基于CDIO理念的機電一體化系統設計課程教學改革實踐

摘要：本文針對機電一體化系統設計課程教學中“理論教學教懂難、實驗教學動手難、實踐教學參與難”的三難問題，以CDIO教學理念為指導，以教學研究項目為主線，對課程教學進行了改革實踐，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：CDIO理念；機電一體化；教學實踐

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A文章編號：1002-4107（2012）01-0008-02

機電一體化系統設計課程是佳木斯大學機械設計制造及自動化專業重要的專業課之一，是一門實踐性和綜合性很強、具有系統工程應用意義的課程。該課程是建立在精密機械技術、微電子技術、計算機和信息處理技術、自動控制技術、傳感與測試技術、電力電子技術、伺服驅動技術、系統總體技術等現代新技術群體基礎之上的一個高技術含量的學科[1]。該課程所涉及的內容較多，知識廣泛，理論性和實踐性較強。

一、機電一體化系統設計教學存在的問題

目前，我國高校機電一體化系統設計課程普遍存在的問題有如下幾個方面。

（一）理論教學存在的問題

理論教學中知識點分散，甚至切斷彼此的聯系；教材中原理講解和總體設計部分比較空洞，重理論，輕實踐。教材示例多為工業化成型產品[2]，理論與實際跨越太大，與學生的實踐相距較遠，學生動手參與的內容很少。學生普遍感到機電一體化系統設計課程難學、難懂、難用。

（二）實踐教學存在的問題

在實驗教學環節中，由于機電設備的復雜性、實驗設備造價高、臺套數不足、使用和維護成本高等原因，多為演示性實驗、驗證性實驗，故學生一般很難親自動手實驗。在課程設計環節中，通常是紙上談兵，采用“依葫蘆畫瓢”的模仿設計，調動不了學生學習的積極性，更談不上創新設計[3]。

由于以上原因，使理論教學內容與實踐脫節，造成學生實際動手機會大為減少，從而使機電一體化系統設計課程教學出現“理論教學教懂難、實驗教學動手難、實踐教學參與難”的三難問題。為此，我們在深入分析研究各個教學環節的規律和特點的基礎上，針對此課程提出并實施了“課堂教學、實驗教學和實踐教學有機結合”注重工程能力培養的CDIO教學模式。

二、CDIO教學理念在機電一體化系統設計課程中的應用

（一）CDIO教學模式

CDIO是美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學2000年組建的跨國研究組織，經過四年的探索研究后創立了CDIO工程教育理念。CDIO代表構思（Coneeive）、設計（Design）、實現（Imple-ment）、運作（Operate），它以產品從研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、與課程之間有機聯系的方式學習工程。按CDIO模式培養的學生尤其受到社會與企業的歡迎[4-5]。

（二）CDIO教學理念的實施

機電一體化系統設計課程技術所涉及的內容多，知識廣泛，理論性和實踐性都較強。機電系統是一個涉及內容多而廣的有機整體，雖然知識點可以獨立教授，但容易孤立，切斷彼此間的聯系。課程教學過程中應注重機械技術、機電控制理論及其實現技術、微機和可編程控制器的原理與應用，傳感與測試技術等內容的有機融合。針對此課程的特點，我們提出以課程研究項目為主線的CDIO教學模式。

1.教學思路。為了提高學生綜合運用所學專業知識分析和解決實際問題的能力，在教學過程中，我們采用CDIO教學理念，將機電一體化系統設計理論課程與課程研究項目相關理論和技術問題融于一體，讓學生深入研究項目實施過程中各個階段所涉及的知識點以及具體問題解決方法，引導學生積極思考、學會學習，提高學生綜合運用本專業知識分析、理解和解決實踐問題的能力。

2.實施過程。在課程開課初期，我們以“智能尋跡小車系統的設計與制作”為課程研究項目，在理論教學中以研究項目為主線，將分散的知識點連接起來講授。此項目涉及的知識模塊包括單片機的選用及系統建立，電子線路的搭接及元器件選用，傳感器的工作原理及使用，檢測系統的設計，電機的選擇、驅動與控制，機械系統的設計、制作，程序編寫、仿真調試，機電一體化系統綜合調試。

在實踐教學中，我們只對學生下任務書，不提供詳細的指導性資料，目的是培養學生的開放性思維。學生遇到問題時，教師采取啟發的指導方式，讓學生自主解決問題。在實施過程中我們采取“任務分析—資料查閱—方案設計—討論—詳細設計—實際制作—修改—總結—考核”過程模式。

（1）任務分析。任務分析過程是學生對教師給定的設計任務進行分析，分析任務涉及的內容、知識點、難點及可行性。這是學生對設計任務了解的過程。

（2）資料查閱。資料查閱過程是學生對接受的任務廣泛查閱資料，尋求解決辦法。這是學生對任務更詳細地了解的必經過程。這個過程也培養了學生查閱文獻、歸納總結及自學知識的能力。

（3）方案設計。學生對研究內容進行詳細分析及查閱資料后，完成設計方案：①機電系統設計的整體方案；②控制系統的設計方案；③運動控制方案；④電機速度控制方案；⑤軌跡檢測方案；⑥障礙物探測方案等。這些方案的設計過程是學生對所學知識綜合理解的過程。

（4）討論。討論過程是針對設計方案，讓學生分組準備，寫出可行性報告，做成PPT。在討論課上，小組代表陳述自己的觀點，小組互評質疑，其他同學參評，最后由指導教師點評，確定最佳方案。

（5）詳細設計。確定最佳方案之后，學生開始進行詳細設計。設計過程要求學生科學、嚴謹，依據正確，形成的圖紙必須符合工程的規范要求，此過程培養了學生對所學知識的運用能力，也培養了學生的工程意識。

（6）實際制作。指導教師認真審核學生的設計，提出修改意見，當完全正確后，學生開始動手制作樣機。如制作機械本體、減速齒輪、設計控制電路板、購買元器件、搭建電路、編寫程序、測試分析。這個過程培養了學生實際動手能力，提高了學生的科研能力。

（7）修改。在制作過程中，往往會遇到意料之外的問題，而這些問題才能真正考驗學生解決實際問題的能力。如“智能尋跡小車”的制作過程學生發現原以為簡單的事情原來這么復雜，即使引用資料中的電路及程序也會出現問題。因此，迫使學生核對理論和方案、重新再來。這個過程鍛煉了學生的意志，培養了學生解決問題的能力。當問題解決后，學生對解決的問題會留下深刻印象，獲得巨大的成就感。

（8）科學總結，提升水平。當制作的小車調試通過后，要求學生完成總結報告，總結報告按照畢業論文的形式進行書寫。這個過程既培養了學生的總結能力，也為畢業論文的撰寫奠定了基礎。

（9）考核。針對機電一體化系統設計課程的特點，我們改革了傳統的考核方式，研究項目占總成績的50%，課程實驗占20%，理論考試占30%。研究項目的考核從以下幾方面進行評價：①資料的查閱、知識的運用；②方案設計情況；③討論課中PPT的講解及回答問題情況；④圖紙設計情況；⑤實際動手能力的評價；⑥總結報告質量。在考核過程中，一方面肯定學生的成績，另一方面指出后續應學習的知識。

教學實踐表明，采用研究項目為主線的CDIO教學模式對教學效果的促進主要表現在以下三方面： 第一，培養了學生的團隊協作精神和交流溝通能力；第二，營造有利于創新人才培養的環境，激勵學生的創新精神、創新能力，以滿足社會對工程人才知識結構和素質能力的要求；第三，在理論課堂教學中強化實踐教學，將教學內容與工程實踐緊密聯系在一起，提高學生的工程意識和工程素養。以適應信息時代對工程技術人才的需求，適應21世紀人才培養模式的需求。

采用CDIO教學理念，讓學生在“做中學”，可以激發學生的學習興趣，充分發揮學生的主體作用；師生互動，教學相長，能提高學生的綜合能力，較好地解決了工科教學的“三難”問題。

參考文獻：

[1]張建民.機電一體化系統設計[M].北京：機械工業出版

社，2001：1.

[2]李琦，王基等.機電一體化系統設計課程教學改革與實

踐[J].高等教育研究學報，2010，(1).

[3]祁志生，朱春梅等.機電一體化系統技術課程教學的若

干探討[J].中國電力教育，2008，(7).

[4]江帆，張春良等.機械專業CDIO培養模式探索[J].裝備

制造技術，2010，(6).

[5]徐兵，孫海泉.T-CDIO課程體系的構建與實踐[J].高等

工程教育研究，2009，(2).