基于CDIO的柔性實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與有效性評(píng)價(jià)

1、基于CDIO的柔性實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與有效性評(píng)價(jià)    摘要面對(duì)高校工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的教學(xué)組織模式落后、平臺(tái)靈活性差、教學(xué)資源無(wú)法滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的教學(xué)需求等問(wèn)題，以CDIO工程教育理念為指導(dǎo)，對(duì)現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)組織模式進(jìn)行改革，探索實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)重構(gòu)方法，設(shè)計(jì)基于CDIO的柔性實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，并將其應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)四階段。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)柔性實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行了有效性評(píng)價(jià)。 關(guān)鍵詞CDIO 實(shí)訓(xùn)平臺(tái) 系統(tǒng)重構(gòu) 模糊綜合評(píng)價(jià)法 有效性評(píng)價(jià) 一、引言 武漢科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心（湖北高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心）由基礎(chǔ)加工訓(xùn)練部、先進(jìn)制造訓(xùn)練部、電工電子訓(xùn)練部

2、、IT技術(shù)訓(xùn)練部、創(chuàng)新制作訓(xùn)練部和綜合辦公室組成，依托機(jī)械工程、控制科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、材料科學(xué)與工程、冶金工程等學(xué)科力量，是全校本專(zhuān)科生和部分研究生工程能力培養(yǎng)的重要基地。 新形勢(shì)下，企業(yè)對(duì)大學(xué)生工程實(shí)踐能力的要求不斷提升，工程訓(xùn)練中心的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中逐漸呈現(xiàn)出教學(xué)組織模式落后、平臺(tái)靈活性差、教學(xué)資源無(wú)法滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的教學(xué)需求等問(wèn)題，傳統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式已無(wú)法滿(mǎn)足要求。為解決上述問(wèn)題，工程訓(xùn)練中心以麻省理工大學(xué)提出的CDIO（構(gòu)思Conceive、設(shè)計(jì)Design、實(shí)踐Implement、運(yùn)作Operate）1這一工程教育理念為指導(dǎo)，開(kāi)始嘗試對(duì)現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)組織模式進(jìn)行改革。 二、C

3、DIO工程教育模式 CDIO（構(gòu)思Conceive、設(shè)計(jì)Design、實(shí)踐Implement、運(yùn)作Operate）工程教育模式，提出了具有可操作性的以能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)測(cè)評(píng)為標(biāo)準(zhǔn)的工程教育模式，是以產(chǎn)品從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為依托讓學(xué)生以創(chuàng)新的、主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式來(lái)學(xué)習(xí)的教育教學(xué)理念，倡導(dǎo)接近工程實(shí)際、提升工程能力的教學(xué)理念，系統(tǒng)的培養(yǎng)學(xué)生的工程技術(shù)水平，使學(xué)生具有較強(qiáng)的項(xiàng)目構(gòu)思、設(shè)計(jì)和完成能力，切實(shí)改進(jìn)高校教育中存在的重理論輕實(shí)踐、重知識(shí)學(xué)習(xí)而輕開(kāi)拓創(chuàng)新的培養(yǎng)的問(wèn)題2。CDIO工程教育模式的特點(diǎn)是：所有需要學(xué)習(xí)和掌握的內(nèi)容都圍繞項(xiàng)目設(shè)計(jì)這個(gè)核心，并與這個(gè)核心融合在

4、一起，形成一個(gè)整體。 三、實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)現(xiàn)狀分析 武漢科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心作為培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐能力的大型工程實(shí)訓(xùn)機(jī)構(gòu)，2011年的基本金工實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)為85個(gè)班級(jí)、3322人、258720人時(shí)數(shù)。金工實(shí)訓(xùn)中，參加實(shí)訓(xùn)的學(xué)生數(shù)量大幅增加，學(xué)生專(zhuān)業(yè)需求差異性擴(kuò)大，現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)資源無(wú)法滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的教學(xué)需求變化。其中，實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)使用中存在如下兩大問(wèn)題： （1）實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)備資源人均占有率低 每年到工程訓(xùn)練中心參加工程實(shí)訓(xùn)的學(xué)生人數(shù)不斷增加，實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備每年的補(bǔ)充率低于實(shí)訓(xùn)學(xué)生增長(zhǎng)率，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)備資源人均占有率降低。因此，學(xué)生實(shí)訓(xùn)上機(jī)操作平臺(tái)有限，學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作時(shí)間無(wú)法得到充分保障，學(xué)生的

5、實(shí)踐訓(xùn)練效果就無(wú)法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。 （2）實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目組合的靈活性差 學(xué)生使用不同的實(shí)訓(xùn)設(shè)備參與不同的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，將會(huì)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的角度產(chǎn)生不同的影響。學(xué)生參與實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的多樣性在一定程度上會(huì)影響學(xué)生知識(shí)掌握的完整度。然而，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備、實(shí)訓(xùn)耗材、實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地以及傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)工藝思想的束縛下，所有實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的內(nèi)容幾乎完全固定，實(shí)訓(xùn)設(shè)備、耗材、場(chǎng)地也即確定，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、設(shè)備組合的靈活性差，利用效率不高。為了高效利用有限的設(shè)備、耗材、場(chǎng)地等實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生掌握更豐富的知識(shí)，需要從工藝重構(gòu)的角度，提高實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、實(shí)訓(xùn)設(shè)備組合的柔性和可適應(yīng)性，從而增加實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、豐富實(shí)訓(xùn)內(nèi)容、提升實(shí)訓(xùn)資源利用率、提高實(shí)訓(xùn)效率。 四、基于CDI

6、O的柔性實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì) （一）實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)重構(gòu) 基于CDIO的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)依據(jù)實(shí)訓(xùn)學(xué)生個(gè)性化需求的變化，適應(yīng)性的轉(zhuǎn)變系統(tǒng)組織與運(yùn)作方式的過(guò)程，即系統(tǒng)重構(gòu)。這里的重構(gòu)，強(qiáng)調(diào)的是依據(jù)實(shí)訓(xùn)學(xué)生個(gè)性化需求實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程、實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源的重新組織，而不是一般意義上對(duì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目流程進(jìn)行徹底的重構(gòu)。系統(tǒng)的快速重構(gòu)就是指考慮舊實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)的組織和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在最短的時(shí)間對(duì)分布式的實(shí)訓(xùn)資源進(jìn)行最有效的“邏輯”上的重新構(gòu)建和組合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)舊實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)的功能拓展?；贑DIO的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)重構(gòu)過(guò)程本質(zhì)上是實(shí)訓(xùn)設(shè)備單元自組織過(guò)程，以提高其柔性，它由組織起來(lái)的多個(gè)實(shí)訓(xùn)設(shè)備單元構(gòu)成，這些實(shí)訓(xùn)設(shè)備單元依據(jù)實(shí)

7、訓(xùn)項(xiàng)目工藝的不同有不同的組織模式，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目工藝不同程度的改變，將促使實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的重構(gòu)。 整個(gè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，按功能、工序和任務(wù)的不同，將實(shí)訓(xùn)設(shè)備劃分為不同的實(shí)訓(xùn)設(shè)備單元。在空間上，基于CDIO的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)把分布在不同實(shí)訓(xùn)室的實(shí)訓(xùn)資源集成起來(lái)，利用這些實(shí)訓(xùn)資源在空間上的協(xié)同，獲得這些實(shí)訓(xùn)資源的整體功能與效率。在時(shí)間上，每個(gè)實(shí)訓(xùn)資源在不同時(shí)間段內(nèi)的可實(shí)訓(xùn)能力被分配給不同的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，利用組成實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)資源在時(shí)間上的協(xié)同，獲得這些實(shí)訓(xùn)資源的整體功能與效率，最終形成實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)在時(shí)間和空間上的一種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)隨著實(shí)訓(xùn)任務(wù)的出現(xiàn)而形成，隨著實(shí)訓(xùn)任務(wù)的完成而消失3。圖1為一個(gè)實(shí)訓(xùn)

8、項(xiàng)目的自組織的示意，其重構(gòu)設(shè)計(jì)思想為：實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目1為中心現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，其實(shí)訓(xùn)過(guò)程為學(xué)生將實(shí)訓(xùn)耗材M1按照工藝加工路線(xiàn)1的加工順序，利用指定的實(shí)訓(xùn)設(shè)備單元完成實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品P1的加工。在增加新的專(zhuān)業(yè)學(xué)生后，根據(jù)學(xué)生個(gè)性化需求，在無(wú)法快速增加實(shí)訓(xùn)設(shè)備的條件下，靈活調(diào)整實(shí)訓(xùn)工藝路線(xiàn)得到實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目X，其實(shí)訓(xùn)過(guò)程為實(shí)訓(xùn)學(xué)生將實(shí)訓(xùn)耗材M2按照工藝加工路線(xiàn)X的加工順序，利用指定的實(shí)訓(xùn)設(shè)備單元完成實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品P2的加工。當(dāng)某工藝路線(xiàn)中實(shí)訓(xùn)設(shè)備單元i發(fā)生故障或可實(shí)訓(xùn)能力不足等問(wèn)題時(shí)，實(shí)訓(xùn)設(shè)備單元i所屬同區(qū)域內(nèi)相同實(shí)訓(xùn)設(shè)備單元進(jìn)行自組織，實(shí)訓(xùn)時(shí)則利用另外一具有相同設(shè)備功能的實(shí)訓(xùn)設(shè)備單元完成最終實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品P2。 （二）柔性實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

9、下CDIO教學(xué)模式 在基于CDIO的柔性實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)重構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立六位一體的實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系（如圖2所示），即以提升實(shí)訓(xùn)資源利用率、提升學(xué)生實(shí)訓(xùn)知識(shí)完整度等實(shí)訓(xùn)效果為目標(biāo)，采用CDIO四階段教學(xué)法（構(gòu)思設(shè)計(jì)實(shí)踐運(yùn)作）為主的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。它要求學(xué)生和教師在各實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的四階段實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，充分考慮實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目相關(guān)的環(huán)境、學(xué)生、教師、設(shè)備、耗材及制度等因素，依據(jù)學(xué)生個(gè)性化需求，制定最佳實(shí)訓(xùn)方案，以最大程度的提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。 CDIO四階段教學(xué)法可分如下幾步執(zhí)行：（1）項(xiàng)目構(gòu)思階段。教師將課題的相關(guān)資料分發(fā)給學(xué)生，采用教師講解和學(xué)生提問(wèn)的方式，通過(guò)師生的充分交流使學(xué)生熟悉和了解項(xiàng)目的任務(wù)、要求、技術(shù)

10、指標(biāo)、完成時(shí)間等。（2）項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段。每班分若干小組進(jìn)行，各小組根據(jù)課題內(nèi)容，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成項(xiàng)目規(guī)劃，如選用什么器材設(shè)備、需要什么樣的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格等。要求做出一個(gè)完整詳細(xì)、具有可操作的實(shí)施方案交給教師檢查指導(dǎo)。教師提出整改意見(jiàn)后，由小組共同完成定稿，形成書(shū)面材料。（3）項(xiàng)目實(shí)踐階段。各小組按照實(shí)施方案進(jìn)行內(nèi)部分工，在實(shí)驗(yàn)室使用相關(guān)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后按照安裝工藝進(jìn)行制作。（4）項(xiàng)目運(yùn)作階段。這里的項(xiàng)目運(yùn)作，主要內(nèi)容為對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行綜合評(píng)估。各小組講解整個(gè)制作思路和過(guò)程，回答教師和其他同學(xué)的提問(wèn)。通過(guò)評(píng)估環(huán)節(jié)可以使本組制作更完善，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的演講能力及應(yīng)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的能力。 五、基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的柔性

11、實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)有效性評(píng)價(jià) （一）問(wèn)卷設(shè)計(jì)、調(diào)查 （1）問(wèn)卷設(shè)計(jì)。以典型實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的模式為基礎(chǔ)調(diào)查、收集資料，對(duì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)有效性評(píng)價(jià)問(wèn)卷進(jìn)行設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)問(wèn)卷中主要考察指標(biāo)如表1所示。量表采用LIKERT.5進(jìn)行測(cè)量。1表示所描述程度最低，5為所描述程度最高，1與5中間的數(shù)字為所描述程度依次升高。 （2）數(shù)據(jù)收集。對(duì)柔性CDIO實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的四階段項(xiàng)目教學(xué)模式的實(shí)施效果評(píng)價(jià)，分別選取50個(gè)專(zhuān)家、教師和200名學(xué)生以傳真、電子郵件、走訪(fǎng)等多種形式進(jìn)行正式調(diào)查。據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每階段問(wèn)卷回收率為94.7%，平均每階段回收的有效問(wèn)卷率為85.3%。 （二）數(shù)據(jù)分析 在對(duì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果有效性評(píng)價(jià)采用層次分析法（A

12、nalytic Hierarchy Process，AHP）和模糊綜合評(píng)價(jià)法（Fuzzy Comprehensive Evaluation Method）相結(jié)合4的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 （1）評(píng)價(jià)變量權(quán)重確定。采用AHP層次分析法5，根據(jù)問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果，對(duì)評(píng)價(jià)變量的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，得到柔性實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)及CDIO四階段教學(xué)模式有效性評(píng)價(jià)的各變量的單一相對(duì)權(quán)重，如表2所示。 （2）實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的有效性分析。在得到的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的單一相對(duì)權(quán)重的基礎(chǔ)上，分別依據(jù)CDIO實(shí)訓(xùn)四個(gè)階段進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到的有效性值（滿(mǎn)分為5）分別為4.375、4.520、4.670、4.780。 由此可見(jiàn)，實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)經(jīng)過(guò)重構(gòu)后，在構(gòu)思

13、、設(shè)計(jì)、實(shí)踐、運(yùn)作四個(gè)階段的適應(yīng)性提高，并且每個(gè)階段的適應(yīng)性呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢(shì)，進(jìn)而驗(yàn)證作者所設(shè)計(jì)的柔性實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)是有效的。 六、小結(jié) 高校工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在教學(xué)組織模式落后、平臺(tái)靈活性差、教學(xué)資源無(wú)法滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的教學(xué)需求等問(wèn)題，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知過(guò)程和專(zhuān)業(yè)個(gè)性化需求，重新規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)組織模式，建立起分階段、多因素、綜合性的柔性實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)。通過(guò)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)的重構(gòu)，其柔性和可適應(yīng)性得到大幅度提高，實(shí)訓(xùn)設(shè)備、耗材、場(chǎng)地等資源的利用效率迅速提升；構(gòu)建CDIO的（構(gòu)思設(shè)計(jì)實(shí)踐運(yùn)作）四階段教學(xué)模式，考慮環(huán)境、學(xué)生、教師、設(shè)備、耗材及制度等相關(guān)因素，并將其應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中，最大程度的提

14、升了學(xué)生的工程實(shí)踐能力；采用Fuzzy和AHP相結(jié)合方法對(duì)所設(shè)計(jì)的柔性實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行有效性評(píng)價(jià)，得到四個(gè)階段的適應(yīng)性提高，并且每個(gè)階段的適應(yīng)性呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢(shì)的結(jié)論。為高校提升大學(xué)生工程實(shí)訓(xùn)能力、優(yōu)化實(shí)訓(xùn)模式提供了強(qiáng)有力的理論支撐。 參考文獻(xiàn) 1凌芳，呂恬生，范成杰，安麗橋.以CDIO模式推進(jìn)工程實(shí)踐教學(xué)改革J，實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（10）：141-142. 2吳文清，王莉.新形勢(shì)下地方綜合大學(xué)工程教育的現(xiàn)實(shí)選擇J，中國(guó)大學(xué)教育，2011（9）：47-49. 3張潔，高亮，李培根.敏捷化智能制造系統(tǒng)重構(gòu)的研究J.數(shù)字制造科學(xué)，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