基于CDIO的機(jī)械電子工程專業(yè)機(jī)電一體化課程群優(yōu)化與研究

董愛梅

摘要：本文主要介紹了基于CDIO工程教育理念的機(jī)電一體化課程群的構(gòu)建與優(yōu)化。從課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)等方面，探討了機(jī)電一體化課程群的教學(xué)改革思路。將CDIO工程教育理念應(yīng)用到機(jī)電一體化課程群的教學(xué)改革中，增強(qiáng)了學(xué)生解決問題能力、創(chuàng)造思維能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

關(guān)鍵詞：CDIO；機(jī)電一體化課程群；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）16-0174-02

一、引言

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，以工程設(shè)計(jì)任務(wù)為導(dǎo)向，以培養(yǎng)個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力和系統(tǒng)的適應(yīng)與調(diào)控能力為主要目標(biāo)，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO強(qiáng)調(diào)在加強(qiáng)基礎(chǔ)教育的同時(shí)，關(guān)注工程實(shí)踐，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)個(gè)人職業(yè)技能與人際溝通的技能并重；強(qiáng)調(diào)綜合創(chuàng)新能力，與社會(huì)大環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)都表明CDIO的理念和方法是先進(jìn)可行的，適合高校工科教育教學(xué)過程各個(gè)環(huán)節(jié)的改革。

山東理工大學(xué)是一所以理工為主的多科性省屬重點(diǎn)大學(xué)，于2009年初成為教育部CDIO工程教育模式研究與實(shí)踐課題組試點(diǎn)工作組高校成員。機(jī)械電子工程專業(yè)是我校CDIO培養(yǎng)模式的試點(diǎn)專業(yè)之一。我們的改革目標(biāo)是通過注重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)工程技術(shù)能力，尤其是項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施能力，以及較強(qiáng)的自學(xué)能力、組織溝通能力和協(xié)調(diào)能力，吸收世界先進(jìn)的工程教育理念，建立符合國際工程師認(rèn)證的課程體系?！皺C(jī)電控制技術(shù)”、“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用”是機(jī)械電子工程專業(yè)的三門主干課程，基于CDIO的培養(yǎng)理念，我們將這三門主干課程以機(jī)電項(xiàng)目為載體進(jìn)行整合優(yōu)化，建立機(jī)電一體化課程群，與機(jī)械電子工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是一致的，特別是對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有重要意義。

二、實(shí)施過程

將國際工程教育的先進(jìn)教學(xué)模式“CDIO（構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)作）”融入教學(xué)過程，以機(jī)電項(xiàng)目為載體，制定了機(jī)械電子工程專業(yè)CDIO培養(yǎng)方案；確定以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的課程體系；制定機(jī)械電子工程專業(yè)基于CDIO理念的教學(xué)大綱；編寫相關(guān)的教學(xué)文件資料等。將“機(jī)電控制技術(shù)”、“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用”三門主干課程進(jìn)行整合優(yōu)化，建立機(jī)電一體化課程群，從課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了改革。

（一）課堂教學(xué)方面

基于CDIO的培養(yǎng)理念，將機(jī)電一體化課程群的教學(xué)內(nèi)容先進(jìn)行整合優(yōu)化?！皺C(jī)電控制技術(shù)”是機(jī)械電子工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，主要以典型機(jī)電產(chǎn)品為載體，讓學(xué)生熟悉和掌握繼電器-接觸器控制電路的設(shè)計(jì)和PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的能力，為后續(xù)“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用”兩門課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)?！皺C(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”是機(jī)械電子工程專業(yè)的一門主要專業(yè)課，教學(xué)內(nèi)容主要以典型機(jī)電產(chǎn)品為載體，重點(diǎn)講述精密機(jī)械技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，結(jié)合我校自行研制開發(fā)的三向移動(dòng)重載教學(xué)機(jī)器人為實(shí)例講解，教學(xué)內(nèi)容具有針對(duì)性。培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)工程技術(shù)能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)“機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用”和進(jìn)行機(jī)器人的開發(fā)和設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)?！皺C(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用”采用自編講義，綜合國內(nèi)外各種機(jī)器人的特點(diǎn)，選定自行研制開發(fā)的三向移動(dòng)重載教學(xué)機(jī)器人為實(shí)例講解運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)建模、機(jī)器人軌跡規(guī)劃等內(nèi)容。

基于CDIO的培養(yǎng)理念，機(jī)電一體化課程群的內(nèi)容設(shè)計(jì)，避免了傳統(tǒng)教學(xué)中課程內(nèi)容重復(fù)問題，學(xué)生從“機(jī)電控制技術(shù)”課程中獲得機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)能力，從“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程中獲得機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中機(jī)械模塊、傳感器模塊、伺服傳動(dòng)模塊等設(shè)計(jì)能力，從“機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用”課程中獲得典型機(jī)電產(chǎn)品--機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

改變傳統(tǒng)授課模式，課程群教學(xué)充分利用各種教育資源，采取課堂實(shí)物演示與實(shí)驗(yàn)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)現(xiàn)場演示等多種教學(xué)手段，從中穿插旨在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力的機(jī)器人設(shè)計(jì)、調(diào)試等內(nèi)容。注意采用啟發(fā)式、討論式、課堂實(shí)驗(yàn)式教學(xué)，通過生動(dòng)直觀多種方法手段并用，使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，也學(xué)習(xí)分析問題，聯(lián)系問題，綜合運(yùn)用多門課程知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維、立體思維、創(chuàng)新和解決問題的能力。

（二）實(shí)踐教學(xué)方面

基于CDIO工程教育理念，機(jī)電一體化課程群在實(shí)踐教學(xué)方面，以三向移動(dòng)重載教學(xué)機(jī)器人作為項(xiàng)目對(duì)象，設(shè)計(jì)了機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造I、II、III三個(gè)綜合實(shí)踐項(xiàng)目。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造I項(xiàng)目通過對(duì)教學(xué)機(jī)器人的解剖，掌握各個(gè)關(guān)鍵部件（包括機(jī)械系統(tǒng)組件和控制系統(tǒng)組件）的具體結(jié)構(gòu)和連接方式，進(jìn)行初步的創(chuàng)新思維與產(chǎn)品構(gòu)思訓(xùn)練。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造II項(xiàng)目通過團(tuán)隊(duì)合作的方法完成機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過具體給定不同的設(shè)計(jì)參數(shù)和機(jī)器人操作任務(wù)，由學(xué)生自由組成團(tuán)隊(duì)，合作完成機(jī)器人各關(guān)鍵部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，要求每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成給定的局部設(shè)計(jì)任務(wù)，并保證團(tuán)隊(duì)內(nèi)部學(xué)生設(shè)計(jì)的各個(gè)部件之間的良好連接。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造III項(xiàng)目通過團(tuán)隊(duì)合作的方法對(duì)第I、II模塊確定的項(xiàng)目進(jìn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過這樣訓(xùn)練，讓學(xué)生進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，同時(shí)這些關(guān)鍵技術(shù)可以觸類旁通的用于其他相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造。在每一屆學(xué)生中選擇設(shè)計(jì)較為出色的部分產(chǎn)品，進(jìn)行實(shí)際加工制作，一方面是對(duì)學(xué)生的激勵(lì)，同時(shí)也可以作為以后學(xué)生的研究對(duì)象。由于最終的產(chǎn)品完全是學(xué)生自己設(shè)計(jì)，有利于學(xué)生掌握機(jī)電產(chǎn)品的構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）整個(gè)過程，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。

三、實(shí)施效果

整合優(yōu)化后以典型機(jī)電產(chǎn)品——機(jī)器人作為項(xiàng)目對(duì)象，貫穿于教學(xué)和實(shí)踐性環(huán)節(jié)。學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性提高，實(shí)踐動(dòng)手能力增強(qiáng)，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神，學(xué)生反應(yīng)很好。學(xué)生學(xué)完這幾門課程后，能完成項(xiàng)目對(duì)象的構(gòu)思、設(shè)計(jì)與開發(fā)，所設(shè)計(jì)產(chǎn)品具備一定的開放性，便于拆卸和組裝，并且能夠進(jìn)行二次開發(fā)。近幾年學(xué)生開發(fā)的產(chǎn)品參加全國機(jī)器人大賽和山東省機(jī)電產(chǎn)品大賽、山東省機(jī)器人大賽等都取得了很好的成績。

整合優(yōu)化后，老師們的講課質(zhì)量和講課效果都得到提高，有3名教師連續(xù)三年榮獲山東理工大學(xué)教學(xué)質(zhì)量獎(jiǎng)；發(fā)表CDIO方面的教研論文3篇；申請(qǐng)專利18項(xiàng)；并成功申報(bào)山東省高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目——“基于CDIO的機(jī)械類應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系研究與實(shí)踐”；還有“基于CDIO創(chuàng)新培養(yǎng)模式的新型移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)”、“基于CDIO的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造第I模塊的構(gòu)思與設(shè)計(jì)”等6個(gè)CDIO項(xiàng)目獲得校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目立項(xiàng)。

總之，基于CDIO的培養(yǎng)理念，將“機(jī)電控制技術(shù)”、“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用”三門課程進(jìn)行整合優(yōu)化，注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力，尤其是項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施能力，具有明顯的特色。

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