基于“機床自動上下料機構設計”的項目驅動式教學方法探討

張紅麗，胡麗娜，趙鳳英

（青島城市學院，山東 青島 266106）

0 引言

案例式教學是在教學目標的指引下，遵循教學大綱精神，通過特定的素材、媒介、材料等案例，引述事實，達成教學目標的一種新的教學方法[1]。案例式教學促進了學生對所學知識的理解，但主要還是以講授、觀摩為主，學生對所學知識的綜合應用實踐性不強。本文在案例式教學方法的基礎上延伸了項目驅動式教學方法，以“機床自動上下料機構設計”項目為例進行了項目教學設計，對項目驅動式教學方法進行了應用分析。

1 項目驅動式教學方法及意義

1.1 項目驅動式教學方法

項目驅動式教學方法是在課程知識講授前，先提出一個項目設計任務，根據設計任務進行所用知識的分解，搭建課程知識結構框架，通過項目驅動的形式對課程知識進行分模塊學習。

1.2 項目驅動式教學意義

項目驅動式教學改變了以往的純課堂理論教學模式，它延伸到了理論知識的應用，可更好地理解和鞏固課程知識點。

項目驅動式教學有助于課程知識的學習理解，提高學生的學習積極性和學習興趣。項目驅動式教學在實際的教學過程中更加注重教學的實用性和應用性，讓學生在日常的學習過程中就能將理論知識與實際應用有效結合起來，從而切實實現了學校直達工作崗位的教學目的，能夠更好地滿足社會企業對專業人才直接需求[2]。

2 “機床自動上下料裝置設計”項目教學設計

2.1 “機床自動上下料裝置設計”項目簡介

（1）項目研究意義。本項目研究是基于我院實訓基地原有數控車床，進行自動上下料功能改造，保留原有機床本體及功能，設計增加機床的自動上下料裝置。項目研究可以應用到企業已有數控機床的改造，提高效率，降低成本，同時項目實例符合機械專業人才需求方向，對教學的促進和學生的能力培養具有重要實用意義。

（2）項目研究內容。機床自動上下料裝置設計采用單立柱桁架式機械手，在原有機床的側上方建立桁架，設計機械手取放軌跡，自動給數控機床的工件上下料，輔助其進行精密加工及工件運送等，對機床設備的改造量小，改造后還可以隨時在自動上下料生產模式和手動上下料生產模式之間進行轉換。

研究的單立柱桁架式全自動上下料裝置主要與數控車床緊密配合，通過PLC控制器的運算及傳感器信號的感應，對各伺服機構進行邏輯控制，從而實現物料輸送自動化、機床上下料自動化、物料裝夾與數控機床匹配自動化，組成自動化上下料機加工系統。設計研究內容主要包括三個方面：自動送料機構設計、自動上下料機構設計及數控機床匹配控制系統設計。

2.2 項目教學設計

項目教學設計是以項目分解的各部分設計任務作為引導，采用任務驅動的方式將各關聯知識點進行系統講解，讓學生通過所學知識點構建各部分設計方案，最后通過學生自主研討評價方式對各設計方案進行綜合比較，依據項目設計任務及實際應用場景，論證各方案優劣勢，既鍛煉了學生運用多種方案解決實際問題的能力，又深化了學生對課程知識點的理解和應用。

（1）項目設計任務。根據項目應用目標分解為三個設計任務：

①自動送料裝置設計：根據物料抓取節拍要求，設計物料在Y軸的自動輸送及定位；同時根據加工物料不同，設計可靈活更換的模塊化料盤。

②自動上下料裝置設計：根據與數控機床的加工匹配要求，設計物料在X軸、Z軸方向的移動輸送及定位；設計機械手爪對物料的自動抓取更換。

③與機床匹配的控制系統設計：根據與數控機床的加工匹配要求，設計料盤Y軸輸送控制、機械手X軸Z軸運動控制、機械手爪的抓取與旋轉控制、人機交互操作與顯示等。

（2）項目關聯知識點。本項目任務涉及《機械原理》《機械設計》《數控編程與加工》《電氣控制與PLC》等多門課程知識點，且各知識點在不同課程之間相互關聯。《機械原理》研究機構的運動學和動力學，《機械設計》研究機械零部件的設計，《數控編程與加工》研究數控機床的編程與加工操作，《電氣控制與PLC》研究機床電氣控制及機床與上下料裝置之間的動作匹配控制等。

以《機械原理》課程為例，在該課程中項目涉及知識點如圖1：

圖1 項目涉及《機械原理》課程知識點

（3）構建各機構設計方案。根據項目設計任務要求，自動輸送裝置需要實現物料Y軸方向輸送，一方面要實現移動輸送，還要根據節拍實現步進輸送。在《機械原理》課程中能夠實現步進式移動輸送的機構有平面連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、帶傳動機構等。在學習這些課程知識點時，以本項目中的步進式輸送為設計任務，講解各機構能實現間歇運動的原理、方法及設計思路，學生學完相應知識點后構建自己的設計方案。

自動上下料裝置輸送部分需要設計實現X軸、Z軸的往復直線傳動，可以實現往復直線運動的機構有齒輪齒條傳動機構、帶傳動機構、鏈傳動機構、絲桿傳動機構等。在學習這些機構傳動時，圍繞本部分設計任務，講解各傳動機構的類型、組成、工作原理及參數設計，學生通過學習各知識點后，構建項目任務實現方案。

自動上下料裝置中的機械手爪需要實現對物料的夾持和松開，這種手爪可以采用是連桿杠桿式也可以是齒輪齒條式，那么每種類型如何設計，如何實現呢？可以圍繞這些問題將知識點建立聯系，學生們在解決問題過程中掌握課程知識點。

（4）方案論證及實施。知識點授課完成后，根據設計任務，同學們分組完成各機構的設計方案，由教師組織開展研討評價，各小組分享自己的設計方案，并聽取其他組同學的設計方案，互相學習探討，找出各小組設計方案的優劣勢，再結合實際工程應用場景，優選出最佳方案，應用《機械原理》課程知識進行運動簡圖繪制、機構尺度參數設計計算，完成機構的運動分析和動力分析。

2.3 項目教學組織實施

項目式教學是圍繞項目任務而設計的知識點，不再以教材內容為順序，而是根據項目任務要求，需要哪些知識點就講解哪些知識點，注重知識點的實際應用，注重學生實際解決問題的能力培養，真正做到學有所用。

傳統《機械原理》課程教學模式一般是先理論教學再進行實踐教學，學生們學完基礎理論知識后才開展實踐課程設計，這樣導致大部分學生理論和實踐脫節，不能將課程所學知識靈活應用到實踐課程設計中，很多學生在做課程設計時不知從何下手。而項目式教學是在課堂教學中融入實際工程項目案例,圍繞實際設計內容組織的課程知識點，將課堂內容拓展到實際項目應用中，知識點學習目的明確，即學即用。這種方式可以激發學生的學習興趣和求知欲望，將理論知識運用與實踐，強化了對理論知識的理解。

“機床自動上下料裝置”項目教學設計還可以為多門課程的教學提供場景，比如在《機械原理》課程學習后本項目應用還可以拓展到《機械設計》《數控編程與加工》等課程，將《機械原理》得到的機構運動方案簡圖進行零部件設計，動力傳動裝置設計、部件組裝等，搭建圍繞該項目的《機械設計》知識點體系，而《數控編程與加工》課程知識點可以圍繞實現數控加工與自動輸送及自動上下料匹配建立。

3 結語

項目驅動式教學的實施不僅對課程教學內容進行了一次重構，它打破了教材的界限、課程的界限，圍繞具體工程項目搭建知識體系，是對教學內容的一個重塑整合，而且還改變了教與學的模式，同學們先得到項目學習任務，帶著問題學習相應知識點，每一個知識點講解都是圍繞任務展開，學習目的明確，主動性強。

項目驅動式教學以社會對人才的能力要求為方向，以學生掌握所學知識如何應用為目標，以活學活用、“會用”為最終學習結果，增強了課程教學的針對性、實用性。項目式教學特別適合高校工程專業類課程的學習，為高等教育的應用型人才培養提供參考和依據。