CDIO模式下面向機(jī)電專業(yè)的物料分揀項目教學(xué)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(nèi)多所高校實施并取得較好成績，促進(jìn)了我國工科專業(yè)的教學(xué)改革。針對機(jī)電專業(yè)特點及社會需求，選擇包含電氣自動控制技術(shù)、傳感器原理及應(yīng)用、機(jī)電一體化等多門課程內(nèi)容的自動物料分揀系統(tǒng)進(jìn)行項目式教學(xué)實踐，為機(jī)電專業(yè)開展項目式教學(xué)提供參考。

[關(guān)鍵詞]CDIO工程教育模式；機(jī)械電子工程；物料分揀；項目教學(xué)

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

機(jī)械電子工程作為機(jī)械工程的二級學(xué)科，是典型的工程類專業(yè)，其內(nèi)容涉及機(jī)械、電子和計算機(jī)工程等多個學(xué)科，且在學(xué)科的交叉、融合及創(chuàng)新中不斷發(fā)展[1，2]，而相對應(yīng)的人才培養(yǎng)尚未形成一個完整系統(tǒng)的體系，還處于一個逐步完善階段，其培養(yǎng)模式也一直處于探索階段。由美國麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)共同研究創(chuàng)立的CDIO（構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運(yùn)作）工程教育模式[3-5]，以產(chǎn)品研發(fā)全生命周期為載體，建立一體化的相互支撐和有機(jī)聯(lián)系的課程體系，通過課程群知識點的應(yīng)用系統(tǒng)提高學(xué)生的工程能力。燕山大學(xué)作為國內(nèi)最早一批開展CDIO教學(xué)改革的高校之一，其不同專業(yè)根據(jù)自身特點對課程進(jìn)行了項目教學(xué)改革。機(jī)電專業(yè)因其涉及內(nèi)容廣、學(xué)科交叉特點，在項目教學(xué)實踐過程中，需要設(shè)置能夠貼近實際且內(nèi)容涵蓋學(xué)科多門主干課程的項目進(jìn)行綜合訓(xùn)練，以培養(yǎng)知識面廣、綜合能力強(qiáng)的創(chuàng)新型機(jī)電人才。

一、CDIO工程教育模式

CDIO模式能夠得到廣泛認(rèn)可，不僅因為其強(qiáng)化實踐教學(xué)的教學(xué)理念，更重要的是它系統(tǒng)地提出了面向市場需求的“CDIO教學(xué)大綱”以及詳盡、可操作的“CDIO標(biāo)準(zhǔn)”，一方面細(xì)化了優(yōu)秀工程師所需具備的知識、能力和素質(zhì)，另一方面指明了教學(xué)過程中的實施方法。CDIO模式解決了工科專業(yè)教學(xué)“培養(yǎng)什么人”以及“如何培養(yǎng)人”兩個根本性的教育問題，體現(xiàn)了教育的系統(tǒng)性、科學(xué)性和先進(jìn)性的統(tǒng)一，代表了當(dāng)代工程教育的發(fā)展趨勢。

CDIO模式是在近似于實際工程場景的實踐訓(xùn)練過程當(dāng)中，從工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面對工科專業(yè)學(xué)生進(jìn)行綜合培養(yǎng)，使其成為工程基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識扎實、能領(lǐng)導(dǎo)創(chuàng)新開發(fā)與運(yùn)行并且具有社會與歷史責(zé)任感的新一代高水平工程師。采用CDIO工程教學(xué)模式，一個重要的環(huán)節(jié)就是項目的規(guī)劃與設(shè)置，由于實際工程問題通常包含多學(xué)科知識且具有一定的綜合特性，而本科教學(xué)是以不同專業(yè)開展教學(xué)工作的，這就要求所設(shè)置的項目需要綜合考慮不同專業(yè)的特色及培養(yǎng)目標(biāo)，使經(jīng)過項目實踐的畢業(yè)生在掌握專業(yè)課理論知識的同時能夠滿足該專業(yè)工程師的工作需求。

二、機(jī)電專業(yè)特點及培養(yǎng)目標(biāo)

機(jī)械電子工程經(jīng)過多年的發(fā)展，形成了從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運(yùn)用多學(xué)科技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。[6]隨著外觀更加人性化、功能更加強(qiáng)大、體積和重量更加輕巧、可靠性更高的機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)入人們生活的各個領(lǐng)域，其所涉及的知識持續(xù)增加，新理論、新技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，充分體現(xiàn)出機(jī)電專業(yè)內(nèi)容快速更新、技術(shù)深入融合且系統(tǒng)性、綜合性不斷加強(qiáng)的特點。

作為高等教育的一個學(xué)科，機(jī)電專業(yè)主要培養(yǎng)具備德、智、體全面發(fā)展，掌握機(jī)械電子基本知識和技能，能從事機(jī)電一體化領(lǐng)域內(nèi)的設(shè)計制造、科技開發(fā)、應(yīng)用研究和運(yùn)行管理等方面工作的并具有較強(qiáng)的創(chuàng)新精神和實踐能力的高級工程技術(shù)人才。從知識結(jié)構(gòu)上學(xué)生需要掌握如下六方面內(nèi)容：1.作為機(jī)電產(chǎn)品支撐基礎(chǔ)的機(jī)械技術(shù)；2.包含信息交換、存取、運(yùn)算、判斷與決策、人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的計算機(jī)信息處理技術(shù)，以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)；3.從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，開展各項工作的系統(tǒng)技術(shù)；4.在控制理論指導(dǎo)下，對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、仿真、現(xiàn)場調(diào)試的自動控制技術(shù)；5.能快速、精確地獲取信息的傳感器技術(shù)；6.能夠?qū)崿F(xiàn)電動、氣動、液壓等各種類型的傳動系統(tǒng)高效、準(zhǔn)確完成機(jī)械動作的伺服驅(qū)動技術(shù)。學(xué)生對上述六方面內(nèi)容的學(xué)習(xí)，不僅是對單獨某一門技術(shù)的熟練掌握，更是對多門技術(shù)的綜合應(yīng)用。

隨著我國進(jìn)入創(chuàng)新性社會，各種機(jī)電一體化產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)的同時需要大量的機(jī)電專業(yè)人才，社會要求高校機(jī)電專業(yè)培養(yǎng)對專業(yè)有全面和系統(tǒng)的認(rèn)識，且具有通才素質(zhì)，對項目和問題有決策和協(xié)調(diào)能力的創(chuàng)新型復(fù)合人才。

三、物料自動分揀系統(tǒng)項目選定

針對機(jī)電專業(yè)學(xué)科交叉且綜合性較強(qiáng)的特點，在CDIO實訓(xùn)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(jī)電專業(yè)某一階段教學(xué)目標(biāo)涉及的多個知識點，且能夠體現(xiàn)從構(gòu)思到運(yùn)行的產(chǎn)品生命周期的全過程，使學(xué)生通過項目的實施，具備解決實際工程問題的能力。由于當(dāng)前項目教學(xué)還處于學(xué)校教學(xué)經(jīng)費資助下的近似工程環(huán)境的實踐，這要求所選項目還需具有較好的可擴(kuò)展性及經(jīng)濟(jì)性特點。

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

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

電氣及控制技術(shù)：1.電氣系統(tǒng)原理圖與接線圖設(shè)計。2.典型低壓電器選用。3.模擬量電機(jī)調(diào)速及位置控制實現(xiàn)。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(diào)試。6.PLC控制軟件的編制及調(diào)試。

機(jī)電一體化技術(shù)：1.機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)組成及開發(fā)。2.物料傳送、分揀機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計。3.驅(qū)動方式設(shè)計。4.氣動系統(tǒng)設(shè)計及元件選型。5.機(jī)電產(chǎn)品伺服傳動。6.系統(tǒng)可靠性分析。

物料自動分揀系統(tǒng)作為自動生產(chǎn)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(tǒng)通常還會有配套的上料或物料包裝系統(tǒng)，可以綜合開展大型項目實訓(xùn)，具有較好的可擴(kuò)展性。

物料自動分揀系統(tǒng)中，機(jī)械部分的體積對系統(tǒng)復(fù)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(dǎo)意義，可大大節(jié)約開發(fā)成本。綜合考慮經(jīng)費、知識點難易程度、項目的可擴(kuò)展性等實際教學(xué)情況，因而確定物料自動分揀系統(tǒng)作為典型產(chǎn)品開展項目式教學(xué)實踐。

四、項目實施過程設(shè)計

CDIO工程教育模式中，項目的開展包含了企業(yè)在真實社會環(huán)境中的完整的產(chǎn)品研發(fā)流程，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性和科學(xué)性。綜合考慮現(xiàn)有實驗條件及項目難度，在整個項目實施過程中將班級學(xué)生小組化，每組由4-6名學(xué)生組成。分組后的學(xué)生通過分工合作，按照項目構(gòu)思、項目設(shè)計、項目實現(xiàn)以及項目運(yùn)作等4個階段開展工作。

1.項目構(gòu)思

項目構(gòu)思主要使學(xué)生明確設(shè)計任務(wù)，通過查詢資料對所設(shè)計產(chǎn)品進(jìn)行初步規(guī)劃，屬于概念設(shè)計階段。物料自動分揀系統(tǒng)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(yè)項目，且考慮到項目的可實現(xiàn)性及知識點的覆蓋，應(yīng)對設(shè)計任務(wù)進(jìn)一步細(xì)化。要求系統(tǒng)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(zhì)、磁質(zhì)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(jī)械部分尺寸小于600mm×800mm且材質(zhì)盡量采用鋁合金型材及不銹鋼板，輸送帶速度連續(xù)可調(diào)，不同小組分別采用光電碼盤結(jié)合U型光電開關(guān)、強(qiáng)力小磁鐵結(jié)合霍爾開關(guān)以及光電編碼器的方法對電機(jī)進(jìn)行測速?？紤]到學(xué)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(chǎn)品進(jìn)行較為直觀的展示，幫助學(xué)生盡快明確目標(biāo)。

2.項目設(shè)計

項目設(shè)計階段學(xué)生基于設(shè)計任務(wù)，綜合考慮系統(tǒng)功能和現(xiàn)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(jī)械、電氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，明確所需傳感器種類及數(shù)量，最終繪制機(jī)械工程圖以及電氣原理圖、接線圖，并制訂采購清單。設(shè)置時間節(jié)點對加工、采購件進(jìn)行審核，多組學(xué)生進(jìn)行統(tǒng)一采購以保證項目進(jìn)度。在該階段，教師要對學(xué)生進(jìn)行及時輔導(dǎo)，并介紹些工程實際當(dāng)中被應(yīng)用而書本上沒有的常識性知識，幫助學(xué)生盡量少走彎路，但也要防止學(xué)生過于依賴?yán)蠋煛?/p>

3.項目實現(xiàn)

項目實現(xiàn)階段學(xué)生主要完成系統(tǒng)硬件的組裝，接線及程序調(diào)試工作。由于工作種類包含機(jī)械、電氣、軟件、調(diào)試等多個方面，除需組長整體負(fù)責(zé)外，還需要學(xué)生在組內(nèi)進(jìn)行分工合作，特別注意操作上的細(xì)節(jié)。具體來說，機(jī)械方面包括輸送帶的張緊、電機(jī)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(diào)試等；軟件方面包括I/O點的規(guī)劃、傳感器與驅(qū)動間的互鎖/聯(lián)鎖關(guān)系、計數(shù)器/定時器的設(shè)置等；另外學(xué)生還需鍛煉使用常用機(jī)械、電氣方面的工具。該階段使學(xué)生充分體會在共同目標(biāo)的指導(dǎo)下，相互幫助、共同學(xué)習(xí)的團(tuán)隊合作模式，從而提高自身表達(dá)及交流能力。學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)知識，從實踐中感受學(xué)習(xí)的樂趣。同時，由于很多實際操作內(nèi)容在教材中沒有涉及，教師還需及時對學(xué)生進(jìn)行操作指導(dǎo)，幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的工作習(xí)慣。

4.項目運(yùn)行

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

五、結(jié)束語

將基于CDIO工程教育模式引入實踐教學(xué)，針對機(jī)電專業(yè)特色及培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)置物料自動分揀系統(tǒng)這一包含多門課程的綜合性項目，在接近工程環(huán)境的試驗平臺上，讓學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)，通過協(xié)同合作共同完成設(shè)備的組裝和調(diào)試。通過完成項目，學(xué)生不僅提高了動手能力，在理論和實踐的結(jié)合過程中掌握了專業(yè)知識，更重要的是對所學(xué)專業(yè)在機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中的重要作用有了更加深入的認(rèn)識，專業(yè)能力和工程能力得到大幅度提升，增強(qiáng)了自學(xué)和解決問題以及團(tuán)隊工作和溝通的能力，為將來參與工程建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

[ 注 釋 ]

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

[2] 黃民，朱春梅，祁志生，等.機(jī)械電子工程專業(yè)方向系列課程建設(shè)與教學(xué)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計”課程教學(xué)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(jī)電專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版），2011（4）：193-194.

[6] 潘廣均.機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r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(tǒng)設(shè)計與研究[D].長沙：湖南師范大學(xué)，2010.

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

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]