基于CDIO模式的焊接专业综合实验的改革与探索

郑春雷　闫志刚　王玉辉　杨志南　于金库

[摘要]将CDIO工程教育模式引入到焊接专业综合实验教学环节，构建一种全新的综合实验教学新模式，实现了对实验内容及实施方案的改革，完成了对学生从自主设计实验、自行操作、焊接检验、性能测试、分析总结到报告撰写的全过程培养。对综合实验的改革提高了学生解决实际问题、团结协作以及创新思维的能力。此外，尝试了对部分综合实验报告进行返还，给学生提供了对不足之处自我思考、自我提升与争辩的机会，参与试卷返还的学生普遍认为效果良好，获得了更多的知识与提升。

[关键词]CDIO；焊接；实验教学；创新；报告返还

[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A [文章编号]1005-4634（2016）04-109-04

0 引言

近些年，就业市场对人才的要求已有很大转变，由高学历型、理论型向技术型、复合型和创新型人才转变。目前，高校工科毕业生存在实践能力不强和创新意识不足等问题，在实际生产中难以满足用人单位对实际生成人才的需求，尤其是焊接专业，更是需要毕业生提高动手能力和创新能力。美国麻省理工学院、瑞典查尔姆斯技术学院、瑞典林克平大学与瑞典皇家技术学院合作开发了一个全新的工程人才培养的工程教育模式，称为CDIO（conceive-design-implement-operate）工程教育模式，即构思一设计一实现一运作。这种教育模式专注于培养学生扎实的工程基础理论和专业知识，并通过整个培养过程和创新实践环节的训练，培养出既有扎实的专业知识又有良好的专业技能的国际化人才。燕山大学是第一批教育部CDIO工程教育模式研究与实践课题组试点工作组高校之一，2007年便引入了CDIO工程教育理念，创建了基于项目的工程教育教学模式，于2013年加入了CDIO国际合作组织，成为其亚洲区中心成员之一。燕山大学材料科学与工程学院以国家级材料综合实验教学示范中心为平台，以教育部推行CDIO工程教育模式为契机，于2008年对焊接专业实验教学进行了改革，以便培养出的焊接专业毕业生符合国家对焊接专业高技能人才的需求，因此，学校增设了焊接专业综合实验这一教学环节。综合实验意旨在为学生提供一个完成独立项目全过程的机会，以项目形式培养学生的理论应用能力、实践动手能力、创新能力和团队合作能力。这一改革是符合CDIO工程教育模式的理念，可以全面培养大学生的实践能力。本文就以燕山大学材料科学与工程学院焊接专业为例，简述基于CDIO工程教育模式的焊接专业综合实验的改革探索。

1 传统焊接专业基础实验教学的不足之处

实验教学是培养学生实际动手能力，通过联系理论解决实际问题能力的重要环节，然而许多院校存在重科研轻教学，重理论教学轻实验教学的现象。一般来说，高校教学育人的效果可能是在一二十年后才能体现出来，才能有客观全面的评价，也验证那句古语“试玉要烧三日满，辨材须待七年期”，时间之长可见一斑。而科研见效相对快一些。这也导致了对教学投入严重不足，尤其是实验教学投入严重不足，包括实验室建设和实验教师队伍的培养。而实验设备的落后及实验教师较低的知识和能力水平又导致实验教学内容和方法过于陈旧。例如，有些焊接实验室还仅限于手工电弧焊，没有电阻焊和氩弧焊等先进焊接设备，更没有将科学与工程前沿的内容纳入实验教学。在实验教学方法上，教师往往还是先讲解基本原理和实验目的，然后演示操作，再让学生按照规定的步骤和注意事项进行实验操作，最后撰写实验报告。这种方法仍然是以教师传授为主，学生缺乏积极主动的思考，处于被动接受的状态，不利于学生创新能力的培养，也不适用于专业综合实验。

综合考虑专业综合实验的特点以及人才培养的目标的情况，把CDIO工程教育模式引入到焊接专业综合实验中来是非常适合的。

2 基于CDIO模式的焊接专业综合实验

2.1 实验教学条件的改善

燕山大学材料科学与工程学院材料综合实验室自2007年入选国家级材料综合实验教学示范中心后，学校及学院对实验教学加大了投入，建立了设施先进的焊接实验室，购入大量氩弧焊机、CO₂气体保护焊机、半自动埋弧焊机、电阻焊机、等离子切割机和磁粉探伤仪等先进企业广泛应用的焊接设备及焊接测量工具。与此同时，派出3名焊接专业实验教师进行国际焊接工程师培训，取得了国际焊接工程师资格证书。实验教学条件的改善和专业实验教师专业知识的提升将为焊接专业综合实验的开展铺平道路，使焊接专业综合实验的改革得以顺利进行。

2.2 焊接专业综合实验的改革

燕山大学开设的焊接专业基础实验课有：手工焊条电弧焊、钨极氩弧焊、CO₂气体保护焊、金属钎焊、电阻焊、搅拌摩擦焊、特种焊接方法认知、焊接变形及矫正、金属焊接性间接及直接实验评定、焊接热循环及焊接接头硬度分布测定、焊接接头金相组织观察、超声波探伤及磁粉探伤等。2009年开始，开设独立设课的焊接专业综合实验，2012年将CDIO工程教育模式引入到焊接专业综合实验中，对实验教学目标及实施方案进行了全面的改变，注重解决问题，团队协作及创新思维能力的培养，并对原有综合实验项目进行了扩充与更新，使之更为灵活，覆盖面更广，更改后的部分综合实验项目如表1所示，并且由24学时增至32学时，由以前的5～6人一组，改为3～4人一组。这种实验学时的增加以及分组的细化大大调动了学生对实验设计的独立思考，提升了学生理论联系实际的能力，给学生提供了更多动手的机会，让整个综合实验思路更加清晰，过程更加完整，达到的实验效果也越来越好。

将CDIO工程教育模式引入到焊接專业综合实验后，对应的焊接专业综合实验内容及学生培养目标如表2所示。

1）在构思阶段，通过给出实验目标，让学生构思实现目标的途径和方法，培养学生独立查阅相关资料的学习能力、运用基础理论知识的能力以及发散性思维的能力。在此阶段，专业综合实验在一定程度上弥补了学生在专业基础实验课中被动式学习的缺陷，有利于调动学生学习的积极性。

2）在设计阶段，通过前期的实验设想，深入查阅资料，选择并熟悉相应实验设备，确定相应的实验工艺，合理安排实验顺序，培养学生理论联系实际的能力及缜密思维的能力。在理论知识的基础上，学生通过自己的独立思考和设计分析，从而对提出的问题寻求有效的解决方法。

3）在实现阶段，根据前期确定的实验工艺，制备样品，并用相关设备实施焊接，在焊接过程中遇到问题，及时寻求解决办法，如通过调整焊接工艺参数，提高焊接质量，培养学生实际动手操作能力及团队协作能力。在这一阶段，学生可以将课本上别人的知识转化为自己的知识，可以将感性知识上升到一定的理论高度；在处理问题时，需要团队成员之间的相互交流沟通，集思广益，使解决问题的方法更加完善明确，用理论知识去解决实际问题。此外，每个专业综合实验项目一般都是具有一定实际意义的小课题，当学生进行该项目时，就相当于进行一个实际应用开发性小项目，当学生完成该项目时，学生的理论知识就能在实际中得以应用，从而更加激发其学习的积极主动性。

4）在运作阶段，对已经焊好的样品进行检验，如果存在较大焊接缺陷，再调整焊接工艺，进行焊接，直至焊接合格。对已经合格的焊接样品进行解剖，制备测试试样，观察焊接组织，并进行硬度测试，然后按照学术论文格式撰写报告。在这一过程中，学生综合分析与解决问题的能力得到提升，同时也强化了专业能力，即把微观组织与宏观性能相联系的跨越式思维的能力以及总结归纳的能力。与此同时，学生需详细地综合分析实验结果，根据已有的基础知识来解释观察到的实验现象，系统客观地分析，并认真细心地撰写实验报告。

这一系列的构思、设计、实验和运作阶段都是培养学生发现问题并利用专业知识解决问题的能力，提高其专业报告撰写的逻辑性，这些都为学生本科毕设的进行、深造研究生或是工作后技术报告的撰写打下一定的基础。

焊接专业综合实验改革，从小处着眼，但是却效果明显，普遍提高了毕业生的解决实际问题、团结协作与创新思维的能力。焊接专业学生一直是本校就业率最高的专业之一，就业率达到了99.5%以上。近些年，用人单位对本校焊接专业毕业生的认可度逐年提高，需求更是逐年增加，毕业生出现供不应求的情况。

焊接专业综合实验教学体系的流程图对应的CDIO模式如图1所示。综合实验内容按照CDIO模式进行拆分后，并针对不同的过程（如表2所示）安排相应的学时及成绩，改变以往只按照出勤率及最终实验报告给成绩的不足。此外，学院率先初步尝试对部分学生的焊接专业综合实验报告进行返还，改变以往学生无法知晓自己实验报告不足的缺陷。实验报告返还制度为学生提供反思实验报告不足的机会，与教师深入交流与辩驳的机会，对学生和教师的能力提升都有重要的价值。北京大学率先实行“试卷返还制度”的目的也在于此。通过试卷返还，参与试卷返还的学生普遍认为效果良好，获得了更多的书本以外的知识，并大幅度提升了实践能力，同时也使实验教师的能力水平得到同步提高。

焊接专业综合实验教学改革是借鉴其他院校的方法与经验上进一步优化，实践效果良好，也可供其他院校及专业借鉴并优化，以符合国家培养人才的需要。

3 焊接专业综合实验教学改革的下一步工作

在燕山大学国家级材料综合实验教学示范中心的运行过程中，焊接专业综合实验教学改革之后所取得的成绩不再赘述，其中最显著的效果是提高了学生的创新意识、创新能力和实践能力，满足了社会需求。但是，在焊接专业综合实验教学过程中也表现出了一些问题，如本校开设该课程时间为大四的第二个小学期，这段时间学生正集中精力在考研复习或求职应聘阶段，部分学生心思较为分散，时间也无法保障，无法集中精力于综合实验的构思、设计、实现和运作上，这就需要在课程时间安排上进行调整。在焊接专业综合实验过程中涉及到的设备使用问题也需要进一步协调，以达到实验流程无障碍。此外，目前仅对部分实验报告实行返还制度，下一步将逐步实行全部实验报告的返还制度，这也需要实验教师付出更多时间与精力。

4 结束语

综上所述，基于CDIO工程教育模式的焊接专业综合实验的改革，在很大程度上改变了传统教学模式，更为重要的是探索出了一条培养学生创新能力及团队协作的新路。对焊接专业综合实验的改革，普遍提高了毕业生的解决实际问题、團结协作以及创新思维的能力，提高了焊接专业毕业生的认可度。同时，实验教学应该与时代相同步，寻找适合本校特色和自身发展的新道路，使实验教学更加完善，真正实现学生的知识及能力与社会需求相同步。实验教学是个长期的过程，在其中会遇到很多问题，需要在不断的改革和探索中前进。