司云萍

摘要：CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，這種學(xué)習(xí)方法是以真實(shí)產(chǎn)品制作為載體，從產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行作為一個(gè)生命周期，在產(chǎn)品的每一個(gè)制作步驟中，學(xué)生都要主動參與進(jìn)來。機(jī)電一體化技術(shù)課程是電氣自動化專業(yè)傳統(tǒng)的教學(xué)科目，是一門核心專業(yè)課程。將CDIO教育理念引入機(jī)電一體化技術(shù)課程教學(xué)中，有利于提升學(xué)生對簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試能力，有助于提升學(xué)生的綜合職業(yè)素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化 CDIO 氣動 機(jī)械手

機(jī)電一體化技術(shù)課程是電氣自動化專業(yè)一門核心專業(yè)課程，在課程體系中具有舉足輕重的地位。在傳統(tǒng)學(xué)科體系教學(xué)模式下，各學(xué)科是分散教學(xué)，等到幾個(gè)學(xué)期的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)結(jié)束以后，再來進(jìn)行機(jī)電一體化技術(shù)綜合訓(xùn)練時(shí)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生早己對專業(yè)失去興趣，所學(xué)的基礎(chǔ)專業(yè)知識已經(jīng)遺忘，這使部分學(xué)生跟不上老師的教學(xué)進(jìn)度，無法實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

技工院校五年制高級工班學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)不僅是讓其會自動化設(shè)備的安裝與維護(hù)，同時(shí)還要使其具備設(shè)計(jì)開發(fā)簡單自動化系統(tǒng)的能力。因此，在教學(xué)過程中要注重學(xué)生設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

近年來，CDIO工程教育模式盛行于工程設(shè)計(jì)類專業(yè)教學(xué)中。CDIO中的四個(gè)字母分別代表構(gòu)思（ Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（ Operate），這種學(xué)習(xí)方法是以真實(shí)產(chǎn)品制作為載體，從產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行作為一個(gè)生命周期，在產(chǎn)品的每一個(gè)制作步驟中，學(xué)生都要主動參與進(jìn)來進(jìn)行學(xué)習(xí)。

CDIO教育模式主要是解決“培養(yǎng)什么人”和“怎樣培養(yǎng)人”這兩個(gè)根本問題。通過該方法的運(yùn)用，最終把學(xué)生培養(yǎng)成不僅具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識，還能夠進(jìn)行新產(chǎn)品和新技術(shù)的開發(fā)，具備綜合職業(yè)素養(yǎng)的人。CDIO以實(shí)際工程項(xiàng)目或產(chǎn)品的開發(fā)過程為載體，以提升學(xué)生專業(yè)知識、能力和素質(zhì)為目標(biāo)，采用相互交叉、相互支撐的課程體系來培養(yǎng)學(xué)生，讓學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐過程中獲得主動學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)。

本文以機(jī)電一體化技術(shù)課程中的氣動機(jī)械手安裝與調(diào)試項(xiàng)目為教學(xué)案例，具體分析CDIO教育模式在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用。

一、教學(xué)實(shí)施前的構(gòu)思（Conceive）準(zhǔn)備工作

氣動機(jī)械手實(shí)訓(xùn)設(shè)備主要由以下部分組成：一是各種接線插孔以及手動按鈕，二是各種氣動元件，三是機(jī)械手。項(xiàng)目任務(wù)是由學(xué)生根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境的要求設(shè)計(jì)機(jī)械手的動作方式，設(shè)計(jì)氣動控制回路，根據(jù)回路圖組裝機(jī)械手各部分元件并連接好氣動回路。同時(shí)設(shè)計(jì)控制電路圖，并根據(jù)圖紙連接控制電路，用PLC來控制機(jī)械手的運(yùn)行。每臺工位配有計(jì)算機(jī)并聯(lián)網(wǎng)，整個(gè)實(shí)訓(xùn)室有電子教室軟件和投影機(jī)。

1.教學(xué)過程的構(gòu)思

（1）教學(xué)目標(biāo)。知識目標(biāo)：通過本次學(xué)習(xí)，學(xué)生要懂PLC的相關(guān)指令編程方法以及常用傳感器的工作原理;學(xué)生通過學(xué)習(xí)要能夠理解各啟動元件的功能，會設(shè)計(jì)回路圖并分析工作原理，能根據(jù)氣動回路圖安裝調(diào)試實(shí)訓(xùn)設(shè)備。情感目標(biāo)：要注重培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)、創(chuàng)新意識、善于思考以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，提高分析問題與解決問題的能力。

（2）教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。教學(xué)重點(diǎn)：實(shí)施一個(gè)完整控制系統(tǒng)工程項(xiàng)目的整個(gè)流程、按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行各組成元件的安裝與調(diào)試、掌握PLC編程技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生通過自己查資料解決問題的能力。教學(xué)難點(diǎn)：一是PLC程序編寫。二是正確地引導(dǎo)學(xué)生自己搜集學(xué)習(xí)工作資料，并能夠從中篩選出有用的信息供使用。

2.教學(xué)任務(wù)的構(gòu)思

機(jī)械手是機(jī)電一體化設(shè)備或自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中常用的裝置，用來搬運(yùn)物件或代替人工完成某些操作，提高了生產(chǎn)效率。電氣維修人員的任務(wù)是對機(jī)械手進(jìn)行安裝、調(diào)試與維修，以保證自動化設(shè)備能正常運(yùn)行。既要求硬件部分安裝調(diào)試，也要求軟件部分PLC編程。 現(xiàn)以其中的一個(gè)項(xiàng)目為例進(jìn)行講解。該任務(wù)中對機(jī)械手動作要求如下：一是提升機(jī)構(gòu)，零件從振動料斗落料到20mm高的平臺上，首先對其進(jìn)行檢測，檢測到零件合格，則該將零件繼續(xù)提升至40mm高處，便于物料轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)進(jìn)行抓取;如果檢測到零件不合格，則將零件推入廢料箱中。二是物料轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，檢測裝置檢測到平臺上有零件，則將提升起來的零件轉(zhuǎn)運(yùn)至距離該處440mm處，待裝配。

該機(jī)構(gòu)的氣動系統(tǒng)工作循環(huán)為：懸臂伸出→氣爪下行→抓取工件→氣爪上行→懸臂回縮→旋轉(zhuǎn)合適的角度（小于180°）→懸臂伸出→氣爪下行→松開工件（放到指定的工作臺上），完成一個(gè)自動工作循環(huán)。

學(xué)生將要完成的主要任務(wù)如下：一是選取機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度;二是設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。包括氣爪、氣缸的設(shè)計(jì);三是設(shè)計(jì)氣壓傳動系統(tǒng)。包括氣壓傳動系統(tǒng)中各元器件的選取、整個(gè)系統(tǒng)氣動回路的設(shè)計(jì)，同時(shí)要將氣動控制原理圖繪制出來;四是設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)擬采用可編程序控制器（PLC）對機(jī)械手進(jìn)行控制，因此，學(xué)生要能合理選取PLC品牌、型號，編寫PLC控制程序，畫出梯形圖。

二、教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)（Design）

從最基本的系統(tǒng)來說，最基本的要求是能快速、準(zhǔn)確地拾、放以及搬運(yùn)物件。因此，該系統(tǒng)必須具有精度高、反應(yīng)快速的特性，同時(shí)，要有一定的承載能力、足夠的工作空間、靈活的自由度，在任意位置都能自動定位。該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是：分析控制對象（工件產(chǎn)品）的控制技術(shù)要求，設(shè)計(jì)最合理的作業(yè)工序，編制相應(yīng)工藝文件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀、工件所用的材料特性，設(shè)定加工定位精度，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力大小、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，進(jìn)而熟悉掌握機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;在設(shè)計(jì)加工工件時(shí)，要盡量選用標(biāo)準(zhǔn)化組件，簡化項(xiàng)目設(shè)計(jì)及制造生產(chǎn)過程，做到通用性和專用性兼顧，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的柔性轉(zhuǎn)換。

三、教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)（lmplement）

將學(xué)生按工位分組，每組4～5名同學(xué)，每個(gè)組對組員提前分工。分組有個(gè)原則，不能把所有學(xué)習(xí)好的學(xué)生分在同一個(gè)組，要混合搭配，這樣既可以均衡一下各組的實(shí)力，也能提高整體專業(yè)技能。分組之后要告知學(xué)生，各個(gè)組之間是有競爭的。這樣可以激發(fā)學(xué)生的斗志。

用仿真軟件演示的方式讓學(xué)生清清楚楚地看到速度控制回路的工作過程，對其原理及工作過程進(jìn)行詳細(xì)的分析。然后進(jìn)行課堂討論，討論結(jié)束分小組提問。提問結(jié)束后，以小組為單位進(jìn)行理論分析、硬件電路設(shè)計(jì)并繪制接線電路圖。檢查各組設(shè)計(jì)情況，聽取學(xué)生的設(shè)計(jì)思路。綜合各組討論結(jié)果，得出最合理的回路圖。

根據(jù)分析結(jié)果，引出需要用到的氣動元件，引導(dǎo)學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)搜索相關(guān)資料，掌握元件用法。對于軟件編程部分，根據(jù)討論結(jié)果，綜合需要用到的指令，教師通過電子教室軟件講解新指令的用法。

學(xué)生在連接電路并編程、調(diào)試操作過程中，需注意以下方面。

一是引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)合作關(guān)系，確保各小組成員分工明確，有事可做。

二是學(xué)生在操作時(shí)，需要在各工序間不斷進(jìn)行檢測，教師要不停地進(jìn)行巡視，及時(shí)指出學(xué)生操作中的錯(cuò)誤，并加以糾正。學(xué)生在操作過程中遇到問題，以自我解決為主，教師盡力不直接給答案。

三是巡回指導(dǎo)中，集體指導(dǎo)和個(gè)別指結(jié)合，注重培優(yōu)補(bǔ)差。強(qiáng)調(diào)安全注意事項(xiàng)。

四、教學(xué)項(xiàng)目的運(yùn)作（Operate）

在每個(gè)項(xiàng)目完成后，都要進(jìn)行匯報(bào)展示，由各組長組織本組同學(xué)，展示本組設(shè)計(jì)制作的作品。在進(jìn)行介紹展示時(shí)，主要說明本組的設(shè)計(jì)思路，指出本組在具體實(shí)施過程中遇到過什么問題，是如何解決這些問題的。在一組介紹的過程中，其他組的同學(xué)可以及時(shí)提出問題，讓介紹者回答。每個(gè)小組之間要進(jìn)行互評，通過互評環(huán)節(jié)，可以了解本組的設(shè)計(jì)缺陷，以便進(jìn)一步修改各自的設(shè)計(jì)。最后，全體學(xué)生評選出得分最高的作品，由教師進(jìn)行點(diǎn)評。

為實(shí)現(xiàn)對所學(xué)知識的鞏固，經(jīng)過深入分析，教師提出更進(jìn)一步的要求;發(fā)散思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維能力。學(xué)生將設(shè)計(jì)出來的氣動機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際工作運(yùn)行，以商業(yè)工作運(yùn)作模式為校園內(nèi)的模擬企業(yè)服務(wù)。學(xué)生要進(jìn)行技術(shù)支持和售后服務(wù)，對學(xué)生設(shè)計(jì)制作的產(chǎn)品采取負(fù)責(zé)制，并與學(xué)分掛鉤。

五、小結(jié)

CDIO教育教學(xué)方法以工作過程為導(dǎo)向，以實(shí)際項(xiàng)目為載體，在“做中教”“做中學(xué)”，打破了傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式。學(xué)生在完成項(xiàng)目過程中，掌握理論知識，提高實(shí)踐操作能力，最終全面提升了學(xué)生的綜合職業(yè)能力。此教育教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)學(xué)校與行業(yè)企業(yè)的合作，重視在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)實(shí)際的生產(chǎn)情景，或者直接在生產(chǎn)情景中完成教學(xué)任務(wù)。

CDIO教育教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了5個(gè)轉(zhuǎn)變：教學(xué)實(shí)現(xiàn)了從“知識的傳遞”向“知識的處理和轉(zhuǎn)換”轉(zhuǎn)變，教師從“單向型”授課向“行為引導(dǎo)型”轉(zhuǎn)變，學(xué)生由“被動模仿型”向“主動實(shí)踐、手腦并用的創(chuàng)新型”轉(zhuǎn)變，教學(xué)的組織形式由“固定教室、集體授課”向“室內(nèi)外專業(yè)教室、實(shí)習(xí)車間”轉(zhuǎn)變，教學(xué)手段上由傳統(tǒng)的“口授、黑板”向“多媒體、網(wǎng)絡(luò)化、現(xiàn)代化教育技術(shù)”轉(zhuǎn)變。

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