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1.1cdio教育模式概述
20世界80、90年代，高校工程专业所培养的毕业生难以适应现实工业生产的需要，使工业界逐渐意识到高等教育脱离实践这一问题，直接教育已经远远满足不了现今社会教育的发展需要。迫于这种形势，2001年由美国麻省理工学院联合其他三所著名高校，共同开发的一种全新工程教育理念和实施体系CDIO。CDIO教育模式旨在培养具有知识体系健全、双基扎实、工程业务水平高以及道德高尚的“新一代”卓越工程师。
1.2CDIO教育模式的应用情况
在国外，根据不同学科领域的要求，CDIO工程教育模式已被广泛应用且形成了一些特色CDIO教育模式。CDIO工程教育模式首先应用于麻省理工学院等4所高校的机械系、电气系。紧接着得到其他发达国家的认可，并且根据自己的情况开发出适合自己的具有特色的CDIO工程教育模式，以培养科学基础知识扎实，工程能力过硬的现代工程师，提高国家科技竞争能力。在国内，CDIO工程教育模式也得到了广泛的应用，2001年由北京交通大学主办，清华大学、北京航空航天大学、汕头大学、北京石油化工学院等高校协办的“2011北京CDIO区域性国际会议”称中国共57所高校开展CDIO工程教育模式试点工作，且已取得较好的成果。例如:汕头大学已根据自身教学情况以及资源，提出一种以工程设计为导向，以培养个人能力、团队能力和系统调控能力为主要目标的EIP-CDIO工程教育理念。汕头大学这种教育模式并不是发达国家CDIO教学模式的复制，而是吸取原有CDIO教育模式的经验精华之后，创立的属于汕头大学自己的工程师人才培养的教育模式，具有自己的特色，更符合自身教育教学实践情况。同时，CDIO工程教育模式也被应用于具体专业，例如:大连东软信息学院基于TOPCARES-CDIO工程教育理念，对专业设置驱动因素和影响因素进行分析，综合比较已有专业设置模型，应用鱼骨图的设计结构，引入模块化理念，突破固定维度限制，设计出鱼骨型专业培养方案设置模型。回顾国际工程教育改革背景，从哈尔滨理工大学工程教育与人才培养模式改革出发，结合校情，基于我校的物理专业的现况，以国外先进的CDIO教育模式为指导，借鉴国内的CDIO实践措施，建立起自己的CDIO工程教育模式势在必行。
2物理类专业现阶段的教育教学情况分析
第一、在大学物理类教学中，过分强调教师的教学量，进而忽视了其科研与办学的能力，这样就阻碍了大学在教学质量、科研成果和学校规划方面的发展。第二、学校的发展未能与社会同步，学校培养的人才不能满足社会的需求，更不能适应社会的发展。在校四年学习过程中，过多的学习科学理论知识，而忽略了实践环节，致使培养出来的学生缺乏工程实践能力以及创新能力;而这与社会需求的高素质的工程性人才是相悖的。第三、过分强调自然科学知识的学习，而忽略了人文科学的重要作用，致使培养来的学生丢失了传统文化，丧失伦理道德，成为“有才无德”之人，危害他人、危害社会。然而，CDIO工程教育模式要远远优于传统的教育模式，它拥有一套完备的教学框架，有自己的教学的大纲以及教学宗旨。首先，以德为本，培养具有高尚职业道德的人;其次，以学生自学为主，帮助学生掌握专业基础知识以及精湛的技艺，帮助学生开拓自己的创新能力以及认识自己潜在的价值;在此基础上，在人才培养中将教育过程与实际工程领域具体情境结合，培养“德才兼备”的新一代高水平工程师。因此，我校物理类专业可依据经典CDIO工程教育模式，构思适合自身情况的教育模式以及培养方案，以弥补现阶段教育教学中的不足，提高教学质量，促进学科发展，适应社会发展。
3构思基于CDIO模式的物理类专业教学培养方案
3.1科学理论基础的学习以及考核制度
根据大学生教学大纲指示，为完成大学生自学能力的培养任务，有关学生科学基础知识的学习当实施以“学生自主学习为主，老师答疑解惑为辅”的主观能动性学习模式。第一阶段:首先由教师对相关学科的知识点进行归纳、总结，并制定学习计划，然后将学习知识点以及学习计划分发到学生手中，由学生自行完成基础知识的学习过程(记忆、理解)，最后由教师编辑题库，对学生进行基础知识的考核，考核结果分为优、良、中，不合格4个级别，不合格者则不得进入下一学习阶段。第二阶段:首先由教师划分制定不同的知识模块，完成由同学选择自己喜爱的知识模块进行系统研究，挖掘知识深度，再由同学针对已学习的知识模块进行答辩，展示自己的学习成果，重点讲述自己对知识点的理解以及相关知识的联系性，最后由老师对其的答辩进行点评，提出今后的学习研究重点，并且给予答辩评价，并且此过程为循环过程，要求每个同学依次掌握不同的模块。第三阶段:基于第一以及第二阶段的学习成果，教师评定出学生的学习成绩(优、良、不合格3个级别)，成绩为优、良者方可参加相关的科技竞赛、科研项目，并且科技竞赛与科研项目的成绩可以转换成一定的学分，对于在科技竞赛以及科研项目中表现突出的同学，学校可以对其进行精英式培养，作为学校、社会以及国家的储备人才，为进一步培养优秀人才，奠定基础。第四阶段:仅仅经过以上3个阶段的培养，只能在专业技术方面对一个人有一定的提高;然而，这并不能使一个人在德行方面有所提高或蜕变。因此，对于基于CDIO模式物理专业人才的培养还需要新阶段的锻炼与培养，并且这个阶段势在必行。基于本校的特殊情况，应采取以下方案，来对学生的德行方面进行一个积极的考量与培养:首先由学生在年终进行自我评价，尤其是德行方面的表现进行逐一评价;接下来有辅导员、班主任以及一名任课老师给出相关的综合评价，最后由专家评论组对学生的德行给予中肯符合实际的评价。同时，将这次的评价结果告知学生，以便学生明确以后努力的方向，弥补不足，完善自己。
3.2科学理论学习与科技竞赛相结合
在夯实基础知识与基础能力之后，教师组织学生参加一些对理论分析、计算能力要求比较高的竞赛，比如:哈尔滨理工大学学术物理竞赛，全国大学生“高教杯”数学建模竞赛等。通过这类比赛来培养学生的团队协作能力，更重要的是在比赛过程中，可以将学习的数学、物理、化学等理论知识应用其中，使同学们对课本中的理论知识有一个新的认识。并且通过竞赛可以带动、检验基础知识的学习，让同学体验到用知识解决实际问题、解释现象的快乐，这样能够更好地激发学生的学习兴趣，提高学生的学术修养。在我校近期举行的《哈尔滨理工大学首届物理学术竞赛》中，参赛队员在比赛过程中得到锻炼，掌握设计出一套适合自己的解决问题的方法。最后，由教师结合比赛过程中学生的表现以及学生的比赛结果基于一定的评价分别为(优、良、中、差)。此评价结果计入学生的期末总评成绩。
3.3科学理论学习与科研项目相结合
在进行上述2个环节之后，接下来的环节要注重科学理论知识的实践应用以及交叉学科知识的运用，根据哈尔滨理工大学的现况，采用工程项目育人还是可行的。首先由教师进行交流、讨论，针对学科特点以及知识进行构思，设计出覆盖知识面广、切实可行的不同类型的工程项目;接下来由同学们进行自由组队，进行选题;然后，开展团队合作，对工程问题提出解决方法，进行实验验证亦或制作出作品;最后由专家在组织答辩，学生的作品以及研究方法进行评价。比如，我校近期开展的《哈尔滨理工大学首届物理实验演示仪器竞赛》，这个活动激发大学生对大学物理的兴趣，培养大学生严谨的学习态度、科学的研究方法、综合运用所学知识解决实际问题的能力和进行实验研究的能力，并且对于改进我校的实验演示仪器作出了贡献。
3.4横向学习要与纵向学习相结合
在3.1、3.2以及3.3中拟定了具体的基于CDIO模式的物理类专业教学培养方案以及实施方法，本节将从一个高的层次来看待CDIO工程教育模式。CDIO工程教育模式的学习不仅仅是单一方面的横向学习与纵向学习，而是二者的有机结合。纵向学习，能够解决一个问题的“然”与“所以然”，能够让学生深刻的理解一个问题的来龙去脉，但是对于与这个问题相联系的事物却没有详细的了解，从而限制了人思考的角度，没有全局的意识;然而横向学习，能够拟补这一缺憾，从类比、相似以及反推的逻辑思维来阐释同一类问题，这从通俗的层次传授了方法论与逻辑学知识。这样，基于横向与纵向学习的CDIO工程教育模式，不仅仅培养了具有较高等技术的工程师，更是培养了有思想的较高素质工程师。
3.5校内学习与社会实践学习相结合
综上提出的4个方面，仅仅是依托于学校固有的教学资源，开展的培养提高学生能力的项目，然而这些项目却与实际的社会生产创造需求脱轨;虽然它们能够在某种程度上提高学生的专业、道德水平，甚至说是综合素质，但是离高水平一流的工程师还有一定差别，有一段距离。为了弥补这一差距，还应进行以下三方面的改进:第一、学校除了在充分利用现有固定可见教学资源的基础之上，还应该发挥学校各种潜在的能力，挖掘一定的社会资源，比如:在专业技能培养方面，应注重与科技公司，生产工厂等建立联系;在社会公德、道德培养方面，应注重与一些敬老、养老院或者与志愿者相关的部门单位建立关系等。第二、学校在挖掘这些潜在的资源之后，应将学生定期派遣到对应单位，进行短期、长期等时间不等的培养与教育，与这些单位共联合，对进一步提高学生的综合素质作出努力。在培养过程中，所涉及的培养内容，无需拘泥于形式，可以是实践操作、工程技能培训、讲座、交谈会、茶话会、素质拓展以及其他的健康向上、丰富多彩的活动。第三、在完成以上相关活动后，每位同学都需要进行答辩报告，对自己进行客观的评价，包括表现突出以及不足两方面，以及自己在整个培训过程中自己的收获;除此之外，学校与相关参与单位应该组成专家评审团，根据学生的表现，给出客观可行的综合评价，主要包括专业技能的提高以及道德修养进行点评，给学生提出合理、公正、客观努力方向，使得学生想优秀、甚至是杰出的工程师买进一步。
4结语
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关键词：智能制造；人才培养质量；工程教育认证；中国制造2025；OBE模式
中图分类号：G718 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2017）07-0036-06
一、研究背景
智能制造需要什么样的人才？周济院士指出：智能制造是一个大系统工程，要从产品、生产、模式、基础四个维度系统推进，其中，智能产品是主体，智能生产是主线，以用户为中心的产业模式变革是主题，以信息-物理系统（CPS）和工业互联网为基础。由此可见，智能制造覆盖产品全生命周期及企业运营管理的方方面面[1]。从机械专业本科人才能力需求角度来看，新模式下的制造企业对于机械制图及计算机辅助制造（CAD、CAM）的应用能力要求越来越高；对机械、电气等基础知识的要求，如电工电子技术、精度检测与公差配合、液压与气动技术应用、编程等将成为所有岗位的必备技能，必须人人过关；人机工程、CAPP、加工过程动态仿真、物联网、云计算、大数据等新技术也需要学生有所了解[2]。除了专业技能外，学生的综合素质也是关键因素。国际工程界推行的工程教育认证一一华盛顿协议所要求的毕业12项素质是：工程知识、问题分析、设计/解决开发方案、研究、使用现代工具、职业规范、沟通、团队合作、工程与社会、环境和可持续发展、项目管理、终身学习[3-4]。12项能力要求里面后7项无疑与企业所要求的品质相契合。
那么，如何培养出智能制造所需要的且符合12项毕业要求的合格人才？目前看来，基于学习产出的OBE（即Outcome Based Education）教育模式卓有成效[5-6]。自美国工程认证委员会（ABET）颁布和实施重视学生产出的EC2000认证标准后，从上世纪末开始，欧美各国工程教育认证组织都先后改革认证标准，视学习产出为一项重要的质量准则，并由此延伸开来，在国家学位标准、高校教育目标、专业培养计划中都以学习产出为重要质量准则[3]。汕头大学执行校长顾佩华教授长期积极推动中国工程教育的改革和实践CDIO（构思―设计―实施―运作）工程教育模式，近年来特别强调基于结果（OBE）的工程教育，汕头大学也对高水平OBE工程教育模式进行了全方位的、卓有成效的实践，对本课题具有重要的借鉴意义[7]。安徽理工大学“双创”成果导向下的工程教育体系取得了初步成效[8]。北京交通大学采用OBE理念创新了本科实习模式，将毕业能力有机地导入实习模块和工程模拟训练中，知识点环环相扣，全程跟踪和评估实习过程，实现了“因材施教”的目的[9]。华侨大学研究了基于OBE理念的工程教育认证下精细化工工艺课程教学改革，促进了精细化工工艺课程教学质量的持续改进[10]。笔者主要探讨智能制造背景所需的知识、技能、素养，采用OBE理念，研究面向智能制造的人才培养新模式。
二、智能制造模式下基于OBE理念面向产品全生命周期的课程体系设置
本文参照毕业要求的12项能力，以OBE理念为指导，以第一、二、三课堂为平台，以智能制造的产品全生命周期构建的课程体系为根基，为智能制造培养合格的工程应用型人才，研究模型如图1所示。第一、二课堂的教学目标是打牢智能制造所需的基础知识技能，第三课堂则以培养综合素质为目标。
各项能力、素质的培养需要载体。笔者将智能制造的产品全生命周期设置的课程体系作为载体，如图2所示。该体系包含DMCAM五个模块，即设计模块（Design）、制造模块（Manufacture）、控制模块（Control）、装调模块（Adjust）、管理经营模块（Management）。DMCAM五模块与第一、二、三课堂的具体内容一一对应，且融入智能制造的理念和技术。在教学过程中，由大小项目贯穿。项目是按照OBE理念设计的，设计原则是既源于企业又符合教学规律，由浅入深、由简入难，既全面又有针对性。如普通机床模型、数控机床模型、生产线模型等。将这些项目分解到DMCAM五个模块的各个环节n程，每个小环节都设有评估检测，并在最终的实训环节以小组形式提交制作模型。
设计模块：主要培养学生的机械设计能力，包括识图、制图能力，计算机应用能力，常用机构种类及应用、校核、仿真能力等，由以下各环节实现：第一课堂理论课包含通识课程（高等数学、大学物理）、专业基础课程（机械制图、理论力学、材料力学）、专业课程（机械原理、机械设计、机械创新设计、机械CAD/CAM、夹具设计）、选修课程（冲压模具设计）等组成；第二课堂实践课包含理论课程对应的实验及课程设计，如物理实验、部件测绘课程设计、企业认知、三维造型设计、机械设计课程设计、机械创新实践、夹具设计课程设计、制图强化训练；第三课堂主要是课外训练，包括课外训练及竞赛。课外训练是学生利用课余时间进行CAD、CAM的大量练习，由机械CAD/CAM协会组织；竞赛分为校级、市级、国家级三个层次，如校级CAD/CAM竞赛、天津市投影制图竞赛、全国应用型人才技能大赛（创新创意设计大赛）、CaTICs网络赛、教育部信息中心赛项等。设计模块里主要讲解普通机床、数控机床、生产线模型的机械结构。
制造模块：通过三类课堂的有机结合，培养学生实际操作能力、解决机械工程问题的能力。该模块充分发挥我校制造强项，以机械制造核心课程为主线，辅以智能制造领域的3D打印和数字化制造等相关技术。第一课堂理论课包含专业基础课程（工程材料及成型技术、互换性与测量技术）、专业课程（金属切削原理及刀具、金属切削机床、数控机床及编程、金属切削工艺、数控加工工艺、快速成型技术、特种加工）、专业特色课程（现代切削刀具与工量仪使用技术）、选修课（塑料成型工艺及设备）等。第二课堂包含理论课程对应的实验、金属切削原理及机床课程设计、工艺课程设计、实训（职业技能训练与鉴定、技能拓展训练）等。第三课堂由学院的创新协会组织平时的训练、竞赛，比赛包含学校“松正杯”机器人大赛、新伟祥作品比赛、天津市“机械创新设计”大赛、天津市“挑战杯”大赛、全国大学生“挑战杯”大赛、全国“机械创新设计”大赛、全国应用型人才技能大赛（机械设计与制造综合技能大赛）。制造模块里主要讲解普通机床、数控机床、生产线模型的加工及装配的工艺。
控制模块：机械专业的学生学习电路、编程、控制类的课程总是觉得吃力，教师也觉得教学效果不佳。本课题拟以智能制造所需要的技术为主线，打造电工电子技术、C++语言程序设计、液压与气动控制技术、计算机工业控制、传感器与检测技术、机床电控及PLC、机械控制工程、机器人技术及应用的控制类课程群。第二课堂由液压与气动课程设计、机电一体化训练组成。本模块的开设主要为了拓宽机械专业学生的思路，满足智能制造的需要，也为制作各种智能机构、参加各类比赛进行控制类知识和技术的储备。控制模块里主要讲解数控机床、生产线模型的控制系统。
装调模块：主要由技能拓展的实训环节、毕业实习、毕业设计完成。装调模块里主要进行普通机床、数控机床、生产线模型的装调、测试。
管理经营模块：本模块涵盖的内容丰富，主要培养学生情商，如沟通、团队合作、职业规范、工程与社会、环境和可持续发展、项目管理、终身学习能力等。第一课堂里包括大学英语、思想政治、近代史、生产运营管理等；第二课堂包括科技文献写作实践、师范教育技能训练、微格教学、教育实习等；第三课堂包括师能展示月活动，由教育家协会负责训练和比赛。
第一课堂侧重理论讲解，知识点细化，打牢解决复杂工程问题的基础，包括设计实验、分析与解释数据，并通过信息综合得到合理有效的结论。
第二课堂由实验、实训、课程设计、毕业设计组成，在实验室、实训室完成。充分发挥我校的国家级实验实训中心的特色，学生可以参加钳工、加工中心、数控车、车铣复合、三坐标测量、数控程序员的培训，并可以获得相应的资格证书。拓展训练里还可以进行五轴编程、线切割、电火花、快速成型的训练。在实践中训练熟练使用CAD、CAM、CAPP等智能设计所需软件的能力，培养职业规范能力、沟通能力、使用工具能力、解决复杂问题的能力等。
第三课堂由三层次28模块竞赛（如下页图3所示）、课外20学分组成。其中，竞赛由国家级、市级、校级三个层次以及基础素质、专业技能、创新应用三个维度组成，形成从普适到拔尖人才培养的模式，侧重培养沟通能力、团队合作能力、工程伦理、社会责任感、环境和可持续发展能力、.项目管理能力、创新创业能力等。在实验室、实训室、赛场、企业完成。充分发挥学生社团的作用，由教师带领机械CAD/CAM、机械创新协会、教育家协会等社团完成训练和参赛各环节工作。实践证明，竞赛过程是对学生全面锻炼、提升的过程，经过比赛训练的学生在毕业设计环节及工作中表现得游刃有余。因为比赛不仅考察知识、制作能力，更重要的还有宣传页的构思制作、答辩演讲、参赛的组织等多方面锻炼，是锻炼沟通能力、合作能力、责任感、项目管理能力的好时机。所以，本课题拟将比赛环节与第一课堂有机结合，贯穿教学始终。课外20学分由智能制造的系列讲座组成，拟聘请智能设计、智能生产、智能管理、物联网等行业专家以讲座的形式将智能制造的关键技术和理念传输给学生。此外，学校已与哈量、沈阳机床、大连机床、虚拟软件公司、职业院校建立有长期的合作关系。校外基地不仅可以提供实训场所，还提供教学用项目，来源于实际的项目最有效。
三、 四位一体的教学方法
课程体系的实现还需要有活力的教学内容和教学方法。笔者采用理实结合、虚实结合、传统与现代先进技术结合、学校与企业实践结合的四位一体的教学方法。
理论和实践结合是行之有效的教学和学习的方法。本专业的优良传统就是理论课程和实验课程有机结合，实训环节贯穿学习的全过程，实践环节在培养方案的占比高达40%。实践证明，学生的动手能力在工作中得到用人单位的认可。本专业还将继续沿用理实结合的方法，注重培养学生的创新意识、创新思维和创新能力。
虚实结合，形成课程资源包（含微课、PPT、视频等）、虚拟仿真装备、实物实训装备“两虚一实”的数字化资源与实物装备于一体的教学模式，如图4所示。目前，虚拟仿真技术的应用日益广泛。虚拟仿真技术对于教学也有事半功倍的作用，提高了教学效率，降低了教W成本，培养了创新意识，激发了学习兴趣。一些难于理解的知识点，如刀具角度的认识、顺逆铣削、坐标系的关系等，可以制作成微课；一些常识和技巧，如科技论文写作、制图方法等，也可以制作成微课，供学生随时学习。购置一些虚拟仿真软件，如数控机床的拆装软件、数控加工仿真软件等，可以在进行实物拆装和加工前进行仿真训练，极大地提高实践教学效率，降低实践教学成本；在一些虚实结合的软件上开发虚拟机构，采用真实的单片机或PLC控制样机，提高样机开发效率，为比赛赢得宝贵的时间；另外，还可以开发或购置各种虚拟的智能制造的生产线，实现在校园里就可以感受智能制造的生产环境。在虚实结合的学习过程中，让学生感受并掌握数字化设计、制造的方法。
传统与现代先进技术结合。面向制造业的人才能力需求现状与专业知识结构，需要夯实传统技能，强化专业素质，如机床、画图、设计的基本常识和基本的工艺知识，打牢编程基础；同时面向智能制造发展现状及趋势，有针对性地对接、强化先进制造与高端制造技术，如机器人应用技术、3D打印技术、制造物联技术及智能生产技术等。注重传统技术与现代技术培训的衔接过渡。
学校与企业实践结合，理论学习与实践实训深度融合、深度互动。在与企业合作过程中发现了一些问题，比如有些工程师技术高超，但讲解乏味，缺少教学方法；再如，企业的某一工种的技术单一，单纯的定岗实习达不到真正的训练目的。笔者提出的校企合作、产教融合采用教师深入企业一线，参与企业具体工作，把企业的经验、工艺、生产流程变成易于学生接受的方式，循序渐进地融入到课程体系中，同时根据新技术、新模式的发展不断充实实践内容，促进企业发展。
四、面向学习结果的评估体系构建
在微观上，对每个学生的每个模块设计每门课程的评价指标，课程的评估体系采用在线考试闭环控制”和“形成性评价”。对于教师每门课程的教案由以前的知识目标转变为知识目标、技能目标、能力目标。在宏观上，设计用人单位、毕业生的评估体系，从而形成双闭环的评估体系，为教学效果保驾护航。
各模块的评价体系如表1所示。质量评价等级标准及内涵如表2所示。
五、充满活力的“双师型”师资队伍建设
OBE培养模式对教师提出了更高的要求。OBE不限定教师采取什么样的教育方法和教育内容，只通过指定阶段性的学习期望为教师指明方向。汕头大学在实践中也提到教师要花大量精力与时间用于学生的个性化辅导、教学文档撰写、构想预期学习产出、设计教学策略及评估等，教师承担着繁重的教改任务[1]。所以，OBE教育模式既为教师充分展现教育艺术实现既定目标提供了广阔空间，也对教师自身的知识结构、能力、素养提出了更高的要求，尤其强调热爱教育事业的敬业精神[11]。
首先，通过全员参加学校举办的教师“双师杯”技能培训、参加特色培训、参加国际会议、直接参与企业生产等形式增强教师自身的能力。秉承送出去、请进来的理念，对青年教师进行沉浸式培养及国际化合作与服务。聘请企业技术人员做技术讲座和专项辅导，与企业一线人员面对面。培育一大批既有深厚的理论知识、又有扎实的实践基础的高素质“双师型”一体化师资。
其次，及时了解学生是否达到了阶段性教学目标，根据结果及时调整资源配置、师资培训和学生辅导等工作。教也明确了自己在教学质量提升过程中的责任，不断改进工作。
通过第一、二、三课堂的有机结合，理、虚、实结合，全方位、多视角培养学生的多方面能力。按照智能制造的产品全生命周期设置课程体系，形成DMCAM五个模块，即设计模块（Design）、制造模块（Manufacture）、控制模块（Control）、装调模块（Adjust）、管理经营模块（Management）。DMCAM五模块与第一、二、三课堂的具体内容一一对应，以期在基于学习产出的智能制造人才培养模式指导下培养出一批高素质、高质量的人才。
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