CDIO模式下面向機電專業的物料分揀項目教學實踐

邊輝+楊彥東+唐艷華+張慶玲

[摘 要]CDIO工程教育模式作為近年來國際工程教育改革的新成果，自2005年引入中國以來，在國內多所高校實施并取得較好成績，促進了我國工科專業的教學改革。針對機電專業特點及社會需求，選擇包含電氣自動控制技術、傳感器原理及應用、機電一體化等多門課程內容的自動物料分揀系統進行項目式教學實踐，為機電專業開展項目式教學提供參考。

[關鍵詞]CDIO工程教育模式；機械電子工程；物料分揀；項目教學

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）05-0154-03

機械電子工程作為機械工程的二級學科，是典型的工程類專業，其內容涉及機械、電子和計算機工程等多個學科，且在學科的交叉、融合及創新中不斷發展[1，2]，而相對應的人才培養尚未形成一個完整系統的體系，還處于一個逐步完善階段，其培養模式也一直處于探索階段。由美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學共同研究創立的CDIO（構思-設計-實現-運作）工程教育模式[3-5]，以產品研發全生命周期為載體，建立一體化的相互支撐和有機聯系的課程體系，通過課程群知識點的應用系統提高學生的工程能力。燕山大學作為國內最早一批開展CDIO教學改革的高校之一，其不同專業根據自身特點對課程進行了項目教學改革。機電專業因其涉及內容廣、學科交叉特點，在項目教學實踐過程中，需要設置能夠貼近實際且內容涵蓋學科多門主干課程的項目進行綜合訓練，以培養知識面廣、綜合能力強的創新型機電人才。

一、CDIO工程教育模式

CDIO模式能夠得到廣泛認可，不僅因為其強化實踐教學的教學理念，更重要的是它系統地提出了面向市場需求的“CDIO教學大綱”以及詳盡、可操作的“CDIO標準”，一方面細化了優秀工程師所需具備的知識、能力和素質，另一方面指明了教學過程中的實施方法。CDIO模式解決了工科專業教學“培養什么人”以及“如何培養人”兩個根本性的教育問題，體現了教育的系統性、科學性和先進性的統一，代表了當代工程教育的發展趨勢。

CDIO模式是在近似于實際工程場景的實踐訓練過程當中，從工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面對工科專業學生進行綜合培養，使其成為工程基礎理論和專業知識扎實、能領導創新開發與運行并且具有社會與歷史責任感的新一代高水平工程師。采用CDIO工程教學模式，一個重要的環節就是項目的規劃與設置，由于實際工程問題通常包含多學科知識且具有一定的綜合特性，而本科教學是以不同專業開展教學工作的，這就要求所設置的項目需要綜合考慮不同專業的特色及培養目標，使經過項目實踐的畢業生在掌握專業課理論知識的同時能夠滿足該專業工程師的工作需求。

二、機電專業特點及培養目標

機械電子工程經過多年的發展，形成了從系統的觀點出發，綜合運用多學科技術，根據系統功能目標和優化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值，并使整個系統最優化的系統工程技術。[6]隨著外觀更加人性化、功能更加強大、體積和重量更加輕巧、可靠性更高的機電產品進入人們生活的各個領域，其所涉及的知識持續增加，新理論、新技術得到廣泛應用，充分體現出機電專業內容快速更新、技術深入融合且系統性、綜合性不斷加強的特點。

作為高等教育的一個學科，機電專業主要培養具備德、智、體全面發展，掌握機械電子基本知識和技能，能從事機電一體化領域內的設計制造、科技開發、應用研究和運行管理等方面工作的并具有較強的創新精神和實踐能力的高級工程技術人才。從知識結構上學生需要掌握如下六方面內容：1.作為機電產品支撐基礎的機械技術；2.包含信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術的計算機信息處理技術，以整體的概念組織應用各種相關技術；3.從全局角度和系統目標出發，開展各項工作的系統技術；4.在控制理論指導下，對系統進行設計、仿真、現場調試的自動控制技術；5.能快速、精確地獲取信息的傳感器技術；6.能夠實現電動、氣動、液壓等各種類型的傳動系統高效、準確完成機械動作的伺服驅動技術。學生對上述六方面內容的學習，不僅是對單獨某一門技術的熟練掌握，更是對多門技術的綜合應用。

隨著我國進入創新性社會，各種機電一體化產品不斷涌現的同時需要大量的機電專業人才，社會要求高校機電專業培養對專業有全面和系統的認識，且具有通才素質，對項目和問題有決策和協調能力的創新型復合人才。

三、物料自動分揀系統項目選定

針對機電專業學科交叉且綜合性較強的特點，在CDIO實訓項目的選擇上，要求所選項目既要面向工程實際，又要涵蓋機電專業某一階段教學目標涉及的多個知識點，且能夠體現從構思到運行的產品生命周期的全過程，使學生通過項目的實施，具備解決實際工程問題的能力。由于當前項目教學還處于學校教學經費資助下的近似工程環境的實踐，這要求所選項目還需具有較好的可擴展性及經濟性特點。

物料自動分揀系統[7，8]主要完成物品的自動分揀，在工業自動化生產線、物流倉儲等領域得到廣泛應用，是一種典型的機電產品。該產品在功能上需要完成物料的準確識別及快速揀出，通常包含傳感與測試技術、電氣及控制技術、氣壓與液壓傳動、機電一體化等多門機電專業課程知識，可能涉及的具體知識點包括：

傳感與測試技術：1.電容式、電感式、霍爾式、光電式、色標傳感器等典型傳感器在物料識別中的應用。2.NPN、PNP類傳感器的接線特點及使用。3.開關量、模擬量傳感器的原理及應用。4.光電式、霍爾式傳感器測速原理及應用。5.編碼器測速原理及應用。6.物料位置測量。

電氣及控制技術：1.電氣系統原理圖與接線圖設計。2.典型低壓電器選用。3.模擬量電機調速及位置控制實現。4.電氣硬件接線及故障處理。5.PLC編程軟件的使用以及仿真調試。6.PLC控制軟件的編制及調試。

機電一體化技術：1.機電產品系統組成及開發。2.物料傳送、分揀機械系統設計。3.驅動方式設計。4.氣動系統設計及元件選型。5.機電產品伺服傳動。6.系統可靠性分析。

物料自動分揀系統作為自動生產線的一部分，功能上相對獨立，可以作為一個小型項目來開展；另外，由于物料分揀系統通常還會有配套的上料或物料包裝系統，可以綜合開展大型項目實訓，具有較好的可擴展性。

物料自動分揀系統中，機械部分的體積對系統復雜程度及所涉及的知識點影響較小，其小型化后對解決實際工程問題依然具有指導意義，可大大節約開發成本。綜合考慮經費、知識點難易程度、項目的可擴展性等實際教學情況，因而確定物料自動分揀系統作為典型產品開展項目式教學實踐。

四、項目實施過程設計

CDIO工程教育模式中，項目的開展包含了企業在真實社會環境中的完整的產品研發流程，具有較強的系統性和科學性。綜合考慮現有實驗條件及項目難度，在整個項目實施過程中將班級學生小組化，每組由4-6名學生組成。分組后的學生通過分工合作，按照項目構思、項目設計、項目實現以及項目運作等4個階段開展工作。

1.項目構思

項目構思主要使學生明確設計任務，通過查詢資料對所設計產品進行初步規劃，屬于概念設計階段。物料自動分揀系統包括物料輸送、物料檢測、物料分揀、自動控制等部分，由于該項目并非實際的企業項目，且考慮到項目的可實現性及知識點的覆蓋，應對設計任務進一步細化。要求系統能夠識別直徑為30mm、高度分別為28mm和30mm、顏色為紅色和黑色的鐵質、磁質和尼龍圓柱物料，并通過實驗室已有西門子S300系列PLC控制氣缸將輸送帶上的物料分別推至不同的料倉中，機械部分尺寸小于600mm×800mm且材質盡量采用鋁合金型材及不銹鋼板，輸送帶速度連續可調，不同小組分別采用光電碼盤結合U型光電開關、強力小磁鐵結合霍爾開關以及光電編碼器的方法對電機進行測速。考慮到學生的實際水平，為了提高工作效率，該階段教師需通過視頻、圖片等對相近產品進行較為直觀的展示，幫助學生盡快明確目標。

2.項目設計

項目設計階段學生基于設計任務，綜合考慮系統功能和現有PLC的接口匹配、用電安全、外購件采購周期以及成本等因素對機械、電氣系統進行設計，明確所需傳感器種類及數量，最終繪制機械工程圖以及電氣原理圖、接線圖，并制訂采購清單。設置時間節點對加工、采購件進行審核，多組學生進行統一采購以保證項目進度。在該階段，教師要對學生進行及時輔導，并介紹些工程實際當中被應用而書本上沒有的常識性知識，幫助學生盡量少走彎路，但也要防止學生過于依賴老師。

3.項目實現

項目實現階段學生主要完成系統硬件的組裝，接線及程序調試工作。由于工作種類包含機械、電氣、軟件、調試等多個方面，除需組長整體負責外，還需要學生在組內進行分工合作，特別注意操作上的細節。具體來說，機械方面包括輸送帶的張緊、電機的定位、傳感器的安裝等；電氣方面包括線纜的制作、接線端子的連接、傳感器的調試等；軟件方面包括I/O點的規劃、傳感器與驅動間的互鎖/聯鎖關系、計數器/定時器的設置等；另外學生還需鍛煉使用常用機械、電氣方面的工具。該階段使學生充分體會在共同目標的指導下，相互幫助、共同學習的團隊合作模式，從而提高自身表達及交流能力。學生在實踐中學習知識，從實踐中感受學習的樂趣。同時，由于很多實際操作內容在教材中沒有涉及，教師還需及時對學生進行操作指導，幫助學生養成良好的工作習慣。

4.項目運行

項目運行階段主要進行成果的展示及驗收考核。各組學生將通過現場操作及PPT匯報的形式展示所設計的物料自動分揀系統（如圖1所示），并對各自工作進行總結，指出實踐對課程知識的掌握的作用。通過學生自評、互評以及教師總結評論，對所取得成績進行肯定，同時指出項目實施過程中存在的不足，以促進學生的進一步提高。

五、結束語

將基于CDIO工程教育模式引入實踐教學，針對機電專業特色及培養目標，設置物料自動分揀系統這一包含多門課程的綜合性項目，在接近工程環境的試驗平臺上，讓學生在規定的時間內，通過協同合作共同完成設備的組裝和調試。通過完成項目，學生不僅提高了動手能力，在理論和實踐的結合過程中掌握了專業知識，更重要的是對所學專業在機電產品創新設計中的重要作用有了更加深入的認識，專業能力和工程能力得到大幅度提升，增強了自學和解決問題以及團隊工作和溝通的能力，為將來參與工程建設奠定了良好的基礎。

[ 注 釋 ]

[1] 潘雍，傅明星，于晨.機械電子工程綜述[J].機電工程，2014（31）：553-558.

[2] 黃民，朱春梅，祁志生，等.機械電子工程專業方向系列課程建設與教學改革[J].中國電力教育（下），2011（1）：182-184.

[3] 顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（上）[J].高等工程教育研究，2012（3）：24-40.

[4] 周媛，麥云飛.基于CDIO的“機電一體化系統設計”課程教學模式探索[J].科教文匯，2015（6）：81-82.

[5] 姚燕生，張克仁，李大華，等.CDIO模式在機電專業實踐教學中的應用[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2011（4）：193-194.

[6] 潘廣均.機電一體化技術發展狀況及其趨勢[J].民營科技，2008（3）：45-45.

[7] 張斌.物料自動分揀實驗系統設計與研究[D].長沙：湖南師范大學，2010.

[8] 崔保春，單鵬.基于PLC的物料分揀控制的設計[J].科技信息，2010 （32）：228-228.

[責任編輯：鐘 嵐]