基于 CDIO的机电一体化系统设计课程改革探索

王晓云 李梦

【摘 要】《机电一体化系统设计》是大机械类专业的一门主干课程，该门课程的教学效果极大影响学生未来的创造力。本文针对目前该门课程教学中出现的理论授课枯燥，脱离实际应用等问题，提出基于CDIO的项目化教学改革，从教学思维到教学方式都提出了大胆的尝试。通过课程改革，不仅增加了学生学习的兴趣和热情，且提高了学生的实践能力。

【关键词】CDIO；项目教学；教学改革

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A

【文章编号】2095-3089（2018）31-0004-02

一、引言

《机电一体化系统设计》是机械设计制造及其自动化、测控技术与仪器、机械电子工程专业的主干课程和平台课程，该课程将机构学、机械设计、电气及电子技术、传感检测技术、自动控制技术、信号处理技术等多学科不同领域的技术融于一体，是对相关专业基础课程所授知识的补充和综合应用。课程最终目的要求学生具备能够综合运用机电系统相关的各类知识完成从分析、设计到优化等实现产品开发过程的能力。

近几年来，随着信息化与工业化融合，机电一体化技术也随着网络化的融入迈入智能化阶段，其在各个工业行业中得到越来越广泛的应用的同时，催生了相关技术的更新换代及升级。比如工业4.0强调了“信息物理融合生产系统”，以信息驱动机电系统的运行，除了传统的制造过程外，传感器提供原始数据以及控制系统所需的反馈，智能嵌入式设备进行判断并通过无线互连以协同工作。机电行业正在历经信息化、网络化带来的升级，与之相应，本门课程也应顺应对市场巨变下对人才规格的需求，进行相应的改革，以期适应市场的要求。

二、教学现状分析

目前，多数高校中该门课程采用理论教学方式，按照机电一体化相关概念、执行与驱动装置、测量与传感装置、嵌入式控制系统以及系统集成及应用等几大模块进行授课，每个模块细分为对应相关基础课程的若干个篇章，与该门课程配套的教材通常也按照上述模块编排，知识点较为分散，系统集成及应用部分仍停留在传统机电技术的讲解上，已不适应现阶段应用型人才的培养要求。

该课程应着眼于学生系统工程意识和机电综合能力的培养，对学生的动手能力要求很高，纵观我国高校《机电一体化系统设计》课程的教学模式，普遍存在以下不足：

1.教学内容。

本课程通常于三年级开设，在课程开设之前，学生已经学习了机械原理、控制理论、检测技术等相关课程，课程教学中只是各部分知识的简单重复和回顾。且课堂教学内容为对知识点的讲述虽覆盖面广，但知识点零散，互联性差，知识模块之间无法衔接融合，不利于学生掌握实际产品的开发过程中应用到的多学科知识的交叉和互联。本门课程教材注重基础知识的冗长理论推理，技术不能及时更新，时效性差，原理性内容介绍与实际工业应用相差甚远，与当前机电系统的发展脱节，且不符合地域性机电类综合人才的培养。课程应用实际操作性差，学生对系统的概念较为模糊，在实例讲解过程中，学生知识被动接受，对方案设计的优化并无实质性的理解，主动性的系统设计与分析更少之又少。

2.教学方式。

理论授课以单方面的讲授为主，往往是知识的灌输，教学方式单一，学生被动的学习和记忆。实践教学课时偏少，缺乏开放性、综合性、设计性实验。实践教学环节往往采用PLC等成品实训设备，并不符合该课程实训要求和特点，学生依照实验指导书模仿，谈不上系统集成和创新设计。且目前采用的合班上课形式难以兼顾实践教学分离，使其与理论教学分离，教学效果大大减弱。

3.教学管理。

考核方式单一，以一张试卷来决定学生是否合格无法体现学生的创新和应用能力。常规性书面作业无法提升学生的系统应用能力，若日常无反馈，无法掌握学生学习的实时动态，学生综合能力的培养也就无从谈起。如果能转换教学方式，以学生为主体，主动的学习，这样在教学效果上会有很大提高

三、基于CDIO的项目化课程实施方案

在高等教育进入大众化阶段后，应用型本科教育逐步被世界各国所提倡和推广。应用型人才通常定义为复合性人才，即，学生具有以深厚专业理论和可供广泛迁移的知识平台，且具备利用知识和技术解决生产、服务、管理等方面的实际应用能力和创新能力及社会适应能力。简单的说，即具有解决实际问题能力的人。

以应用型人才培养要求为导向的本科教育，特别针对适应当前工业发展需求的新型机电类人才培养，提出基于CDIO的項目主动体验式教学改革[1，2]，即利用CDIO工程教育模式（构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）），以产品研发到产品运行的生命周期为载体，将工程和产品的概念融入实际教学中，以实际机电系统开发项目的课程实例，探索一种新型的学生体验式主动学习的教学方式，让学生真正的以自主、实践、交互的方式学习本课程，掌握课程的精髓并应用于工程实践中，培养真正的机电类产业工程师和应用型本科人才。

CDIO理念强调了学生以主动实践建立在真实世界的产品和系统来学习和领会交叉学科间的有机联系，《机电一体化系统设计》课程涵盖了多领域技术，恰恰为开展以CDIO为主线的教学提供了课程改革的土壤。本课程与生产、生活实际紧密联系，以实际项目为载体，结合案例分析、讨论与互动、实践教学等多种方式开展教学活动。

1.教学思想改革。

《机电一体化系统设计》课程不死板的照搬传统的教学模式和教学方式，教学过程中，渗透CDIO教学理念，激发学生主动式学习体验。

课程以培养应用型人才为导向和原则，以提高学生综合运用各领域知识分析和解决实际问题的能力为目的，尽可能地互联并贯通课程中的知识点，穿插入与课程相关的研究项目和实际技术问题中，让学生深入学习项目实施过程中各个阶段所涉及的专业技术知识以及具体问题解决方法，在此基础上，引导学生主动思考，提出可能出现的问题和相应的解决方案，从而提高学生综合运用本专业知识分析、理解和解决实践问题的能力。

2.教学内容建设。

（1）教学规划重新设置。

从教学规划始，依照CDIO教学理念重新编写教学大纲、教学和课程规划；编写适应本地域的机电类人才的教材，制作多媒体课件，完善课程的教学和课程设计题目的编写，精选实际案例进行编写和项目流程设计。课时分配方面，传统的课堂讲授比例减小，加入实验、实践训练及项目环节。

（2）知识精讲。

学生在本门课程开设之前学习了机电一体化系统各组成部分的原理，理论授课时则以知识体系为主线，重点是课程内容中知识模块之间的衔接融合部分，而多学科知识点间的交叉往往是学生学习的难点，通过点的精讲，以点带面，达到知识的融会贯通。

（3）介绍最新的技术。

从机电结合的角度介绍机电一体化系统的主要研究内容及应用领域、典型机电一体化产品的分析与设计等内容。结合最新的研究成果，介绍当前行业动态，避免教学与生产实际脱离。增加反映学科发展的新系统、新案例，明确机械、电子、测控等各部分内容的相互联系和结合，体现机电一体化系统的系统性及实用性。

3.教学模式建设。

完善“基于CDIO的项目主动体验式教学”的《机电一体化系统设计》课程教学模式。以项目训练为应用型人才培养的主要方式，推进以学生为主体、教师为主导的基于探索和实践的教学改革。按照实际项目任务驱动来进行《机电一体化系统设计》课程教学规划和组织教学活。探索与研究应用性人才培养相适应的教学方法与手段，形成具有专业特色的一流教学内容和方法。

（1）讨论与互动教学模式。

教学过程本身应为教师和学生以信息为载体的互动过程。为了使学生积极加入到课堂教学，形成从被动听课到主动参与的转变，课程将设计理论和研究项目的教学过程存在的相关理论和技术问题融于讨论。以实例为引线，从系统观点出发引导和启发学生思考并发现系统设计时的精髓，并以学生上台讲演和讨论互动为教学方式，以具体问题的理论基础和提出解决问题的方法为讨论内容，激发学生听课的热情和参与讨论的积极性，引导学生形成解决实际工程问题的思考过程，实现主动学习，培养和锻炼学生的综合能力[3]。

（2）增设实践教学项目环节，与工程实践相结合，与科研活动相结合。

实验、实训及项目教学是本课程教学改革的重中之重，在实际技术问题解决的过程中秉承CDIO教学理念，提高应用机电一体化理论知识、分析和设计机电一体化系统的工程实践能力。因此需要建立多层次的实验体系，并积极探索面向解决问题综合性实验和面向创新能力培养的开放性、创新性实验等多种实践形式[4]。

增加实验教学环节，在课堂教学之外利用已有的教学和实验条件让学生接触实际的机电系统。比如，使用（光）机电一体化实训设备开设综合性实验。此类实验设备涵盖了课程习中涉及的各类驱动、传感器等多种技术，为学生营造了典型的机电产品学习认知环境。通过综合性实验设置，完成系统故障检测、站点间联网程序控制等，学生能够获得综合性机电一体化技术的初步认识和提升。

在教学中利用各类竞赛的契机和氛围，带领学生开发小型机电一体化系统，培养学生初步的动手能力和创新意识。例如开设慧鱼机器人的组装和调试环节，不仅能够提高学生的学习兴趣，亦可巩固学生的基础能力，锻炼其实践能力和创新能力。

为了提高学生系统设计能力和工程意识，在本课程的实践环节中开设项目任务教学模式。项目教学以工程实践为导向，通过完成一个完整的“项目”工作而进行的实践教学活动。通过将一个明确的“项目任务”布置给学生，学生根据任务要求进行资料整理—系统方案设计—子系统设计及实现—系统方案优化，实现多类知识点的综合应用。

项目任务加强学生系统分析的训练，有助于提升学生分析解决实际工程问题的能力的同时，教学方式的改进也提高了对教师本身科研和教学能力的要求。项目任务源自工程实践，要求教师不断地参与科研项目，追踪学科前沿，积累的科研成果才可以不断地充实教学内容，提高教学水平，从而更好的将工程经验服务于教学。

4.评价体系建设。

教学方式的变革要有与之配套的考核方式[5]。改革后的课程评价已无法适用传统的闭卷考核方式，考核方式中加大过程性考核，即对学生查找资料、知识应用、知识迁移、分析创新、表达综述能力的考察。因此采用理论知识随堂考察，实践环节阶段考察、项目任务附加考察三位一体的考核方式。理论和课程实验占总成绩不超过40%，其余为项目任务所占比例。项目任务的完成是团队协作和综合能力的体现，包括资料的查阅、知识的运用；方案设计情况；讨论课讲解及回答问题情况；实际设计情况；实际动手能力的评价；总结报告质量。完善各项目的考核办法，设计项目各环节的考核标准，形成对工程素质、实践技能、合作能力等综合评价体系。

四、总结

机电一体化系统设计这门课程涉及到的技术领域宽，知识体量大，使用的方法和实施的实际案例及产品始终处于发展之中，课题组针对课程存在问题，将CDIO理念引入课程教学中，在教学内容、方式上提出相应的改进方式，以理论为基础，以实际应用为导向，着重培养学生的思维方式和实践能力，使学生能易于地掌握机电一体化系统设计的基本概念和原理，更深刻透彻地掌握相关知识点及其应用，并能熟练地运用课程知识解决工程实际问题。

参考文献

[1]张荣沂，付彦虹，王蕊，须莹，and孙婧.“基于CDIO的机电一体化系统设计课程教学模式研究与实践”黑龙江工程学院学报，pp.77-80，2015.

[2]周媛and 麦云飞. “基于CDIO的“机电一体化系统设计”课程教学模式探索”科教文汇， pp. 81-82， 2015.

[3]赵永生， 郑魁敬， and 姚建涛.“主动体验型互动教学模式探讨——《机电一体化系统设计》讨论课改革”教学研究， vol. 33， pp. 47-49，59， 2010.

[4]李衛， 张军昌， 黄玉祥， 侯俊才， 石复习， and 陈军.“机电一体化系统设计 实践环节教学改革”，实验技术与管理， vol. 33， pp. 216-218， 2016.

[5]袁健 and 朱龙英.基于CDIO的机电一体化系统设计 课程考核方法改革的探索，中国地质教育， vol. 19， pp. 18-20， 2010.

基金项目：安徽省教育厅质量工程教学研究重点项目2016jyxm0494；安徽信息工程学院2017年度专业核心课程建设项目2017xjkcjs14。