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摘 要：为了提高学生的模具制造工程应用能力，提出基于先进的CDIO理念构建出探究式项目教学方案。介绍了CDIO工程教育理念的主要内容和基本特点，并以注射模具加工为例对模具制造过程中的构思、设计、实施以及运作等四个阶段进行了详细的分析和阐述，分析了在实施过程中可能会遇到的一些问题。
关键词：CDIO工程教育理念；模具制造工程；项目教学法
Construction of inquiring project-teaching based on CDIO: with mold manufacturing engineering as an example
Hou Junming, Ding Wengzheng, Wang Mulan
Nanjing institute of technology, Nanjing, 211167, China
Abstract: In order to improve the practical engineering ability of mold manufacturing, the scheme of inquiring project-teaching was constructed based on the advanced CDIO engineering education thought. The major contents and its features of CDIO were simply introduced. Focusing on the training of mold manufacturing engineering ability, the four stages of mold manufacturing solutions, including conceiving, designing, implementing and operating, were analyzed. Finally, the problems probably occurred in the process were proposed and discussed.
Key words: CDIO engineering education thought; mold manufacturing engineering; project-teaching method
对于工程类如计算机辅助制造与数控加工专业方向的学生而言，不仅要学习书本上的理论知识，而且要将其贯穿于实践中，才能做到真正的学以致用。同时，不断提高的市场需求也要求学生能够具备更宽的知识面和更深入的专业实践能力，所以工程实践能力对于学生自我素质的提高以及就业尤为重要。教育部于2009年年底在全国组织实施“卓越工程师教育培养计划”，旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才。本科阶段的培养目标为应用型工程师，主要是在现场从事产品的生产、营销、服务或工程项目的施工、运行、维护。针对机械设计制造及其自动化专业先进制造技术方向，如何提升学生的模具制造能力是卓越工程师计划研究的主要内容，也是需要解决的重要课题之一。
1 CDIO理念与探究式教学
由麻省理工学院和瑞典皇家理工学院等四所大学联合组成的工程教育改革团队提出并倡导的全新CDIO理念，是近年来在国际上新出现的教育模式。CDIO工程教育理念主要包括构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)四个阶段。
第一阶段是构思，包括根据最终的客户需求，考虑到技术、企业战略和法规，制定框架性的计划，其中主要包括技术可行性和商业可行性两个方面。第二阶段是设计，主要是创造性的设计、计划、图纸和计算等实施所需要的设计内容。第三阶段是实施，涉及将设计的内容实施，包括硬件设计制造、软件的程序编写以及测试和验证。第四阶段是运作，采用实施阶段所形成的产品或系统达到预期的目的，包括产品或者系统的维护、优化、回收和淘汰系统等方面。
CDIO能力培养大纲将学生的能力分成了四个层面：工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力。
探究式教学即教师给学生一些事例和问题，让学生自己通过查阅、实验、思考、讨论、听讲等途径去独立探究，自行发现并掌握相关知识的一种教学方法。
不难看出，CDIO理念对教育的改革方向，与探究式教学目标一致。尤其是对于工程类的学生，不仅要掌握必需的基础知识，而且要具有一定的实践过程，能够参与到企业有创造性的产品开发等实践中去，从而理解科学研究和技术发展能够推动社会的进步和发展。这不仅是对学生知识上提高的要求更是对学生能力的提高和综合素质提高的要求。下面以模具制造工程为例讨论学生模具制造能力的培养方案和实施。
2 模具制造能力培养现状分析
随着制造业的迅速发展，越来越多的企业对有一定工程实践能力的模具制造工程师的需求越来越大。而作为学校培养出来的学生一般都具备一定的模具设计和制造的理论知识，可对于模具制造部分的实践比较匮乏。所以模具制造工程师多是通过在企业中不断进步和学习而得出来的，学校直接培养出来并能参与企业的实践和加工等内容的现场工程师比较少。
究其原因主要是由于以下几个方面造成：现在大多数学校都着重于学生模具设计能力的培养和提高，在模具制造这个环节略讲或者不讲，而是以理论课讲述为主，这就造成了模具设计和模具制造两个部分脱节。并且学生对模具制造部分没有直观和深刻的认识，不能理解或者不能充分理解模具制造过程中的一些问题，更不能根据企业的实际状况灵活加以应用，所以进入企业后要将书本上的知识和实际应用很好地联系起来还有较大的差距。
为了提高学生的工程实践能力，使之与企业的需求接轨，避免或者消除传统的模具制造能力培养过程中的一些问题，使学生的工程应用能力和实践知识得到较大提高，培养出符合社会需求的合格的模具制造“卓越工程师”迫在眉睫。
3 立足CDIO的模具制造能力提升
模具制造能力提升的主要方法是基于CDIO工程教育理念，进行一系列模具制造相关项目的设计和实施来达到教学目的，最终实现模具制造工程应用能力的提升。
由于本文主要涉及模具制造方案和制造能力的提高两个方面，而方案制定等内容都是在模具设计基础上进行的，所以对模具设计部分内容不做详述，塑料模具总装三维图形如图1所示。
每副塑料模具通常是由多个零件总装而成，在实际的项目实施过程中，可以对学生进行分组，进行零件分配。加工完成后，各组对整副模具进行总体装配。下面以其中一个零件定模板为例进行分析说明，图2和图3分别为定模板的三维模型图和二维零件图。
3.1 模具制造方案的构思
零件的加工制造都是根据已经制定的加工工艺卡片进行，而加工工艺卡片的制定是在对被加工零件进行详细分析的基础上进行的。所以首先要对定模板的零件图进行分析，包括尺寸精度、形状误差和表面粗糙度。这些都是确定零件加工方法和加工顺序的基础。
如果要进行模具制造方案的构思，必须将制造方案中几个主要内容的相互关系理清，模具制造方案主要包括毛坯的选择、加工方法的选择、加工顺序的安排、基准的选择、机床和工具的选择等几个部分。其中加工方法和加工顺序的选择是其中的主要内容和重点内容。
选择毛坯就是根据零件尺寸选定被加工的坯料，具体包括坯料的尺寸选择和材料选择两个方面。
选定加工方法就是根据被加工工件的精度和表面粗糙度等要求确定加工方法，根据分析可知，由于模具零件的高精度和表面粗糙度要求，所以此零件通过数控车床和数控铣床的机加工不能达到精度要求，而需要对工件进行进一步加工，即磨削加工。
安排加工顺序，主要包括机械加工顺序的安排、热处理工序的安排和辅助工序的安排等。加工顺序的安排将考虑到加工精度、表面粗糙度以及合理使用机床、降低生产成本等方面。
选择基准，基准分为多种，在模具设计阶段有设计基准，在模具制造的工艺制定过程中主要考虑装配基准、测量基准、定位基准和工序基准等几个方面的内容。
选择机床与刀具，即根据零件的形状以及尺寸精度等要求选择机床、刀具以及夹具工装等。
3.2 模具制造方案的设计
模具制造方案的设计是在对图纸进行分析并对方案进行全面构思的基础上进行的，即分析加工工序，并安排工序的内容、顺序和加工余量。根据被加工零件尺寸确定坯料尺寸，通过锻造和退火去应力后，其尺寸为168×148×38。磨削上下两个大面和侧面作为加工基准，并根据孔的大小选择加工方法和加工设备以及刀具。最终定模板的加工工艺见表1。
3.3 模具制造方案的实施
根据制定的加工工艺进行工序的准备和实施，准备阶段要进行坯料和夹具以及刀具的准备。为此需要为每一道工序制定工序卡，以方便准备坯料和刀具，并且对每一步加工的余量以及精加工的精度要求进行定义，为后续数控加工程序的编制和工件精度的测量提供依据。在制定工序卡片以后进行程序的编制以及试运行，无误后进行加工，具体内容见表2。当加工完成以后，各组加工的零件进行试装配，对装配过程中出现的问题进行调整直至符合要求为止。
由于在模具零件加工完成以后，需要多个小组合作进行装配和调整，所以在方案的设计阶段就需要各组之间互相沟通和交流，统一基准，以提高加工后零件的装配精度，减少修磨调整次数。同时，这样的多个小组合作沟通过程也能增强学生的团队合作意识，并且能够从工艺的整体角度考虑模具制造和模具装配之间的内在关系，锻炼学生的系统工程意识。
3.4 模具制造方案的运作
模具制造方案的运作阶段要求学生能够融会贯通，对上述设计加工的模具考虑降低生产成本和提高工效等，并给出相应的改进方案，以达到优化的设计目的。然而由于零件制造精度等方面的影响，所以装配而成的塑料模具多会出现一些问题，需要进行多次的修配和调整试验以后才能投入使用。另外，对本次设计加工失败的产品也要总结教训找出失败的原因，为学生的工程制造积累经验，也是对其模具工程制造能力的提升。
随着学生制造技能和熟练程度的提高，在同类产品的设计和制造过程中，学生的制造时间将大幅缩短。通过多个小组合作完成的多个模具零件最终装配成一套塑料模具，如图1所示。
再现将装配的模具应用于注塑成型设备试制塑料件，测量其尺寸精度和形状精度以及表面误差等是否满足要求，对塑件不合格或者工作不正常的问题找出原因，调整修理模具，直至模具工作正常，试件合格为止。
4 实施效果及碰到的问题分析
通过CDIO的教学模式进行学生模具制造能力的提高，其效果是学生的动手实践能力明显提高，团队合作意识也得到了很大提升。同时随着实践的进行，学生的应变能力及处理问题的能力也随之提升。但同时也存在一些问题需要合理解决：
(1)在整个制造方案的制订以及实施过程中，需要多个实验室的互相配合，如需要计算机辅助设计与数字化制造实验室以及数控加工实习基地等的紧密配合才能够完成。
(2)模具制造过程会造成成本的大幅度上升，尤其是在实践操作的起始阶段，例如坯料和刀具的报废等。
(3)对教师以及实验指导人员的技能要求提高，如要求教师对整个制造环节进行总体指导与把握，当几个小组同时开始模具制造时要求测量工具和刀具等能够及时准备就绪。
5 结束语
模具制造是模具设计与制造系列项目中的一环。模具设计与制造系列化项目教学包括模具设计、模具制造、模具三坐标测量以及试模等。当学生能够熟练掌握模具制造项目内容后，则进行后续测量以及试模的工程训练。通过实现式的活动和体验式的学习过程使学生对课本知识的认识不再是抽象的概念，而是建立了一种直观的认知结构框架，进而帮助学生加深对知识的掌握和理解。
贯彻CDIO理念的模具制造能力提高方案同时能够提高学生的学习积极性，并且对学生的团队合作意识、人际沟通能力、降低成本的经济意识以及系统化工程意识都有一个较大的提高，是一种符合社会需求的系统化的工程人才培养模式。
参考文献
[1] 康全礼，陆小华，熊光晶.CDIO大纲与工程创新型人才培养[J].高等教育研究学报，2008，31(4)：15～18
[2] 许树勤，王文平.模具设计与制造[M].北京：北京大学出版社，2007
[3] 田光辉，林红旗.模具设计与制造[M].北京：北京大学出版社，2009
[4] 周明虎，汪木兰，封世新.项目教学法的实施与典型案例分析[J].中国现代教育装备，2010，13：6～8
[5] 汪木兰，周明虎，李建启.以项目教学为载体制定先进制造技术卓越工程师培养方案[J].中国现代教育装备，2010，12：15～19
关键词：CDIO工程教育理念；模具制造工程；项目教学法
Construction of inquiring project-teaching based on CDIO: with mold manufacturing engineering as an example
Hou Junming, Ding Wengzheng, Wang Mulan
Nanjing institute of technology, Nanjing, 211167, China
Abstract: In order to improve the practical engineering ability of mold manufacturing, the scheme of inquiring project-teaching was constructed based on the advanced CDIO engineering education thought. The major contents and its features of CDIO were simply introduced. Focusing on the training of mold manufacturing engineering ability, the four stages of mold manufacturing solutions, including conceiving, designing, implementing and operating, were analyzed. Finally, the problems probably occurred in the process were proposed and discussed.
Key words: CDIO engineering education thought; mold manufacturing engineering; project-teaching method
对于工程类如计算机辅助制造与数控加工专业方向的学生而言，不仅要学习书本上的理论知识，而且要将其贯穿于实践中，才能做到真正的学以致用。同时，不断提高的市场需求也要求学生能够具备更宽的知识面和更深入的专业实践能力，所以工程实践能力对于学生自我素质的提高以及就业尤为重要。教育部于2009年年底在全国组织实施“卓越工程师教育培养计划”，旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才。本科阶段的培养目标为应用型工程师，主要是在现场从事产品的生产、营销、服务或工程项目的施工、运行、维护。针对机械设计制造及其自动化专业先进制造技术方向，如何提升学生的模具制造能力是卓越工程师计划研究的主要内容，也是需要解决的重要课题之一。
1 CDIO理念与探究式教学
由麻省理工学院和瑞典皇家理工学院等四所大学联合组成的工程教育改革团队提出并倡导的全新CDIO理念，是近年来在国际上新出现的教育模式。CDIO工程教育理念主要包括构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)四个阶段。
第一阶段是构思，包括根据最终的客户需求，考虑到技术、企业战略和法规，制定框架性的计划，其中主要包括技术可行性和商业可行性两个方面。第二阶段是设计，主要是创造性的设计、计划、图纸和计算等实施所需要的设计内容。第三阶段是实施，涉及将设计的内容实施，包括硬件设计制造、软件的程序编写以及测试和验证。第四阶段是运作，采用实施阶段所形成的产品或系统达到预期的目的，包括产品或者系统的维护、优化、回收和淘汰系统等方面。
CDIO能力培养大纲将学生的能力分成了四个层面：工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力。
探究式教学即教师给学生一些事例和问题，让学生自己通过查阅、实验、思考、讨论、听讲等途径去独立探究，自行发现并掌握相关知识的一种教学方法。
不难看出，CDIO理念对教育的改革方向，与探究式教学目标一致。尤其是对于工程类的学生，不仅要掌握必需的基础知识，而且要具有一定的实践过程，能够参与到企业有创造性的产品开发等实践中去，从而理解科学研究和技术发展能够推动社会的进步和发展。这不仅是对学生知识上提高的要求更是对学生能力的提高和综合素质提高的要求。下面以模具制造工程为例讨论学生模具制造能力的培养方案和实施。
2 模具制造能力培养现状分析
随着制造业的迅速发展，越来越多的企业对有一定工程实践能力的模具制造工程师的需求越来越大。而作为学校培养出来的学生一般都具备一定的模具设计和制造的理论知识，可对于模具制造部分的实践比较匮乏。所以模具制造工程师多是通过在企业中不断进步和学习而得出来的，学校直接培养出来并能参与企业的实践和加工等内容的现场工程师比较少。
究其原因主要是由于以下几个方面造成：现在大多数学校都着重于学生模具设计能力的培养和提高，在模具制造这个环节略讲或者不讲，而是以理论课讲述为主，这就造成了模具设计和模具制造两个部分脱节。并且学生对模具制造部分没有直观和深刻的认识，不能理解或者不能充分理解模具制造过程中的一些问题，更不能根据企业的实际状况灵活加以应用，所以进入企业后要将书本上的知识和实际应用很好地联系起来还有较大的差距。
为了提高学生的工程实践能力，使之与企业的需求接轨，避免或者消除传统的模具制造能力培养过程中的一些问题，使学生的工程应用能力和实践知识得到较大提高，培养出符合社会需求的合格的模具制造“卓越工程师”迫在眉睫。
3 立足CDIO的模具制造能力提升
模具制造能力提升的主要方法是基于CDIO工程教育理念，进行一系列模具制造相关项目的设计和实施来达到教学目的，最终实现模具制造工程应用能力的提升。
由于本文主要涉及模具制造方案和制造能力的提高两个方面，而方案制定等内容都是在模具设计基础上进行的，所以对模具设计部分内容不做详述，塑料模具总装三维图形如图1所示。
每副塑料模具通常是由多个零件总装而成，在实际的项目实施过程中，可以对学生进行分组，进行零件分配。加工完成后，各组对整副模具进行总体装配。下面以其中一个零件定模板为例进行分析说明，图2和图3分别为定模板的三维模型图和二维零件图。
3.1 模具制造方案的构思
零件的加工制造都是根据已经制定的加工工艺卡片进行，而加工工艺卡片的制定是在对被加工零件进行详细分析的基础上进行的。所以首先要对定模板的零件图进行分析，包括尺寸精度、形状误差和表面粗糙度。这些都是确定零件加工方法和加工顺序的基础。
如果要进行模具制造方案的构思，必须将制造方案中几个主要内容的相互关系理清，模具制造方案主要包括毛坯的选择、加工方法的选择、加工顺序的安排、基准的选择、机床和工具的选择等几个部分。其中加工方法和加工顺序的选择是其中的主要内容和重点内容。
选择毛坯就是根据零件尺寸选定被加工的坯料，具体包括坯料的尺寸选择和材料选择两个方面。
选定加工方法就是根据被加工工件的精度和表面粗糙度等要求确定加工方法，根据分析可知，由于模具零件的高精度和表面粗糙度要求，所以此零件通过数控车床和数控铣床的机加工不能达到精度要求，而需要对工件进行进一步加工，即磨削加工。
安排加工顺序，主要包括机械加工顺序的安排、热处理工序的安排和辅助工序的安排等。加工顺序的安排将考虑到加工精度、表面粗糙度以及合理使用机床、降低生产成本等方面。
选择基准，基准分为多种，在模具设计阶段有设计基准，在模具制造的工艺制定过程中主要考虑装配基准、测量基准、定位基准和工序基准等几个方面的内容。
选择机床与刀具，即根据零件的形状以及尺寸精度等要求选择机床、刀具以及夹具工装等。
3.2 模具制造方案的设计
模具制造方案的设计是在对图纸进行分析并对方案进行全面构思的基础上进行的，即分析加工工序，并安排工序的内容、顺序和加工余量。根据被加工零件尺寸确定坯料尺寸，通过锻造和退火去应力后，其尺寸为168×148×38。磨削上下两个大面和侧面作为加工基准，并根据孔的大小选择加工方法和加工设备以及刀具。最终定模板的加工工艺见表1。
3.3 模具制造方案的实施
根据制定的加工工艺进行工序的准备和实施，准备阶段要进行坯料和夹具以及刀具的准备。为此需要为每一道工序制定工序卡，以方便准备坯料和刀具，并且对每一步加工的余量以及精加工的精度要求进行定义，为后续数控加工程序的编制和工件精度的测量提供依据。在制定工序卡片以后进行程序的编制以及试运行，无误后进行加工，具体内容见表2。当加工完成以后，各组加工的零件进行试装配，对装配过程中出现的问题进行调整直至符合要求为止。
由于在模具零件加工完成以后，需要多个小组合作进行装配和调整，所以在方案的设计阶段就需要各组之间互相沟通和交流，统一基准，以提高加工后零件的装配精度，减少修磨调整次数。同时，这样的多个小组合作沟通过程也能增强学生的团队合作意识，并且能够从工艺的整体角度考虑模具制造和模具装配之间的内在关系，锻炼学生的系统工程意识。
3.4 模具制造方案的运作
模具制造方案的运作阶段要求学生能够融会贯通，对上述设计加工的模具考虑降低生产成本和提高工效等，并给出相应的改进方案，以达到优化的设计目的。然而由于零件制造精度等方面的影响，所以装配而成的塑料模具多会出现一些问题，需要进行多次的修配和调整试验以后才能投入使用。另外，对本次设计加工失败的产品也要总结教训找出失败的原因，为学生的工程制造积累经验，也是对其模具工程制造能力的提升。
随着学生制造技能和熟练程度的提高，在同类产品的设计和制造过程中，学生的制造时间将大幅缩短。通过多个小组合作完成的多个模具零件最终装配成一套塑料模具，如图1所示。
再现将装配的模具应用于注塑成型设备试制塑料件，测量其尺寸精度和形状精度以及表面误差等是否满足要求，对塑件不合格或者工作不正常的问题找出原因，调整修理模具，直至模具工作正常，试件合格为止。
4 实施效果及碰到的问题分析
通过CDIO的教学模式进行学生模具制造能力的提高，其效果是学生的动手实践能力明显提高，团队合作意识也得到了很大提升。同时随着实践的进行，学生的应变能力及处理问题的能力也随之提升。但同时也存在一些问题需要合理解决：
(1)在整个制造方案的制订以及实施过程中，需要多个实验室的互相配合，如需要计算机辅助设计与数字化制造实验室以及数控加工实习基地等的紧密配合才能够完成。
(2)模具制造过程会造成成本的大幅度上升，尤其是在实践操作的起始阶段，例如坯料和刀具的报废等。
(3)对教师以及实验指导人员的技能要求提高，如要求教师对整个制造环节进行总体指导与把握，当几个小组同时开始模具制造时要求测量工具和刀具等能够及时准备就绪。
5 结束语
模具制造是模具设计与制造系列项目中的一环。模具设计与制造系列化项目教学包括模具设计、模具制造、模具三坐标测量以及试模等。当学生能够熟练掌握模具制造项目内容后，则进行后续测量以及试模的工程训练。通过实现式的活动和体验式的学习过程使学生对课本知识的认识不再是抽象的概念，而是建立了一种直观的认知结构框架，进而帮助学生加深对知识的掌握和理解。
贯彻CDIO理念的模具制造能力提高方案同时能够提高学生的学习积极性，并且对学生的团队合作意识、人际沟通能力、降低成本的经济意识以及系统化工程意识都有一个较大的提高，是一种符合社会需求的系统化的工程人才培养模式。
参考文献
[1] 康全礼，陆小华，熊光晶.CDIO大纲与工程创新型人才培养[J].高等教育研究学报，2008，31(4)：15～18
[2] 许树勤，王文平.模具设计与制造[M].北京：北京大学出版社，2007
[3] 田光辉，林红旗.模具设计与制造[M].北京：北京大学出版社，2009
[4] 周明虎，汪木兰，封世新.项目教学法的实施与典型案例分析[J].中国现代教育装备，2010，13：6～8
[5] 汪木兰，周明虎，李建启.以项目教学为载体制定先进制造技术卓越工程师培养方案[J].中国现代教育装备，2010，12：15～19