CDIO模式下面向机电专业的物料分拣项目教学实践

边辉+杨彦东+唐艳华+张庆玲

[摘 要]CDIO工程教育模式作为近年来国际工程教育改革的新成果，自2005年引入中国以来，在国内多所高校实施并取得较好成绩，促进了我国工科专业的教学改革。针对机电专业特点及社会需求，选择包含电气自动控制技术、传感器原理及应用、机电一体化等多门课程内容的自动物料分拣系统进行项目式教学实践，为机电专业开展项目式教学提供参考。

[关键词]CDIO工程教育模式；机械电子工程；物料分拣；项目教学

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）05-0154-03

机械电子工程作为机械工程的二级学科，是典型的工程类专业，其内容涉及机械、电子和计算机工程等多个学科，且在学科的交叉、融合及创新中不断发展[1，2]，而相对应的人才培养尚未形成一个完整系统的体系，还处于一个逐步完善阶段，其培养模式也一直处于探索阶段。由美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学共同研究创立的CDIO（构思-设计-实现-运作）工程教育模式[3-5]，以产品研发全生命周期为载体，建立一体化的相互支撑和有机联系的课程体系，通过课程群知识点的应用系统提高学生的工程能力。燕山大学作为国内最早一批开展CDIO教学改革的高校之一，其不同专业根据自身特点对课程进行了项目教学改革。机电专业因其涉及内容广、学科交叉特点，在项目教学实践过程中，需要设置能够贴近实际且内容涵盖学科多门主干课程的项目进行综合训练，以培养知识面广、综合能力强的创新型机电人才。

一、CDIO工程教育模式

CDIO模式能够得到广泛认可，不仅因为其强化实践教学的教学理念，更重要的是它系统地提出了面向市场需求的“CDIO教学大纲”以及详尽、可操作的“CDIO标准”，一方面细化了优秀工程师所需具备的知识、能力和素质，另一方面指明了教学过程中的实施方法。CDIO模式解决了工科专业教学“培养什么人”以及“如何培养人”两个根本性的教育问题，体现了教育的系统性、科学性和先进性的统一，代表了当代工程教育的发展趋势。

CDIO模式是在近似于实际工程场景的实践训练过程当中，从工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面对工科专业学生进行综合培养，使其成为工程基础理论和专业知识扎实、能领导创新开发与运行并且具有社会与历史责任感的新一代高水平工程师。采用CDIO工程教学模式，一个重要的环节就是项目的规划与设置，由于实际工程问题通常包含多学科知识且具有一定的综合特性，而本科教学是以不同专业开展教学工作的，这就要求所设置的项目需要综合考虑不同专业的特色及培养目标，使经过项目实践的毕业生在掌握专业课理论知识的同时能够满足该专业工程师的工作需求。

二、机电专业特点及培养目标

机械电子工程经过多年的发展，形成了从系统的观点出发，综合运用多学科技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。[6]随着外观更加人性化、功能更加强大、体积和重量更加轻巧、可靠性更高的机电产品进入人们生活的各个领域，其所涉及的知识持续增加，新理论、新技术得到广泛应用，充分体现出机电专业内容快速更新、技术深入融合且系统性、综合性不断加强的特点。

作为高等教育的一个学科，机电专业主要培养具备德、智、体全面发展，掌握机械电子基本知识和技能，能从事机电一体化领域内的设计制造、科技开发、应用研究和运行管理等方面工作的并具有较强的创新精神和实践能力的高级工程技术人才。从知识结构上学生需要掌握如下六方面内容：1.作为机电产品支撑基础的机械技术；2.包含信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术的计算机信息处理技术，以整体的概念组织应用各种相关技术；3.从全局角度和系统目标出发，开展各项工作的系统技术；4.在控制理论指导下，对系统进行设计、仿真、现场调试的自动控制技术；5.能快速、精确地获取信息的传感器技术；6.能够实现电动、气动、液压等各种类型的传动系统高效、准确完成机械动作的伺服驱动技术。学生对上述六方面内容的学习，不仅是对单独某一门技术的熟练掌握，更是对多门技术的综合应用。

随着我国进入创新性社会，各种机电一体化产品不断涌现的同时需要大量的机电专业人才，社会要求高校机电专业培养对专业有全面和系统的认识，且具有通才素质，对项目和问题有决策和协调能力的创新型复合人才。

三、物料自动分拣系统项目选定

针对机电专业学科交叉且综合性较强的特点，在CDIO实训项目的选择上，要求所选项目既要面向工程实际，又要涵盖机电专业某一阶段教学目标涉及的多个知识点，且能够体现从构思到运行的产品生命周期的全过程，使学生通过项目的实施，具备解决实际工程问题的能力。由于当前项目教学还处于学校教学经费资助下的近似工程环境的实践，这要求所选项目还需具有较好的可扩展性及经济性特点。

物料自动分拣系统[7，8]主要完成物品的自动分拣，在工业自动化生产线、物流仓储等领域得到广泛应用，是一种典型的机电产品。该产品在功能上需要完成物料的准确识别及快速拣出，通常包含传感与测试技术、电气及控制技术、气压与液压传动、机电一体化等多门机电专业课程知识，可能涉及的具体知识点包括：

传感与测试技术：1.电容式、电感式、霍尔式、光电式、色标传感器等典型传感器在物料识别中的应用。2.NPN、PNP类传感器的接线特点及使用。3.开关量、模拟量传感器的原理及应用。4.光电式、霍尔式传感器测速原理及应用。5.编码器测速原理及应用。6.物料位置测量。

电气及控制技术：1.电气系统原理图与接线图设计。2.典型低压电器选用。3.模拟量电机调速及位置控制实现。4.电气硬件接线及故障处理。5.PLC编程软件的使用以及仿真调试。6.PLC控制软件的编制及调试。

机电一体化技术：1.机电产品系统组成及开发。2.物料传送、分拣机械系统设计。3.驱动方式设计。4.气动系统设计及元件选型。5.机电产品伺服传动。6.系统可靠性分析。

物料自动分拣系统作为自动生产线的一部分，功能上相对独立，可以作为一个小型项目来开展；另外，由于物料分拣系统通常还会有配套的上料或物料包装系统，可以综合开展大型项目实训，具有较好的可扩展性。

物料自动分拣系统中，机械部分的体积对系统复杂程度及所涉及的知识点影响较小，其小型化后对解决实际工程问题依然具有指导意义，可大大节约开发成本。综合考虑经费、知识点难易程度、项目的可扩展性等实际教学情况，因而确定物料自动分拣系统作为典型产品开展项目式教学实践。

四、项目实施过程设计

CDIO工程教育模式中，项目的开展包含了企业在真实社会环境中的完整的产品研发流程，具有较强的系统性和科学性。综合考虑现有实验条件及项目难度，在整个项目实施过程中将班级学生小组化，每组由4-6名学生组成。分组后的学生通过分工合作，按照项目构思、项目设计、项目实现以及项目运作等4个阶段开展工作。

1.项目构思

项目构思主要使学生明确设计任务，通过查询资料对所设计产品进行初步规划，属于概念设计阶段。物料自动分拣系统包括物料输送、物料检测、物料分拣、自动控制等部分，由于该项目并非实际的企业项目，且考虑到项目的可实现性及知识点的覆盖，应对设计任务进一步细化。要求系统能够识别直径为30mm、高度分别为28mm和30mm、颜色为红色和黑色的铁质、磁质和尼龙圆柱物料，并通过实验室已有西门子S300系列PLC控制气缸将输送带上的物料分别推至不同的料仓中，机械部分尺寸小于600mm×800mm且材质尽量采用铝合金型材及不锈钢板，输送带速度连续可调，不同小组分别采用光电码盘结合U型光电开关、强力小磁铁结合霍尔开关以及光电编码器的方法对电机进行测速。考虑到学生的实际水平，为了提高工作效率，该阶段教师需通过视频、图片等对相近产品进行较为直观的展示，帮助学生尽快明确目标。

2.项目设计

项目设计阶段学生基于设计任务，综合考虑系统功能和现有PLC的接口匹配、用电安全、外购件采购周期以及成本等因素对机械、电气系统进行设计，明确所需传感器种类及数量，最终绘制机械工程图以及电气原理图、接线图，并制订采购清单。设置时间节点对加工、采购件进行审核，多组学生进行统一采购以保证项目进度。在该阶段，教师要对学生进行及时辅导，并介绍些工程实际当中被应用而书本上没有的常识性知识，帮助学生尽量少走弯路，但也要防止学生过于依赖老师。

3.项目实现

项目实现阶段学生主要完成系统硬件的组装，接线及程序调试工作。由于工作种类包含机械、电气、软件、调试等多个方面，除需组长整体负责外，还需要学生在组内进行分工合作，特别注意操作上的细节。具体来说，机械方面包括输送带的张紧、电机的定位、传感器的安装等；电气方面包括线缆的制作、接线端子的连接、传感器的调试等；软件方面包括I/O点的规划、传感器与驱动间的互锁/联锁关系、计数器/定时器的设置等；另外学生还需锻炼使用常用机械、电气方面的工具。该阶段使学生充分体会在共同目标的指导下，相互帮助、共同学习的团队合作模式，从而提高自身表达及交流能力。学生在实践中学习知识，从实践中感受学习的乐趣。同时，由于很多实际操作内容在教材中没有涉及，教师还需及时对学生进行操作指导，帮助学生养成良好的工作习惯。

4.项目运行

项目运行阶段主要进行成果的展示及验收考核。各组学生将通过现场操作及PPT汇报的形式展示所设计的物料自动分拣系统（如图1所示），并对各自工作进行总结，指出实践对课程知识的掌握的作用。通过学生自评、互评以及教师总结评论，对所取得成绩进行肯定，同时指出项目实施过程中存在的不足，以促进学生的进一步提高。

五、结束语

将基于CDIO工程教育模式引入实践教学，针对机电专业特色及培养目标，设置物料自动分拣系统这一包含多门课程的综合性项目，在接近工程环境的试验平台上，让学生在规定的时间内，通过协同合作共同完成设备的组装和调试。通过完成项目，学生不仅提高了动手能力，在理论和实践的结合过程中掌握了专业知识，更重要的是对所学专业在机电产品创新设计中的重要作用有了更加深入的认识，专业能力和工程能力得到大幅度提升，增强了自学和解决问题以及团队工作和沟通的能力，为将来参与工程建设奠定了良好的基础。

[ 注 释 ]

[1] 潘雍，傅明星，于晨.机械电子工程综述[J].机电工程，2014（31）：553-558.

[2] 黄民，朱春梅，祁志生，等.机械电子工程专业方向系列课程建设与教学改革[J].中国电力教育（下），2011（1）：182-184.

[3] 顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（上）[J].高等工程教育研究，2012（3）：24-40.

[4] 周媛，麦云飞.基于CDIO的“机电一体化系统设计”课程教学模式探索[J].科教文汇，2015（6）：81-82.

[5] 姚燕生，张克仁，李大华，等.CDIO模式在机电专业实践教学中的应用[J].重庆科技学院学报（社会科学版），2011（4）：193-194.

[6] 潘广均.机电一体化技术发展状况及其趋势[J].民营科技，2008（3）：45-45.

[7] 张斌.物料自动分拣实验系统设计与研究[D].长沙：湖南师范大学，2010.

[8] 崔保春，单鹏.基于PLC的物料分拣控制的设计[J].科技信息，2010 （32）：228-228.

[责任编辑：钟 岚]