基于CDIO的《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計》課程教學(xué)改革探究

馮嵩

【摘要】? ? 為了解決傳統(tǒng)理論講授存在的問題，本文對《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計》課程進(jìn)行了教學(xué)改革探究，提出了基于CDIO工程教育理念的課程教學(xué)模式。該模式在全面考慮課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了學(xué)生能實現(xiàn)的“抓球機(jī)器人”工程項目。課程內(nèi)容共分為六大知識模塊，項目的設(shè)計也相應(yīng)的分為六大設(shè)計模塊，在課程教學(xué)中，以這個工程項目為任務(wù)驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位邊學(xué)習(xí)各個知識模塊內(nèi)容邊設(shè)計各個設(shè)計模塊，最終上交一份項目設(shè)計說明書。學(xué)生邊學(xué)邊做，知識融會貫通，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動力，培養(yǎng)了學(xué)生的實際動手能力及解決工程實際問題的能力，有利于培養(yǎng)高質(zhì)量的工程人才。

【關(guān)鍵詞】? ? CDIO? ? 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計? ? 教學(xué)改革

引言：

《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計》是本校機(jī)械電子工程專業(yè)的一門專業(yè)教育必修課程，共40課時，其中講授32課時，實驗8課時，于第5學(xué)期開設(shè)。本課程旨在引領(lǐng)學(xué)生了解機(jī)電一體化系統(tǒng)的技術(shù)全貌，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計所涉及的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)基本知識，通過課堂實物演示認(rèn)知機(jī)電系統(tǒng)，通過理論講解和實例分析掌握相關(guān)理論知識，通過使用Arduino單片機(jī)和傳感器對機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過實驗應(yīng)用各種電機(jī)和傳感器，儲備機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)的基本知識，具備機(jī)電系統(tǒng)調(diào)試、維護(hù)、設(shè)計能力。

從課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方法來看，本課程的綜合性很強(qiáng)[1]，全面運(yùn)用了機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、機(jī)電傳動與控制、單片機(jī)與接口技術(shù)、傳感與測試技術(shù)這些先修課程的知識，強(qiáng)調(diào)機(jī)電系統(tǒng)的整體性和技術(shù)集成性，并為后續(xù)機(jī)器人技術(shù)方向和智能制造方向提供技術(shù)支持。另外，本課程要培養(yǎng)能設(shè)計實現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的學(xué)生，其操作性及實用性很強(qiáng)。

一、傳統(tǒng)教學(xué)模式存在問題

《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計》課程傳統(tǒng)教學(xué)以講授為主，實驗為輔。理論授課中主要講授機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計所涉及的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)基本知識，以及一些工業(yè)生產(chǎn)上的案例。其中關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)基本知識在以前先修的課程中都有涉及，本門課相當(dāng)于將這些先修課程知識進(jìn)行綜合，因此教師如果在課程中僅僅照本宣科的講授教材的內(nèi)容，有很多課程知識是重復(fù)的，另外工業(yè)生產(chǎn)上的案例涉及的技術(shù)多項目大，只能在課堂上講授，不能拿來當(dāng)作項目任務(wù)讓學(xué)生實現(xiàn)，學(xué)生的動手操作能力得不到鍛煉。純理論授課的傳統(tǒng)教學(xué)模式，理論知識抽象，課堂內(nèi)容枯燥乏味，課堂上學(xué)生的學(xué)習(xí)效果大打折扣[2]。本門課期末考核以前均采用試卷考試形式，很多學(xué)生為了考試而死記硬背知識點(diǎn)，知識點(diǎn)沒有完全理解，掌握的不牢固，學(xué)生的綜合運(yùn)用能力也得不到提高，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的興趣和動力。

由此可見，《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計》課程理論授課的傳統(tǒng)教學(xué)模式存在諸多問題，教師亟需研究適合于該課程的教學(xué)模式，以提高該門課程的教學(xué)效果，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，培養(yǎng)學(xué)生的實際動手操作能力、綜合運(yùn)用知識的能力和解決工程實際問題的能力[3]。

二、CDIO下課程教學(xué)改革

CDIO是一種工程教育的理念，從產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行，從構(gòu)思到設(shè)計到實現(xiàn)到運(yùn)作，讓學(xué)生以實際工程項目為載體來學(xué)習(xí)課程知識，是一種任務(wù)驅(qū)動式的實踐性的教育教學(xué)理念[4]。在這種教育理念下，學(xué)生學(xué)習(xí)是主動的、實踐的，在培養(yǎng)個人基礎(chǔ)知識、綜合運(yùn)用知識、解決工程實際問題能力的同時，還能培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作的能力。這種教育理念應(yīng)用于工程教育領(lǐng)域，以實際工程項目為載體，更有利于提高工程教育的質(zhì)量，按CDIO教育理念培養(yǎng)出來的的學(xué)生也更能符合社會需求。

《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計》課程是屬于工科專業(yè)的一門專業(yè)教育必修課程，課程內(nèi)容包括：機(jī)電產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計、電控系統(tǒng)設(shè)計、傳感器選型、控制器選型以及電路設(shè)計等，這些內(nèi)容也都是工程性很強(qiáng)的內(nèi)容，因此該課程可利用CDIO工程教育理念來進(jìn)行教學(xué)模式的改革，改變傳統(tǒng)理論講授的教學(xué)模式，提高教學(xué)效果，培養(yǎng)高質(zhì)量人才。

要利用CDIO工程教育理念，《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計》課程就需要設(shè)計出一個實際工程項目，學(xué)生以這個工程項目為本課程的任務(wù)來進(jìn)行本課程各個知識模塊的學(xué)習(xí)，這個工程項目需要貫穿于整個課程，學(xué)生做完這個工程項目，也就完成了本課程所有知識的學(xué)習(xí)。因此基于CDIO的《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計》課程的工程項目的設(shè)計需要全方面考慮該門課程的知識內(nèi)容，根據(jù)課程所要求的教學(xué)內(nèi)容來設(shè)計合適的學(xué)生能實現(xiàn)且能有效達(dá)到教學(xué)目的的工程項目。本門課程的課程內(nèi)容可分為機(jī)械單元基礎(chǔ)、傳動系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)、伺服與驅(qū)動單元、傳感與檢測單元、控制單元、接口技術(shù)共六大知識模塊，本人設(shè)計出“抓球機(jī)器人”項目，以這個實際項目為依托來引導(dǎo)和驅(qū)動學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程。該項目旨在設(shè)計一款能夠移動并能夠抓取物體的機(jī)器人。在實際課程教學(xué)中，兩到三個學(xué)生為一個小組來完成這個項目，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作的能力。

課程初期先進(jìn)行分組，然后各組經(jīng)過討論確定本組“抓球機(jī)器人”的技術(shù)參數(shù)，其中包括外形尺寸、機(jī)器人重量、機(jī)器人行走速度加速、加速能力、爬坡能力、單次抓取重量以及抓取速度。

在機(jī)械單元基礎(chǔ)授課環(huán)節(jié)共4學(xué)時。該部分內(nèi)容學(xué)生在之前的課程已經(jīng)學(xué)過，在授課過程中主要介紹輪式機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動系統(tǒng)，簡易機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu);提供鋁型材、直線滑軌、絲杠、同步帶輪以及常用連接件、標(biāo)準(zhǔn)件的樣本做為選型手冊;提供機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、solidworks等已學(xué)過課程的電子版教材和相關(guān)資料供學(xué)生復(fù)習(xí)。學(xué)生在本模塊的學(xué)習(xí)過程中需要利用課下時間使用solidworks設(shè)計軟件，完成本組“抓球機(jī)器人”的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。

傳動系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)授課環(huán)節(jié)共10學(xué)時。主要講授傳動系統(tǒng)的慣量歸算和阻力矩的歸算，該模塊是課程中的重要環(huán)節(jié)，授課過程中通過對齒輪傳動、齒輪齒條傳動、絲杠滑臺傳動、同步帶傳動等多種傳動形式的系統(tǒng)慣量和阻力矩歸算進(jìn)行詳細(xì)講解并舉例說明，使學(xué)生能夠理解慣量和阻力矩歸算的作用和方法。課下時間各組需要根據(jù)本組定好的技術(shù)參數(shù)和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行本組機(jī)器人的慣量和阻力矩歸算。該模塊最后2學(xué)時用于學(xué)生作業(yè)點(diǎn)評和答疑，通過作業(yè)點(diǎn)評和答疑學(xué)生能夠正視自身問題，教師也能及時了解學(xué)生掌握情況。

伺服與驅(qū)動單元、傳感與檢測單元、控制單元、接口技術(shù)4個知識模塊共計18學(xué)時，由于學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程之前已經(jīng)學(xué)過機(jī)電傳動與控制、傳感與測試技術(shù)、單片機(jī)與接口技術(shù)等課程，在本課程中不再對知識點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講述，在講授伺服與驅(qū)動單元、傳感與檢測單元模塊時給學(xué)生提供多種電機(jī)和傳感器樣本，結(jié)合實例講解如何選型。在講授控制單元、接口技術(shù)時主要講解不同單片機(jī)開發(fā)板或控制器的性能是否滿足對機(jī)器人的控制需求。學(xué)生通過這4個知識模塊的學(xué)習(xí)，課下通過小組討論，結(jié)合本組的任務(wù)參數(shù)，完成“抓球機(jī)器人”的電機(jī)傳感器選型、機(jī)器人電路設(shè)計及控制器選型三部分的內(nèi)容。

由于本門課程教學(xué)以工程項目任務(wù)為載體，因此本門課程的期末考核取消傳統(tǒng)的試卷考試方式，采用工程項目設(shè)計成果的期末考核方式，要求學(xué)生以小組為單位最終上交一份“抓球機(jī)器人”的設(shè)計說明書，而設(shè)計說明書包括了機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)慣量和阻力矩的計算、電機(jī)傳感器選型、機(jī)器人電路設(shè)計及控制器選型這幾大部分內(nèi)容 ，每個部分的內(nèi)容的參數(shù)選擇及設(shè)計均在課程相應(yīng)知識模塊的學(xué)習(xí)中進(jìn)行及完成，因此設(shè)計說明書也就相當(dāng)于是對課程知識內(nèi)容的總結(jié)、對項目的一個完整設(shè)計方案的呈現(xiàn)。

因為《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計》課程工程項目最后要求學(xué)生完成的是項目的設(shè)計方案，所以只涉及到了CDIO的構(gòu)思、設(shè)計過程，第6學(xué)期開設(shè)的《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》以及《專業(yè)綜合實訓(xùn)》課程要求學(xué)生完成“抓球機(jī)器人”產(chǎn)品的實現(xiàn)及參加校級機(jī)器人比賽，這就涉及到了CDIO的實現(xiàn)、運(yùn)作過程。因此“抓球機(jī)器人”這樣一個工程項目，貫穿了《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計》的先修課程和后續(xù)課程，讓課程間緊密有機(jī)聯(lián)系，讓學(xué)生對各門課程融會貫通，學(xué)以致用，也很好的體現(xiàn)了CDIO的工程教育理念。

三、結(jié)束語

《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計》課程是機(jī)械電子工程專業(yè)的一門專業(yè)課程，它要求綜合運(yùn)用了很多先修課程的基礎(chǔ)知識，來設(shè)計及實現(xiàn)集成化的機(jī)電系統(tǒng)。對于這門綜合性及實操性很強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)的理論講授教學(xué)模式存在很多問題，因此本文對傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行了一系列改革，提出了基于CDIO工程教育理念的《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計》課程教學(xué)模式，依托“抓球機(jī)器人”這個學(xué)生能實現(xiàn)且能涵蓋課程所有教學(xué)內(nèi)容的實際工程項目，來讓學(xué)生主動積極的去構(gòu)思、設(shè)計項目內(nèi)容，邊學(xué)習(xí)邊思考設(shè)計，整個課程的學(xué)習(xí)都圍繞這個項目，最后以上交項目設(shè)計說明書的形式作為期末考核成果。課程教學(xué)實踐表明，相比于傳統(tǒng)的理論講授模式，這種任務(wù)式的教學(xué)和學(xué)習(xí)模式，能極大提高教學(xué)效果，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力及解決實際工程問題的能力。另外在項目的實施過程中，學(xué)生以分組的形式來討論、設(shè)計并完成項目，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力。當(dāng)然，“抓球機(jī)器人”項目在《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計》課程中只是體現(xiàn)了CDIO的構(gòu)思和設(shè)計過程，后續(xù)的課程將繼續(xù)實現(xiàn)“抓球機(jī)器人”，并讓學(xué)生參與校級機(jī)器人競賽，進(jìn)而體現(xiàn)了CDIO的實施和運(yùn)作理念。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]彭精立，沈楊，李星，李淑梅，姚婷梅.“機(jī)電一體化系統(tǒng)”課程教學(xué)改革探討[J].南方農(nóng)機(jī)，2021，52（10）：126-127+157.

[2]朱明明，楊翠云.基于CDIO教學(xué)理念的機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)課程教學(xué)改革與研究[J].科技風(fēng)，2021（01）：42-43.

[3]王碧艷.基于CDIO模式的機(jī)電一體化技術(shù)課程教學(xué)改革探討[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2020（39）：164-165.

[4]李爽.基于CDIO理念的項目化教學(xué)改革的探索——以機(jī)電一體化專業(yè)為例[J].職業(yè)，2018（33）：47-48.