基于CDIO的机械电子工程专业机电一体化课程群优化与研究

董爱梅

摘要：本文主要介绍了基于CDIO工程教育理念的机电一体化课程群的构建与优化。从课堂教学、实验实践教学等方面，探讨了机电一体化课程群的教学改革思路。将CDIO工程教育理念应用到机电一体化课程群的教学改革中，增强了学生解决问题能力、创造思维能力以及团队协作能力。

关键词：CDIO；机电一体化课程群；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）16-0174-02

一、引言

CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，以工程设计任务为导向，以培养个人能力、团队能力和系统的适应与调控能力为主要目标，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO强调在加强基础教育的同时，关注工程实践，加强实践环节，强调个人职业技能与人际沟通的技能并重；强调综合创新能力，与社会大环境协调发展。国内外的经验都表明CDIO的理念和方法是先进可行的，适合高校工科教育教学过程各个环节的改革。

山东理工大学是一所以理工为主的多科性省属重点大学，于2009年初成为教育部CDIO工程教育模式研究与实践课题组试点工作组高校成员。机械电子工程专业是我校CDIO培养模式的试点专业之一。我们的改革目标是通过注重培养学生系统工程技术能力，尤其是项目的构思、设计、开发和实施能力，以及较强的自学能力、组织沟通能力和协调能力，吸收世界先进的工程教育理念，建立符合国际工程师认证的课程体系。“机电控制技术”、“机电一体化系统设计”、“机器人技术及应用”是机械电子工程专业的三门主干课程，基于CDIO的培养理念，我们将这三门主干课程以机电项目为载体进行整合优化，建立机电一体化课程群，与机械电子工程专业的培养目标是一致的，特别是对于学生创新精神和工程实践能力的培养具有重要意义。

二、实施过程

将国际工程教育的先进教学模式“CDIO（构思—设计—实现—运作）”融入教学过程，以机电项目为载体，制定了机械电子工程专业CDIO培养方案；确定以设计为导向的课程体系；制定机械电子工程专业基于CDIO理念的教学大纲；编写相关的教学文件资料等。将“机电控制技术”、“机电一体化系统设计”、“机器人技术及应用”三门主干课程进行整合优化，建立机电一体化课程群，从课堂教学、实践教学环节等方面进行了改革。

（一）课堂教学方面

基于CDIO的培养理念，将机电一体化课程群的教学内容先进行整合优化。“机电控制技术”是机械电子工程专业的重要专业基础课，主要以典型机电产品为载体，让学生熟悉和掌握继电器-接触器控制电路的设计和PLC控制系统设计，培养学生对机电产品的控制系统进行设计的能力，为后续“机电一体化系统设计”、“机器人技术及应用”两门课程学习打下基础。“机电一体化系统设计”是机械电子工程专业的一门主要专业课，教学内容主要以典型机电产品为载体，重点讲述精密机械技术、传感检测技术、伺服传动技术、自动控制技术等在机电产品设计中的应用，结合我校自行研制开发的三向移动重载教学机器人为实例讲解，教学内容具有针对性。培养学生系统工程技术能力，为后续学习“机器人技术及应用”和进行机器人的开发和设计打下基础。“机器人技术及应用”采用自编讲义，综合国内外各种机器人的特点，选定自行研制开发的三向移动重载教学机器人为实例讲解运动学、动力学、结构建模、机器人轨迹规划等内容。

基于CDIO的培养理念，机电一体化课程群的内容设计，避免了传统教学中课程内容重复问题，学生从“机电控制技术”课程中获得机电产品设计中计算机控制模块的设计能力，从“机电一体化系统设计”课程中获得机电产品设计中机械模块、传感器模块、伺服传动模块等设计能力，从“机器人技术及应用”课程中获得典型机电产品--机器人的系统设计能力。

改变传统授课模式，课程群教学充分利用各种教育资源，采取课堂实物演示与实验、多媒体技术、仿真技术现场演示等多种教学手段，从中穿插旨在培养学生动手操作能力的机器人设计、调试等内容。注意采用启发式、讨论式、课堂实验式教学，通过生动直观多种方法手段并用，使学生在学习知识的同时，也学习分析问题，联系问题，综合运用多门课程知识，培养学生发散思维、立体思维、创新和解决问题的能力。

（二）实践教学方面

基于CDIO工程教育理念，机电一体化课程群在实践教学方面，以三向移动重载教学机器人作为项目对象，设计了机电系统设计与制造I、II、III三个综合实践项目。机电系统设计与制造I项目通过对教学机器人的解剖，掌握各个关键部件（包括机械系统组件和控制系统组件）的具体结构和连接方式，进行初步的创新思维与产品构思训练。机电系统设计与制造II项目通过团队合作的方法完成机器人整体结构的设计。通过具体给定不同的设计参数和机器人操作任务，由学生自由组成团队，合作完成机器人各关键部件的详细设计，要求每个学生独立完成给定的局部設计任务，并保证团队内部学生设计的各个部件之间的良好连接。机电系统设计与制造III项目通过团队合作的方法对第I、II模块确定的项目进行机器人控制系统设计。通过这样训练，让学生进行总体方案设计、机械结构设计、控制系统设计等，同时这些关键技术可以触类旁通的用于其他相关产品的设计与制造。在每一届学生中选择设计较为出色的部分产品，进行实际加工制作，一方面是对学生的激励，同时也可以作为以后学生的研究对象。由于最终的产品完全是学生自己设计，有利于学生掌握机电产品的构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）整个过程，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。

三、实施效果

整合优化后以典型机电产品——机器人作为项目对象，贯穿于教学和实践性环节。学生学习的主动性、积极性提高，实践动手能力增强，极大地激发了学生学习兴趣和创新精神，学生反应很好。学生学完这几门课程后，能完成项目对象的构思、设计与开发，所设计产品具备一定的开放性，便于拆卸和组装，并且能够进行二次开发。近几年学生开发的产品参加全国机器人大赛和山东省机电产品大赛、山东省机器人大赛等都取得了很好的成绩。

整合优化后，老师们的讲课质量和讲课效果都得到提高，有3名教师连续三年荣获山东理工大学教学质量奖；发表CDIO方面的教研论文3篇；申请专利18项；并成功申报山东省高等学校教学改革研究项目——“基于CDIO的机械类应用型创新人才培养体系研究与实践”；还有“基于CDIO创新培养模式的新型移动机器人设计”、“基于CDIO的机电系统设计与制造第I模块的构思与设计”等6个CDIO项目获得校级教学研究项目立项。

总之，基于CDIO的培养理念，将“机电控制技术”、“机电一体化系统设计”、“机器人技术及应用”三门课程进行整合优化，注重培养学生创新精神和工程实践能力，尤其是项目的构思、设计、开发和实施能力，具有明显的特色。

参考文献：

[1]顾佩华.重新认识工程教育：国际CDIO培养模式与方法[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]邸馗，籍亚玲，于瑞云，姜永生.基于“卓越工程师教育培养计划”的高等工程教育模式创新——以东北大学为例[J].现代教育管理，2016，（1）.