.数字制造科学，2004，2（1-2）：1-36. 4Mahsa Razavi Davoudi； Kourosh Sheykhvand.Enterprise Architecture Analysis using AHP and Fuzzy AHPC.Proceedings of 2011 4th IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology（ICCSIT 2011） VOL