以工業(yè)機器人競賽為依托的CDIO人才培養(yǎng)模式實踐*

文/吳承偉（黃山學(xué)院 機電工程學(xué)院）

一、引言

CDIO工程教育模式是由Edward Crawley提出，2000年起由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)牽頭，經(jīng)過四年的探索研究，創(chuàng)立的新的工程教育理念[1-3]。

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程[4-6]?；贑DIO理念的人才培養(yǎng)方案中將畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，它要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個層面達到預(yù)定目標(biāo)。

黃山學(xué)院機械電子工程專業(yè)自2019年開始進行CDIO工程教育模式的改革與實踐，從CDIO的“做中學(xué)”教育理念出發(fā)，從以下幾個方面進行了初步嘗試：

（1）對機械電子工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案進行了初步調(diào)整。調(diào)整加大了實踐課程的比重，強化了以實踐教學(xué)為主體，理論課程相協(xié)同的培養(yǎng)理念；同時，在培養(yǎng)方案中加入了一些地方特色的人文性課程如“徽文化專題”，以及培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新意識的課程如“創(chuàng)新創(chuàng)意創(chuàng)造方法”，這些課程的開展在強化學(xué)生動手能力的同時也培養(yǎng)了學(xué)生整體的人文素養(yǎng)。

（2）嘗試對部分實踐性質(zhì)較重課程如《微控制器技術(shù)》《可編程控制器技術(shù)》等進行科學(xué)改革。這些課程本質(zhì)為應(yīng)用型實踐性課程，與企業(yè)項目結(jié)合度高，技術(shù)的發(fā)展更新速度也較快，傳統(tǒng)的理論式教學(xué)及相關(guān)教材無法滿足技術(shù)日新月異的變化，教材案例也不具備時代性，不能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和認(rèn)同。對這些課程中的部分章節(jié)采用項目式的教學(xué)方法，以完成項目為目標(biāo)，以項目達成度與學(xué)生參與度為考核標(biāo)準(zhǔn)，從項目所需知識提煉出學(xué)生所需掌握的知識點，讓學(xué)生邊學(xué)邊做。相較于以往單獨講理論課程，再做幾次相關(guān)實驗對所學(xué)理論知識進行驗證這種傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，新的模式提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也強化了對學(xué)生個體參與學(xué)習(xí)的考核，實質(zhì)是對學(xué)生的“學(xué)”和教師的“教”都提出了更高的要求。

（3）為機械電子工程專業(yè)開設(shè)了綜合性課程設(shè)計，該課程設(shè)計將綜合運用本專業(yè)所學(xué)的機械基礎(chǔ)知識、電學(xué)知識、控制理論、傳感檢測知識、數(shù)學(xué)知識、軟件編程技能等，是對學(xué)生以往所學(xué)知識的一次集中性檢驗，也為今后的畢業(yè)設(shè)計工作做一次提前的模擬，以期發(fā)現(xiàn)問題并及時溝通解決問題；學(xué)生在分組設(shè)計的過程中也鍛煉了創(chuàng)新能力和協(xié)作能力。

（4）努力開展多層次的各類學(xué)科競賽活動，以校級競賽為基礎(chǔ)，通過課程式的培訓(xùn)，提升工程競賽的學(xué)生、教師參與度。初步規(guī)劃了基于工程競賽的學(xué)生及教師工程能力評價機制，并依此機制進一步促進學(xué)生工程能力的發(fā)展和工程素養(yǎng)的形成，同時也促使教師個人的工程應(yīng)用能力提升。

（5）建立學(xué)業(yè)導(dǎo)師機制。以有企業(yè)、行業(yè)、項目背景的中青年專任教師為專業(yè)班級學(xué)業(yè)導(dǎo)師，學(xué)業(yè)導(dǎo)師負(fù)責(zé)學(xué)生在大學(xué)四年的學(xué)習(xí)、科研活動，指導(dǎo)班級學(xué)生參與各項競賽活動，帶領(lǐng)有能力的學(xué)生參與教師教學(xué)、科研工作，引導(dǎo)學(xué)生下基層、去工廠，參加各類實習(xí)、見習(xí)活動，以企業(yè)面臨的實際問題作為畢業(yè)設(shè)計課題，配合企業(yè)工程師，共同指導(dǎo)學(xué)生進行實驗研究，解決企業(yè)難題。

二、依托工業(yè)機器人大賽進行CDIO教育理念實踐

基于CDIO工程教育的思想，以競賽項目“滾動軸承自動化裝配系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用”為依托，面向機械電子工程專業(yè)全體同學(xué)開展了校內(nèi)比賽的選拔活動，活動同時允許相關(guān)專業(yè)同學(xué)參與，著重針對17～19級機械電子工程專業(yè)同學(xué)進行了實踐考查與評價。

（一）項目構(gòu)思

滾動軸承自動化裝配系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用項目針對滾動軸承自動裝配的關(guān)鍵步驟，要求學(xué)生在深入理解滾動軸承結(jié)構(gòu)和軸承裝配過程的基礎(chǔ)上，采用多自由度工業(yè)機械臂進行編程，實現(xiàn)軸承自動裝配與智能化檢測。

該項目為機電類的綜合競賽項目，涵蓋了機械設(shè)計中滾動軸承知識、氣動原理、電路知識、PLC相關(guān)理論及編程、觸摸屏技術(shù)、工業(yè)機器人示教及編程、工業(yè)機器人視覺技術(shù)、測量技術(shù)等相關(guān)知識，這些知識均為機械電子工程專業(yè)應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)和掌握的核心知識。該項目從“注重基礎(chǔ)操作、強化系統(tǒng)集成”的角度進行考評，它的開展將是一次對學(xué)生進行專業(yè)知識集中化、靈活化運用的訓(xùn)練與考核。同時，本項目一般需要3～4名學(xué)生分工協(xié)作，以團隊方式來完成。它特別強調(diào)學(xué)生設(shè)計思考能力、動手搭建能力、分析解決故障問題的能力、協(xié)作能力，從各方面看都非常符合CDIO工程教育理念中的構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）四個關(guān)鍵點。

（二）項目立項與設(shè)計

競賽項目經(jīng)申報立項后面向全體機械電子工程專業(yè)或機電類專業(yè)同學(xué)開展，發(fā)布競賽題目與競賽規(guī)則，接受學(xué)生自主報名，并對報名參賽學(xué)生進行相關(guān)基礎(chǔ)理論知識考核?？紤]到學(xué)生來自不同年級，已學(xué)的專業(yè)課程內(nèi)容不一致，基礎(chǔ)知識理論考核分三個層級進行。其中，針對大二學(xué)生，重點考核其機械設(shè)計、電子電路方面的基礎(chǔ)知識；針對大三學(xué)生，重點考核其液壓與氣壓傳動、PLC技術(shù)方面的專業(yè)知識；而對于大四學(xué)生，考查將更為全面，但重點考查其對工業(yè)機器人技術(shù)課程基礎(chǔ)知識的掌握情況。對于大一新生，由于所學(xué)專業(yè)知識較少或尚未學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識，可安排至后續(xù)競賽團隊中跟隊學(xué)習(xí)，為今后參與正式比賽積累相關(guān)經(jīng)驗。

理論知識考核合格的學(xué)生將按成績分布情況進行合理組隊，并進入下一階段的實踐。競賽組織單位按照分組情況提供若干套比賽設(shè)備，每套比賽設(shè)備包括：多自由度工業(yè)機械臂2臺、PLC控制器1套、觸摸屏系統(tǒng)1套、多功能工具箱1盒、測量裝置1盒、拆散待裝配滾動軸承1組、小型靜音空氣泵1個、框架式鋁合金支撐底座1套、零件與接線若干。以上部件如觸摸屏、工業(yè)機械臂、PLC控制器等需由組織單位預(yù)先安置在底座上并調(diào)整好水平度。

在具體競賽實踐中，學(xué)生需要操作的內(nèi)容包括：接線錯誤或常見故障排查、對兩臺工業(yè)機械臂進行運動軌跡編程，連接、調(diào)試氣動管路系統(tǒng)，對整個PLC系統(tǒng)進行電氣接線、觸摸屏系統(tǒng)編程、測試調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)裝置的水平度等。

在整個系統(tǒng)搭建、接線及排障測試完成后，要求兩臺機械臂在預(yù)編程序下實現(xiàn)協(xié)作，將滾動軸承的四個組成部件（軸承內(nèi)圈、軸承外圈、滾動體、保持架）按順序進行自動裝配，裝配完畢的滾動軸承須能靈活運轉(zhuǎn)并存放于指定位置。機械臂的整個協(xié)作過程中要避免干涉和碰撞，組裝完成后，使機械臂返回出發(fā)位置。

（三）項目的實施

每個小組將由3～4名同學(xué)組成，其中1～2人負(fù)責(zé)電氣化接線、氣動管路連接、系統(tǒng)故障排查、系統(tǒng)通信及工作臺水平度調(diào)節(jié)與測試，其余2人各負(fù)責(zé)1臺工業(yè)機械臂編程與示教操作。

隊員1、2：負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)接線，需熟悉整個系統(tǒng)工作流程，熟悉氣動裝置，熟悉所采用的PLC裝置和觸摸屏系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上對應(yīng)接線，確保PLC裝置輸入/輸出接口接線準(zhǔn)確，氣動閥門動作順暢，對于氣動裝置多次動作產(chǎn)生的誤差而導(dǎo)致的零件定位不準(zhǔn)確進而影響裝配精度需想辦法加以修正。對于競賽組預(yù)設(shè)的故障問題進行排查和解決。調(diào)整好整個系統(tǒng)和平臺的平衡狀態(tài)，為后續(xù)工業(yè)機械臂正常作業(yè)提供基礎(chǔ)。

隊員3：負(fù)責(zé)主機械臂工作，主機械臂進行軸承外圈抓取、放置及保持架安裝，操作人員需熟悉對應(yīng)的工業(yè)機械臂編程方式，擬定機械臂行進坐標(biāo)點和路徑軌跡，結(jié)合觸摸屏采用示教編程方式編制相應(yīng)動作程序，并考慮與另一工業(yè)機械臂配合，做好相應(yīng)的延時設(shè)置；工業(yè)機械臂在行進過程中不可觸碰周圍零部件，不得發(fā)生自身干涉。編程過程中可進行多次調(diào)試，一旦確定編程完畢，需讓工業(yè)機械臂在自動模式下按預(yù)編程序動作，不可人為再次接觸。

隊員4：負(fù)責(zé)協(xié)從機械臂工作，從機械臂負(fù)責(zé)軸承內(nèi)圈、滾動體的抓取、安裝，操作人員需熟悉對應(yīng)的工業(yè)機械臂編程方式，按預(yù)先編制的坐標(biāo)點位進行路徑軌跡的合理規(guī)劃，采用示教編程方式編制相應(yīng)動作程序，考慮與主機械臂協(xié)同工作，工作過程中不可觸碰主機械臂，不得發(fā)生自身干涉，不得觸碰周邊零部件及工作臺。實踐過程中，可按步驟進行多次編程嘗試及調(diào)試，一旦確定編程完畢，操作人員不可再次接觸。

兩臺機械臂編程、調(diào)試均完畢后，參賽學(xué)生可示意評委進行現(xiàn)場演練及評分。

（四）項目評價

項目評價是項目的最后實施階段，主要考察項目的完成質(zhì)量與效率。評價標(biāo)準(zhǔn)包括工業(yè)機械臂程序設(shè)計（20%）、現(xiàn)場故障排查（20%）、現(xiàn)場操作的工程素養(yǎng)（10%）、項目演示完成度（40%）、項目所耗總體時間（10%）五個單項。每個單項總分為100分，按詳細評分標(biāo)準(zhǔn)進行打分與扣分，單項得分按系數(shù)折算計入總分。

最終，按每小組所獲總分進行成績排名，遴選出排名靠前的兩個小組參加省級比賽。競賽結(jié)束后，指導(dǎo)教師應(yīng)針對每個小組組員，進行討論、分析、指導(dǎo)，指出比賽實踐過程中的錯誤、不足之處，總結(jié)經(jīng)驗和比賽成果，以便后續(xù)參賽時進行改進。

三、結(jié)束語

工業(yè)機器人競賽項目專業(yè)知識集成度高、動手實踐性較強，充分滿足了CDIO教育理念關(guān)注的四個基本要點，學(xué)生在參賽的過程中既夯實了基礎(chǔ)理論知識，又培養(yǎng)了獨立思考、面對問題積極解決、小組成員相互協(xié)作的能力。而依托工程競賽項目開展的相關(guān)教與學(xué)活動，也能吸引中青年教師積極投入進來，在項目的指導(dǎo)與參與過程中，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改良教學(xué)方法、促進師生溝通、總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗。對于中青年教師自身工程能力的發(fā)展具有積極的促進作用。

競賽項目實施一輪后，可在此基礎(chǔ)上嘗試進行課程體系重構(gòu)，將與競賽知識關(guān)聯(lián)度較高的課程集中進行授課。

從整體上看，通過組織實施工程競賽項目、專業(yè)課程教學(xué)改革、課程體系重建、構(gòu)建新的管理評價機制、制定新培養(yǎng)方案等方法，可充分體現(xiàn)“做中學(xué)”和“項目化教學(xué)”的理念，更是對CDIO工程教育理念的一次有效實踐。