基于CDIO的機械電子工程專業機電一體化課程群優化與研究

董愛梅

摘要：本文主要介紹了基于CDIO工程教育理念的機電一體化課程群的構建與優化。從課堂教學、實驗實踐教學等方面，探討了機電一體化課程群的教學改革思路。將CDIO工程教育理念應用到機電一體化課程群的教學改革中，增強了學生解決問題能力、創造思維能力以及團隊協作能力。

關鍵詞：CDIO；機電一體化課程群；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）16-0174-02

一、引言

CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，以工程設計任務為導向，以培養個人能力、團隊能力和系統的適應與調控能力為主要目標，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。CDIO強調在加強基礎教育的同時，關注工程實踐，加強實踐環節，強調個人職業技能與人際溝通的技能并重；強調綜合創新能力，與社會大環境協調發展。國內外的經驗都表明CDIO的理念和方法是先進可行的，適合高校工科教育教學過程各個環節的改革。

山東理工大學是一所以理工為主的多科性省屬重點大學，于2009年初成為教育部CDIO工程教育模式研究與實踐課題組試點工作組高校成員。機械電子工程專業是我校CDIO培養模式的試點專業之一。我們的改革目標是通過注重培養學生系統工程技術能力，尤其是項目的構思、設計、開發和實施能力，以及較強的自學能力、組織溝通能力和協調能力，吸收世界先進的工程教育理念，建立符合國際工程師認證的課程體系。“機電控制技術”、“機電一體化系統設計”、“機器人技術及應用”是機械電子工程專業的三門主干課程，基于CDIO的培養理念，我們將這三門主干課程以機電項目為載體進行整合優化，建立機電一體化課程群，與機械電子工程專業的培養目標是一致的，特別是對于學生創新精神和工程實踐能力的培養具有重要意義。

二、實施過程

將國際工程教育的先進教學模式“CDIO（構思—設計—實現—運作）”融入教學過程，以機電項目為載體，制定了機械電子工程專業CDIO培養方案；確定以設計為導向的課程體系；制定機械電子工程專業基于CDIO理念的教學大綱；編寫相關的教學文件資料等。將“機電控制技術”、“機電一體化系統設計”、“機器人技術及應用”三門主干課程進行整合優化，建立機電一體化課程群，從課堂教學、實踐教學環節等方面進行了改革。

（一）課堂教學方面

基于CDIO的培養理念，將機電一體化課程群的教學內容先進行整合優化。“機電控制技術”是機械電子工程專業的重要專業基礎課，主要以典型機電產品為載體，讓學生熟悉和掌握繼電器-接觸器控制電路的設計和PLC控制系統設計，培養學生對機電產品的控制系統進行設計的能力，為后續“機電一體化系統設計”、“機器人技術及應用”兩門課程學習打下基礎。“機電一體化系統設計”是機械電子工程專業的一門主要專業課，教學內容主要以典型機電產品為載體，重點講述精密機械技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術、自動控制技術等在機電產品設計中的應用，結合我校自行研制開發的三向移動重載教學機器人為實例講解，教學內容具有針對性。培養學生系統工程技術能力，為后續學習“機器人技術及應用”和進行機器人的開發和設計打下基礎。“機器人技術及應用”采用自編講義，綜合國內外各種機器人的特點，選定自行研制開發的三向移動重載教學機器人為實例講解運動學、動力學、結構建模、機器人軌跡規劃等內容。

基于CDIO的培養理念，機電一體化課程群的內容設計，避免了傳統教學中課程內容重復問題，學生從“機電控制技術”課程中獲得機電產品設計中計算機控制模塊的設計能力，從“機電一體化系統設計”課程中獲得機電產品設計中機械模塊、傳感器模塊、伺服傳動模塊等設計能力，從“機器人技術及應用”課程中獲得典型機電產品--機器人的系統設計能力。

改變傳統授課模式，課程群教學充分利用各種教育資源，采取課堂實物演示與實驗、多媒體技術、仿真技術現場演示等多種教學手段，從中穿插旨在培養學生動手操作能力的機器人設計、調試等內容。注意采用啟發式、討論式、課堂實驗式教學，通過生動直觀多種方法手段并用，使學生在學習知識的同時，也學習分析問題，聯系問題，綜合運用多門課程知識，培養學生發散思維、立體思維、創新和解決問題的能力。

（二）實踐教學方面

基于CDIO工程教育理念，機電一體化課程群在實踐教學方面，以三向移動重載教學機器人作為項目對象，設計了機電系統設計與制造I、II、III三個綜合實踐項目。機電系統設計與制造I項目通過對教學機器人的解剖，掌握各個關鍵部件（包括機械系統組件和控制系統組件）的具體結構和連接方式，進行初步的創新思維與產品構思訓練。機電系統設計與制造II項目通過團隊合作的方法完成機器人整體結構的設計。通過具體給定不同的設計參數和機器人操作任務，由學生自由組成團隊，合作完成機器人各關鍵部件的詳細設計，要求每個學生獨立完成給定的局部設計任務，并保證團隊內部學生設計的各個部件之間的良好連接。機電系統設計與制造III項目通過團隊合作的方法對第I、II模塊確定的項目進行機器人控制系統設計。通過這樣訓練，讓學生進行總體方案設計、機械結構設計、控制系統設計等，同時這些關鍵技術可以觸類旁通的用于其他相關產品的設計與制造。在每一屆學生中選擇設計較為出色的部分產品，進行實際加工制作，一方面是對學生的激勵，同時也可以作為以后學生的研究對象。由于最終的產品完全是學生自己設計，有利于學生掌握機電產品的構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）整個過程，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。

三、實施效果

整合優化后以典型機電產品——機器人作為項目對象，貫穿于教學和實踐性環節。學生學習的主動性、積極性提高，實踐動手能力增強，極大地激發了學生學習興趣和創新精神，學生反應很好。學生學完這幾門課程后，能完成項目對象的構思、設計與開發，所設計產品具備一定的開放性，便于拆卸和組裝，并且能夠進行二次開發。近幾年學生開發的產品參加全國機器人大賽和山東省機電產品大賽、山東省機器人大賽等都取得了很好的成績。

整合優化后，老師們的講課質量和講課效果都得到提高，有3名教師連續三年榮獲山東理工大學教學質量獎；發表CDIO方面的教研論文3篇；申請專利18項；并成功申報山東省高等學校教學改革研究項目——“基于CDIO的機械類應用型創新人才培養體系研究與實踐”；還有“基于CDIO創新培養模式的新型移動機器人設計”、“基于CDIO的機電系統設計與制造第I模塊的構思與設計”等6個CDIO項目獲得校級教學研究項目立項。

總之，基于CDIO的培養理念，將“機電控制技術”、“機電一體化系統設計”、“機器人技術及應用”三門課程進行整合優化，注重培養學生創新精神和工程實踐能力，尤其是項目的構思、設計、開發和實施能力，具有明顯的特色。

參考文獻：

[1]顧佩華.重新認識工程教育：國際CDIO培養模式與方法[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]邸馗，籍亞玲，于瑞云，姜永生.基于“卓越工程師教育培養計劃”的高等工程教育模式創新——以東北大學為例[J].現代教育管理，2016，（1）.