石文昭

山西农业大学信息学院机电工程系

CDIO模式在《电机与拖动》课程教学中的研究和应用

石文昭

山西农业大学信息学院机电工程系

本文针对电机与拖动课程教学中存在的一些问题，提出了基于CDIO人才培养模式下的课程改革与创新。理论部分采用课堂讲解、网络教学和微课等多种方法相结合的教学方式；实践部分主要运用CDIO模式，让学生了解工程项目的概念，充分掌握一个项目从构思、设计、实施到运行的整个过程。此外对期末成绩给出了一种更为客观合理的评价方式，最后总结了该模式下的教学效果。

电机与拖动；CDIO；改革创新

1 前言

CDIO倡导“基于项目教育和学习”的新型教学模式，是近年来国际工程教育改革的最新研究成果，它可分为构思(con⁃ceive)、设计(design)、实现(implement)和运作(operate)4 个阶段[1-2]。CDIO作为一种全新的工程教育理念，包括以下具体内容：注重培养学生掌握扎实的工程基础理论和专业知识，自我构建知识体系，并在此基础上通过人才培养过程的团队设计和创新实践环节的训练，培养既有过硬的专业技能，又有良好职业道德的工程师[3]。

《电机与拖动》课程是电气工程及其自动化、自动化等专业的一门理论性很强的专业基础课，同时也是一门多学科交叉的课程，涉及了电学、磁学、热力学和动力学等学科。电机和电力拖动系统随着科技的进步也有着日新月异的发展趋势，并且为了响应我国建立应用型人才高等院校、培养应用型人才的要求，“电机与拖动”课程的改革势在必行。而这一点恰好和CDIO人才培养模式不谋而合。在“电机与拖动”课程的教学中，采用CDIO工程教育理念，结合我校的具体情况，利用学校的实验室和校企合作的平台，培养学生对一个项目构思、设计、实现、运作的能力，以及创新能力和团队协作能力。

2 电机与拖动课程概述

（1）“电机与拖动”课程在专业培养计划中的作用

“电机与拖动”是电气、自动化专业的一门很重要的专业基础课，在整个学科中起承上启下的作用。本课程是“电路”“模电”等课程的后续课程，也是“工厂供电”、“电力系统分析”和“电气控制系统”等课程的先导课程，并为以后的设计大赛、毕业设计以及日后的工作储备一定的专业基础知识，培养基本的设计技能和分析问题的方法。

（2）“电机与拖动”课程的目的

“电机与拖动”实际包括两部分内容，一部分是电机，一部分是拖动系统，除了理论课程，还有实践课程。实践课的性质多样，分为基础型实验，设计型实验、综合型实验和创新型实验，考察的是学生对理论课内容的理解程度和如何将理论知识应用于实践的综合能力。

2.1 对专业知识和技能的要求

①掌握各种电机的结构和基本工作原理；②熟悉电机的各项参数和选择原则；③掌握基本的电机故障处理和维修方法；④掌握拖动控制系统的工作原理和特性；⑤培养学生的运算能力；⑥了解电机和电力拖动各部分的发展趋势；⑦通过实践环节，使学生更深层次的掌握专业知识，增强动手能力。

2.2 对素质的教学目标

①培养学生的自学能力；②培养学生的思维方式、分析和解决问题的能力；③培养学生运用所学到的“电机与拖动”相关专业知识解决实际问题的能力。④培养学生的动手能力和团队合作能力。

3 CDIO模式下的电机与拖动课程教学改革

结合对CDIO教学理念的理解和本人的能力，以及学生的具体情况，教学改革将从以下几方面着手。

（1）基于CDIO模式下的教学体系

现行的大学人才培养目标是“培养高素质技能型人才”，在就业压力加大的背景下，我们应当把改革的重点放在改革学科结构，打破传统的学科性课程结构，建立以“工作任务为中心”、“以项目为载体”的课程结构[4]。

“电机与拖动”课程中的很多概念都很抽象，电机中的磁场看不到摸不着，需要推导的公式多，所以学生会感觉很吃力，而且不会完整的分析问题，不会利用所学知识解决问题。在教学体系的改革中，应用“学做合一”的方式，建立几个实践项目作为核心，可充分串接所有关联的知识点和技能，学生边学边做，边做边学，这样学生的学习兴趣得到了提高，也培养了学生的各种能力。

CDIO模式以学生为中心，一个班的理论课、实践课都由同一个老师担任，以此实现教学内容的有机统一。教师在授课过程中将实践项目引入课堂教学中，并且在学生独立完成实践项目的过程中，让学生逐渐理解和掌握CDIO模式四个环节的整个流程，符合CDIO理念。

（2）教学内容的改革

“电机与拖动”是一门多学科交叉的课程，很多概念抽象复杂，学生要理解这些基础知识需要大量的理论教学时间；并且由于部分学生关于这些先导课程的底子较差，因此必要的时候还需要在课堂上对这些内容加以复习，这样上课的进度就会滞后于授课计划，以至于到期末计划的内容还没有讲完。然而，近几年工科的大多数专业课的课时量都被大大压缩，我校也不例外，目前缩到48个课时，40个理论，8个实验，一周的课程设计。因此，必需合理的选择该课程的重点内容。

学生学习“电机与拖动”这门课程，电机的结构和原理部分只是基础，够用即可，它是为拖动部分做铺垫的。因此，可将课程的重心放在电动机及其电力拖动部分上面。同时考虑到某些内容因学生理解困难且实际应用很少的原因，将其舍弃，例如直流电机的换向分析；关于电枢电动势和电磁转矩的公式推导、电枢反应及交流电机内部磁场的分析等内容，只需了解思路记住结论即可，这样可以降低教学难度，学生也容易接受，有利于将更多精力集中到后面的实践项目中，达到培养应用型人才的目标。

此外，有必要拓宽学生知识面，对一些近年来出现的新型电机，比如永磁同步电机、永磁无刷直流电动机、开关磁阻电动机和直线电机等内容进行补充[5]。

对舍弃和压缩的内容，可以加入到后面的实践项目中，例如电枢绕组的绕制方法等，以培养学生的设计能力和动手能力。

（3）基于CDIO模式的教学方法

3.1 理论课教学方法的改革

CDIO模式提倡“以项目为载体”进行教学，但考虑到本校学生的实际情况，本人还是建议保留一部分理论课时，来帮助学生更好的理解知识点。

多媒体+板书+视频是“电机与拖动”课程最基础最有效的授课方式。尤其是视频，对学生来说是更直观理解的方式，比如电机的结构和工作原理，一目了然。

由于本课程课时量少，但是授课任务重，为了缓解这一矛盾，同时为了使那些学有余力的学生有更好的学习机会和平台，授课时间可以不局限于课堂，可延伸至课外，建立网络教学平台，在此平台上发布学习视频、习题解答，也可在线答疑、讨论，实现良好的课后互动和交流。

微课是近几年说的比较多的一种多媒体技术授课方式，它要求创作者对一个小的知识点进行针对性的讲解，可以是音频或者视频，并且时间控制在几分钟之内。这也是一种效果显著的授课方式，对于学生难以理解的知识点，或者进行例题讲解、考点归纳等，都可以做相关的微课，作为对课堂教学的有效补充。

3.2 实践课教学方法的改革

“电机与拖动”课程是一门实践性很强的课程，并且很多高等院校都以培养应用型人才为目标，所以培养学生的实际操作能力显得尤为重要。实践环节不仅可以使学生更深刻的理解知识，还能培养学生的动手能力和操作技能，让学生在整个过程中理解并掌握CDIO模式下构思、设计、实现、运作的所有环节。

（1）学以致用是学习的最终目标，因此应当增加实践环节的课时量，使学生在实践项目中投入更多的时间和精力，并且提高实践成绩在总成绩中的比重，让学生意识到实践课的重要性。

（2）加强校企合作。这种模式既能充分发挥企业和学校各自的优势，又能在培养社会及市场所需的专业人才方面起到推波助澜的作用，是一种很好的双赢模式。教学同生产的结合，实现了学校和企业的资源互用、优势互补、利益共享。

在学期初，提前与和学校合作的电机企业或厂家协商好时间，带领学生对比较老式的电机进行参观认知实习，目的是让学生在电机和电力拖动方面有一定的感性认识，面对真实的机械，学生会由于好奇而激发兴趣，进而会思考一系列的问题，带着问题上理论课，学生就会集中注意力，尽力找到问题的答案，这样可以达到事半功倍的教学效果。

在学期末，带领学生进行第二次认知实习，目的是参观该企业近几年生产的比较先进的机械设备，并了解关于电机与拖动相关的前沿技术趋势。由于一个学期的学习，学生们已经具备了基础的理论知识，因此对于比较先进的设备，会有更深刻全面的认识。

（3）在实践项目中运用CDIO理念培养学生的能力

实践部分主要是考察学生综合应用理论知识分析问题并解决问题的能力、自学能力、动手操作能力和团队合作能力等，因此实践项目中尽量减少验证型的实验，多为设计型、综合型和创新型实验。

在理论教学中，先深入讲解基础知识，待一个模块讲解完毕，紧接着就给学生布置相关的实践项目，在实践中进行思考、设计、讨论、仿真、实物操作，以此巩固理论知识，做到理论与实际的合二为一。

①构思能力的培养

教师按照课程进度制定对应的实践项目任务书，学生每3人分一组，先对所选题目进行独立的思考和分析，然后是集体讨论，每人对自己的构思和想法做出阐述，当学生们有不用的想法时，会在别的同学的思路帮助下对自己的构思做进一步的修正和补充；同时教师会对学生们的构思给予一定的建议进行完善，最后每组制定出自己的方案。

②设计能力的培养

明确了实践项目的方案以后，便展开一系列的设计工作。有些项目先可以利用MATLAB软件通过仿真的方式来实现设计思路。利用仿真设计，能够使学生对实践项目的工作原理掌握的更加深入，也能提高学生们熟练使用MATLAB软件的能力。

③实现能力的培养

实现能力阶段即手动操作阶段，也即将构思设计的结果付诸实践的过程。这就需要将学校的实验室设置为开放式的平台，学生可以随时申请使用，并且学校需要为学生提供比较全面的实践材料。例如有关电机的实践项目中，需要学生自己绕制电枢绕组；也可以将智能小车项目引入到电机与拖动的实践项目中来，通过对电动机及其调速方法的选择、控制电路的设计、制作及调试等方面的研究，让学生在制作智能小车的整个过程中更好的理解电动机的工作原理和结构，以及不同调速方法的特点。

④运作能力的培养

在实践项目的整个运作工程中，每个小组成员各司其职，分工不同但又彼此合作，最终写出一份完整的实践报告，设计出一个比较满意的作品。但是由于小组成员研究环节不同，所以报告必须有差异。这一部分就考察了学生的团队合作能力和动手能力，意义重大。

（4）CDIO模式下的课程考核标准

将期末成绩中实践项目的成绩比重加大为40%，理论课考勤、课堂表现和作业情况（即平时成绩）占20%，卷面成绩40%。其中实践成绩采用“教师对学生的实践过程参与程度评分+小组成员互评+设计报告完整性评分+答辩表现评分”的考核方法。本着以评价学习过程的思想为主，这样的考核结果更客观、更合理。

4 结束语

在本校“电机与拖动”课程按上述方式大规模的改革之前，本人对本校14级电气专业的2班进行了试运作，学生们普遍反映基于CDIO的教学模式更能激发他们的学习兴趣，学习效率也有很大程度的提高，相比较别的班级取得了较为满意的成绩。计划以后对更多的班级应用这种模式，既培养了学生的学习能力、专业技能、创新能力、沟通能力和团队精神，也为以后在职业生涯中做一名应用型的人才打下了结实的基础。

[1]韩雁,冯兴杰,梁志星等.CDIO工程教育模式下的教学效果分析[J].中国民航大学学报,2012,30(4):40～43.

[2]刘志雄.基于CDIO的实践类课程教学改革研究[J].长沙大学学报,2014,28(4):156～157.

[3]张慧平,戴波,刘娜等.基于CDIO教育理念的自动化课程的改革与实践[J].电气电子教学学报,2009,31(s2):138～141.

[4]顾佩华,包能胜,康全礼,等.CDIO在中国(上)[J].高等工程教育研究,2013(3).

[5]历虹,张巧杰,祁鲲.以创新能力培养为目标的“电机与拖动”教学改革研究[J].中国电力教育,2010,155(4):57～59.

石文昭，1989年8月生，女，汉族，山西忻州人，山西农业大学信息学院，助教，工学硕士，研究方向为控制科学与工程。