基于CDIO模式的機電一體化技術教學設計

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，這種學習方法是以真實產品制作為載體，從產品研發到產品運行作為一個生命周期，在產品的每一個制作步驟中，學生都要主動參與進來。機電一體化技術課程是電氣自動化專業傳統的教學科目，是一門核心專業課程。將CDIO教育理念引入機電一體化技術課程教學中，有利于提升學生對簡單控制系統的設計、安裝、調試能力，有助于提升學生的綜合職業素質。

關鍵詞：機電一體化 CDIO 氣動 機械手

機電一體化技術課程是電氣自動化專業一門核心專業課程，在課程體系中具有舉足輕重的地位。在傳統學科體系教學模式下，各學科是分散教學，等到幾個學期的基礎學習結束以后，再來進行機電一體化技術綜合訓練時，發現學生早己對專業失去興趣，所學的基礎專業知識已經遺忘，這使部分學生跟不上老師的教學進度，無法實現教學目標。

技工院校五年制高級工班學生的培養目標不僅是讓其會自動化設備的安裝與維護，同時還要使其具備設計開發簡單自動化系統的能力。因此，在教學過程中要注重學生設計能力的培養。

近年來，CDIO工程教育模式盛行于工程設計類專業教學中。CDIO中的四個字母分別代表構思（ Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（ Operate），這種學習方法是以真實產品制作為載體，從產品研發到產品運行作為一個生命周期，在產品的每一個制作步驟中，學生都要主動參與進來進行學習。

CDIO教育模式主要是解決“培養什么人”和“怎樣培養人”這兩個根本問題。通過該方法的運用，最終把學生培養成不僅具有扎實的理論基礎知識，還能夠進行新產品和新技術的開發，具備綜合職業素養的人。CDIO以實際工程項目或產品的開發過程為載體，以提升學生專業知識、能力和素質為目標，采用相互交叉、相互支撐的課程體系來培養學生，讓學生在理論學習和工程實踐過程中獲得主動學習的經驗。

本文以機電一體化技術課程中的氣動機械手安裝與調試項目為教學案例，具體分析CDIO教育模式在實際教學中的應用。

一、教學實施前的構思（Conceive）準備工作

氣動機械手實訓設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，三是機械手。項目任務是由學生根據實際工作環境的要求設計機械手的動作方式，設計氣動控制回路，根據回路圖組裝機械手各部分元件并連接好氣動回路。同時設計控制電路圖，并根據圖紙連接控制電路，用PLC來控制機械手的運行。每臺工位配有計算機并聯網，整個實訓室有電子教室軟件和投影機。

1.教學過程的構思

（1）教學目標。知識目標：通過本次學習，學生要懂PLC的相關指令編程方法以及常用傳感器的工作原理;學生通過學習要能夠理解各啟動元件的功能，會設計回路圖并分析工作原理，能根據氣動回路圖安裝調試實訓設備。情感目標：要注重培養學生的職業素質，培養學生的嚴謹作風、創新意識、善于思考以及團隊協作精神，提高分析問題與解決問題的能力。

（2）教學重點和難點。教學重點：實施一個完整控制系統工程項目的整個流程、按照國家標準要求進行各組成元件的安裝與調試、掌握PLC編程技術，培養學生通過自己查資料解決問題的能力。教學難點：一是PLC程序編寫。二是正確地引導學生自己搜集學習工作資料，并能夠從中篩選出有用的信息供使用。

2.教學任務的構思

機械手是機電一體化設備或自動化生產系統中常用的裝置，用來搬運物件或代替人工完成某些操作，提高了生產效率。電氣維修人員的任務是對機械手進行安裝、調試與維修，以保證自動化設備能正常運行。既要求硬件部分安裝調試，也要求軟件部分PLC編程。 現以其中的一個項目為例進行講解。該任務中對機械手動作要求如下：一是提升機構，零件從振動料斗落料到20mm高的平臺上，首先對其進行檢測，檢測到零件合格，則該將零件繼續提升至40mm高處，便于物料轉移機構進行抓取;如果檢測到零件不合格，則將零件推入廢料箱中。二是物料轉移機構，檢測裝置檢測到平臺上有零件，則將提升起來的零件轉運至距離該處440mm處，待裝配。

該機構的氣動系統工作循環為：懸臂伸出→氣爪下行→抓取工件→氣爪上行→懸臂回縮→旋轉合適的角度（小于180°）→懸臂伸出→氣爪下行→松開工件（放到指定的工作臺上），完成一個自動工作循環。

學生將要完成的主要任務如下：一是選取機械手的坐標形式和自由度;二是設計出機械手的各執行機構。包括氣爪、氣缸的設計;三是設計氣壓傳動系統。包括氣壓傳動系統中各元器件的選取、整個系統氣動回路的設計，同時要將氣動控制原理圖繪制出來;四是設計電氣控制系統。本系統擬采用可編程序控制器（PLC）對機械手進行控制，因此，學生要能合理選取PLC品牌、型號，編寫PLC控制程序，畫出梯形圖。

二、教學項目的設計（Design）

從最基本的系統來說，最基本的要求是能快速、準確地拾、放以及搬運物件。因此，該系統必須具有精度高、反應快速的特性，同時，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。該控制系統的設計原則是：分析控制對象（工件產品）的控制技術要求，設計最合理的作業工序，編制相應工藝文件;明確工件的結構形狀、工件所用的材料特性，設定加工定位精度，抓取、搬運時的受力大小、尺寸和質量參數等，進而熟悉掌握機械手系統結構及運行控制的要求;在設計加工工件時，要盡量選用標準化組件，簡化項目設計及制造生產過程，做到通用性和專用性兼顧，同時要實現生產的柔性轉換。

三、教學項目的實現（lmplement）

將學生按工位分組，每組4～5名同學，每個組對組員提前分工。分組有個原則，不能把所有學習好的學生分在同一個組，要混合搭配，這樣既可以均衡一下各組的實力，也能提高整體專業技能。分組之后要告知學生，各個組之間是有競爭的。這樣可以激發學生的斗志。

用仿真軟件演示的方式讓學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行詳細的分析。然后進行課堂討論，討論結束分小組提問。提問結束后，以小組為單位進行理論分析、硬件電路設計并繪制接線電路圖。檢查各組設計情況，聽取學生的設計思路。綜合各組討論結果，得出最合理的回路圖。

根據分析結果，引出需要用到的氣動元件，引導學生利用互聯網搜索相關資料，掌握元件用法。對于軟件編程部分，根據討論結果，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。

學生在連接電路并編程、調試操作過程中，需注意以下方面。

一是引導學生加強合作關系，確保各小組成員分工明確，有事可做。

二是學生在操作時，需要在各工序間不斷進行檢測，教師要不停地進行巡視，及時指出學生操作中的錯誤，并加以糾正。學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。

三是巡回指導中，集體指導和個別指結合，注重培優補差。強調安全注意事項。

四、教學項目的運作（Operate）

在每個項目完成后，都要進行匯報展示，由各組長組織本組同學，展示本組設計制作的作品。在進行介紹展示時，主要說明本組的設計思路，指出本組在具體實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，其他組的同學可以及時提出問題，讓介紹者回答。每個小組之間要進行互評，通過互評環節，可以了解本組的設計缺陷，以便進一步修改各自的設計。最后，全體學生評選出得分最高的作品，由教師進行點評。

為實現對所學知識的鞏固，經過深入分析，教師提出更進一步的要求;發散思維，培養學生的創新設計思維能力。學生將設計出來的氣動機械手系統進行實際工作運行，以商業工作運作模式為校園內的模擬企業服務。學生要進行技術支持和售后服務，對學生設計制作的產品采取負責制，并與學分掛鉤。

五、小結

CDIO教育教學方法以工作過程為導向，以實際項目為載體，在“做中教”“做中學”，打破了傳統人才培養模式。學生在完成項目過程中，掌握理論知識，提高實踐操作能力，最終全面提升了學生的綜合職業能力。此教育教學模式強調學校與行業企業的合作，重視在教學中創設實際的生產情景，或者直接在生產情景中完成教學任務。

CDIO教育教學模式實現了5個轉變：教學實現了從“知識的傳遞”向“知識的處理和轉換”轉變，教師從“單向型”授課向“行為引導型”轉變，學生由“被動模仿型”向“主動實踐、手腦并用的創新型”轉變，教學的組織形式由“固定教室、集體授課”向“室內外專業教室、實習車間”轉變，教學手段上由傳統的“口授、黑板”向“多媒體、網絡化、現代化教育技術”轉變。

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