基于“機床自動上下料機構(gòu)設(shè)計”的項目驅(qū)動式教學(xué)方法探討

張紅麗，胡麗娜，趙鳳英

（青島城市學(xué)院，山東 青島 266106）

0 引言

案例式教學(xué)是在教學(xué)目標的指引下，遵循教學(xué)大綱精神，通過特定的素材、媒介、材料等案例，引述事實，達成教學(xué)目標的一種新的教學(xué)方法[1]。案例式教學(xué)促進了學(xué)生對所學(xué)知識的理解，但主要還是以講授、觀摩為主，學(xué)生對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用實踐性不強。本文在案例式教學(xué)方法的基礎(chǔ)上延伸了項目驅(qū)動式教學(xué)方法，以“機床自動上下料機構(gòu)設(shè)計”項目為例進行了項目教學(xué)設(shè)計，對項目驅(qū)動式教學(xué)方法進行了應(yīng)用分析。

1 項目驅(qū)動式教學(xué)方法及意義

1.1 項目驅(qū)動式教學(xué)方法

項目驅(qū)動式教學(xué)方法是在課程知識講授前，先提出一個項目設(shè)計任務(wù)，根據(jù)設(shè)計任務(wù)進行所用知識的分解，搭建課程知識結(jié)構(gòu)框架，通過項目驅(qū)動的形式對課程知識進行分模塊學(xué)習(xí)。

1.2 項目驅(qū)動式教學(xué)意義

項目驅(qū)動式教學(xué)改變了以往的純課堂理論教學(xué)模式，它延伸到了理論知識的應(yīng)用，可更好地理解和鞏固課程知識點。

項目驅(qū)動式教學(xué)有助于課程知識的學(xué)習(xí)理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣。項目驅(qū)動式教學(xué)在實際的教學(xué)過程中更加注重教學(xué)的實用性和應(yīng)用性，讓學(xué)生在日常的學(xué)習(xí)過程中就能將理論知識與實際應(yīng)用有效結(jié)合起來，從而切實實現(xiàn)了學(xué)校直達工作崗位的教學(xué)目的，能夠更好地滿足社會企業(yè)對專業(yè)人才直接需求[2]。

2 “機床自動上下料裝置設(shè)計”項目教學(xué)設(shè)計

2.1 “機床自動上下料裝置設(shè)計”項目簡介

（1）項目研究意義。本項目研究是基于我院實訓(xùn)基地原有數(shù)控車床，進行自動上下料功能改造，保留原有機床本體及功能，設(shè)計增加機床的自動上下料裝置。項目研究可以應(yīng)用到企業(yè)已有數(shù)控機床的改造，提高效率，降低成本，同時項目實例符合機械專業(yè)人才需求方向，對教學(xué)的促進和學(xué)生的能力培養(yǎng)具有重要實用意義。

（2）項目研究內(nèi)容。機床自動上下料裝置設(shè)計采用單立柱桁架式機械手，在原有機床的側(cè)上方建立桁架，設(shè)計機械手取放軌跡，自動給數(shù)控機床的工件上下料，輔助其進行精密加工及工件運送等，對機床設(shè)備的改造量小，改造后還可以隨時在自動上下料生產(chǎn)模式和手動上下料生產(chǎn)模式之間進行轉(zhuǎn)換。

研究的單立柱桁架式全自動上下料裝置主要與數(shù)控車床緊密配合，通過PLC控制器的運算及傳感器信號的感應(yīng)，對各伺服機構(gòu)進行邏輯控制，從而實現(xiàn)物料輸送自動化、機床上下料自動化、物料裝夾與數(shù)控機床匹配自動化，組成自動化上下料機加工系統(tǒng)。設(shè)計研究內(nèi)容主要包括三個方面：自動送料機構(gòu)設(shè)計、自動上下料機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控機床匹配控制系統(tǒng)設(shè)計。

2.2 項目教學(xué)設(shè)計

項目教學(xué)設(shè)計是以項目分解的各部分設(shè)計任務(wù)作為引導(dǎo)，采用任務(wù)驅(qū)動的方式將各關(guān)聯(lián)知識點進行系統(tǒng)講解，讓學(xué)生通過所學(xué)知識點構(gòu)建各部分設(shè)計方案，最后通過學(xué)生自主研討評價方式對各設(shè)計方案進行綜合比較，依據(jù)項目設(shè)計任務(wù)及實際應(yīng)用場景，論證各方案優(yōu)劣勢，既鍛煉了學(xué)生運用多種方案解決實際問題的能力，又深化了學(xué)生對課程知識點的理解和應(yīng)用。

（1）項目設(shè)計任務(wù)。根據(jù)項目應(yīng)用目標分解為三個設(shè)計任務(wù)：

①自動送料裝置設(shè)計：根據(jù)物料抓取節(jié)拍要求，設(shè)計物料在Y軸的自動輸送及定位；同時根據(jù)加工物料不同，設(shè)計可靈活更換的模塊化料盤。

②自動上下料裝置設(shè)計：根據(jù)與數(shù)控機床的加工匹配要求，設(shè)計物料在X軸、Z軸方向的移動輸送及定位；設(shè)計機械手爪對物料的自動抓取更換。

③與機床匹配的控制系統(tǒng)設(shè)計：根據(jù)與數(shù)控機床的加工匹配要求，設(shè)計料盤Y軸輸送控制、機械手X軸Z軸運動控制、機械手爪的抓取與旋轉(zhuǎn)控制、人機交互操作與顯示等。

（2）項目關(guān)聯(lián)知識點。本項目任務(wù)涉及《機械原理》《機械設(shè)計》《數(shù)控編程與加工》《電氣控制與PLC》等多門課程知識點，且各知識點在不同課程之間相互關(guān)聯(lián)。《機械原理》研究機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)，《機械設(shè)計》研究機械零部件的設(shè)計，《數(shù)控編程與加工》研究數(shù)控機床的編程與加工操作，《電氣控制與PLC》研究機床電氣控制及機床與上下料裝置之間的動作匹配控制等。

以《機械原理》課程為例，在該課程中項目涉及知識點如圖1：

圖1 項目涉及《機械原理》課程知識點

（3）構(gòu)建各機構(gòu)設(shè)計方案。根據(jù)項目設(shè)計任務(wù)要求，自動輸送裝置需要實現(xiàn)物料Y軸方向輸送，一方面要實現(xiàn)移動輸送，還要根據(jù)節(jié)拍實現(xiàn)步進輸送。在《機械原理》課程中能夠?qū)崿F(xiàn)步進式移動輸送的機構(gòu)有平面連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、帶傳動機構(gòu)等。在學(xué)習(xí)這些課程知識點時，以本項目中的步進式輸送為設(shè)計任務(wù)，講解各機構(gòu)能實現(xiàn)間歇運動的原理、方法及設(shè)計思路，學(xué)生學(xué)完相應(yīng)知識點后構(gòu)建自己的設(shè)計方案。

自動上下料裝置輸送部分需要設(shè)計實現(xiàn)X軸、Z軸的往復(fù)直線傳動，可以實現(xiàn)往復(fù)直線運動的機構(gòu)有齒輪齒條傳動機構(gòu)、帶傳動機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)、絲桿傳動機構(gòu)等。在學(xué)習(xí)這些機構(gòu)傳動時，圍繞本部分設(shè)計任務(wù)，講解各傳動機構(gòu)的類型、組成、工作原理及參數(shù)設(shè)計，學(xué)生通過學(xué)習(xí)各知識點后，構(gòu)建項目任務(wù)實現(xiàn)方案。

自動上下料裝置中的機械手爪需要實現(xiàn)對物料的夾持和松開，這種手爪可以采用是連桿杠桿式也可以是齒輪齒條式，那么每種類型如何設(shè)計，如何實現(xiàn)呢？可以圍繞這些問題將知識點建立聯(lián)系，學(xué)生們在解決問題過程中掌握課程知識點。

（4）方案論證及實施。知識點授課完成后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，同學(xué)們分組完成各機構(gòu)的設(shè)計方案，由教師組織開展研討評價，各小組分享自己的設(shè)計方案，并聽取其他組同學(xué)的設(shè)計方案，互相學(xué)習(xí)探討，找出各小組設(shè)計方案的優(yōu)劣勢，再結(jié)合實際工程應(yīng)用場景，優(yōu)選出最佳方案，應(yīng)用《機械原理》課程知識進行運動簡圖繪制、機構(gòu)尺度參數(shù)設(shè)計計算，完成機構(gòu)的運動分析和動力分析。

2.3 項目教學(xué)組織實施

項目式教學(xué)是圍繞項目任務(wù)而設(shè)計的知識點，不再以教材內(nèi)容為順序，而是根據(jù)項目任務(wù)要求，需要哪些知識點就講解哪些知識點，注重知識點的實際應(yīng)用，注重學(xué)生實際解決問題的能力培養(yǎng)，真正做到學(xué)有所用。

傳統(tǒng)《機械原理》課程教學(xué)模式一般是先理論教學(xué)再進行實踐教學(xué)，學(xué)生們學(xué)完基礎(chǔ)理論知識后才開展實踐課程設(shè)計，這樣導(dǎo)致大部分學(xué)生理論和實踐脫節(jié)，不能將課程所學(xué)知識靈活應(yīng)用到實踐課程設(shè)計中，很多學(xué)生在做課程設(shè)計時不知從何下手。而項目式教學(xué)是在課堂教學(xué)中融入實際工程項目案例,圍繞實際設(shè)計內(nèi)容組織的課程知識點，將課堂內(nèi)容拓展到實際項目應(yīng)用中，知識點學(xué)習(xí)目的明確，即學(xué)即用。這種方式可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，將理論知識運用與實踐，強化了對理論知識的理解。

“機床自動上下料裝置”項目教學(xué)設(shè)計還可以為多門課程的教學(xué)提供場景，比如在《機械原理》課程學(xué)習(xí)后本項目應(yīng)用還可以拓展到《機械設(shè)計》《數(shù)控編程與加工》等課程，將《機械原理》得到的機構(gòu)運動方案簡圖進行零部件設(shè)計，動力傳動裝置設(shè)計、部件組裝等，搭建圍繞該項目的《機械設(shè)計》知識點體系，而《數(shù)控編程與加工》課程知識點可以圍繞實現(xiàn)數(shù)控加工與自動輸送及自動上下料匹配建立。

3 結(jié)語

項目驅(qū)動式教學(xué)的實施不僅對課程教學(xué)內(nèi)容進行了一次重構(gòu)，它打破了教材的界限、課程的界限，圍繞具體工程項目搭建知識體系，是對教學(xué)內(nèi)容的一個重塑整合，而且還改變了教與學(xué)的模式，同學(xué)們先得到項目學(xué)習(xí)任務(wù)，帶著問題學(xué)習(xí)相應(yīng)知識點，每一個知識點講解都是圍繞任務(wù)展開，學(xué)習(xí)目的明確，主動性強。

項目驅(qū)動式教學(xué)以社會對人才的能力要求為方向，以學(xué)生掌握所學(xué)知識如何應(yīng)用為目標，以活學(xué)活用、“會用”為最終學(xué)習(xí)結(jié)果，增強了課程教學(xué)的針對性、實用性。項目式教學(xué)特別適合高校工程專業(yè)類課程的學(xué)習(xí)，為高等教育的應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供參考和依據(jù)。