基于CDIO的《机电系统设计》课程教学改革探究

冯嵩

【摘要】    为了解决传统理论讲授存在的问题，本文对《机电系统设计》课程进行了教学改革探究，提出了基于CDIO工程教育理念的课程教学模式。该模式在全面考虑课程内容的基础上，设计出了学生能实现的“抓球机器人”工程项目。课程内容共分为六大知识模块，项目的设计也相应的分为六大设计模块，在课程教学中，以这个工程项目为任务驱动，引导学生以小组为单位边学习各个知识模块内容边设计各个设计模块，最终上交一份项目设计说明书。学生边学边做，知识融会贯通，提高了学生学习兴趣和动力，培养了学生的实际动手能力及解决工程实际问题的能力，有利于培养高质量的工程人才。

【关键词】    CDIO    机电系统设计    教学改革

引言：

《机电系统设计》是本校机械电子工程专业的一门专业教育必修课程，共40课时，其中讲授32课时，实验8课时，于第5学期开设。本课程旨在引领学生了解机电一体化系统的技术全貌，掌握机电一体化系统设计所涉及的关键技术和相关基本知识，通过课堂实物演示认知机电系统，通过理论讲解和实例分析掌握相关理论知识，通过使用Arduino单片机和传感器对机电系统进行控制，通过实验应用各种电机和传感器，储备机电系统相关的基本知识，具备机电系统调试、维护、设计能力。

从课程的教学目标和教学方法来看，本课程的综合性很强[1]，全面运用了机械设计基础、机电传动与控制、单片机与接口技术、传感与测试技术这些先修课程的知识，强调机电系统的整体性和技术集成性，并为后续机器人技术方向和智能制造方向提供技术支持。另外，本课程要培养能设计实现机电系统的学生，其操作性及实用性很强。

一、传统教学模式存在问题

《机电系统设计》课程传统教学以讲授为主，实验为辅。理论授课中主要讲授机电一体化系统设计所涉及的关键技术和相关基本知识，以及一些工业生产上的案例。其中关键技术和相关基本知识在以前先修的课程中都有涉及，本门课相当于将这些先修课程知识进行综合，因此教师如果在课程中仅仅照本宣科的讲授教材的内容，有很多课程知识是重复的，另外工业生产上的案例涉及的技术多项目大，只能在课堂上讲授，不能拿来当作项目任务让学生实现，学生的动手操作能力得不到锻炼。纯理论授课的传统教学模式，理论知识抽象，课堂内容枯燥乏味，课堂上学生的学习效果大打折扣[2]。本门课期末考核以前均采用试卷考试形式，很多学生为了考试而死记硬背知识点，知识点没有完全理解，掌握的不牢固，学生的综合运用能力也得不到提高，学生缺乏学习的兴趣和动力。

由此可见，《机电系统设计》课程理论授课的传统教学模式存在诸多问题，教师亟需研究适合于该课程的教学模式，以提高该门课程的教学效果，增加学生的学习动力，培养学生的实际动手操作能力、综合运用知识的能力和解决工程实际问题的能力[3]。

二、CDIO下课程教学改革

CDIO是一种工程教育的理念，从产品研发到产品运行，从构思到设计到实现到运作，让学生以实际工程项目为载体来学习课程知识，是一种任务驱动式的实践性的教育教学理念[4]。在这种教育理念下，学生学习是主动的、实践的，在培养个人基础知识、综合运用知识、解决工程实际问题能力的同时，还能培养团队协作的能力。这种教育理念应用于工程教育领域，以实际工程项目为载体，更有利于提高工程教育的质量，按CDIO教育理念培养出来的的学生也更能符合社会需求。

《机电系统设计》课程是属于工科专业的一门专业教育必修课程，课程内容包括：机电产品机械设计、电控系统设计、传感器选型、控制器选型以及电路设计等，这些内容也都是工程性很强的内容，因此该课程可利用CDIO工程教育理念来进行教学模式的改革，改变传统理论讲授的教学模式，提高教学效果，培养高质量人才。

要利用CDIO工程教育理念，《机电系统设计》课程就需要设计出一个实际工程项目，学生以这个工程项目为本课程的任务来进行本课程各个知识模块的学习，这个工程项目需要贯穿于整个课程，学生做完这个工程项目，也就完成了本课程所有知识的学习。因此基于CDIO的《机电系统设计》课程的工程项目的设计需要全方面考虑该门课程的知识内容，根据课程所要求的教学内容来设计合适的学生能实现且能有效达到教学目的的工程项目。本门课程的课程内容可分为机械单元基础、传动系统动力学基础、伺服与驱动单元、传感与检测单元、控制单元、接口技术共六大知识模块，本人设计出“抓球机器人”项目，以这个实际项目为依托来引导和驱动学生学习该门课程。该项目旨在设计一款能够移动并能够抓取物体的机器人。在实际课程教学中，两到三个学生为一个小组来完成这个项目，以达到培养学生团队协作的能力。

课程初期先进行分组，然后各组经过讨论确定本组“抓球机器人”的技术参数，其中包括外形尺寸、机器人重量、机器人行走速度加速、加速能力、爬坡能力、单次抓取重量以及抓取速度。

在機械单元基础授课环节共4学时。该部分内容学生在之前的课程已经学过，在授课过程中主要介绍轮式机器人的机械结构和传动系统，简易机械臂的机械结构;提供铝型材、直线滑轨、丝杠、同步带轮以及常用连接件、标准件的样本做为选型手册;提供机械原理、机械设计、solidworks等已学过课程的电子版教材和相关资料供学生复习。学生在本模块的学习过程中需要利用课下时间使用solidworks设计软件，完成本组“抓球机器人”的机械结构设计。

传动系统动力学基础授课环节共10学时。主要讲授传动系统的惯量归算和阻力矩的归算，该模块是课程中的重要环节，授课过程中通过对齿轮传动、齿轮齿条传动、丝杠滑台传动、同步带传动等多种传动形式的系统惯量和阻力矩归算进行详细讲解并举例说明，使学生能够理解惯量和阻力矩归算的作用和方法。课下时间各组需要根据本组定好的技术参数和机械结构进行本组机器人的惯量和阻力矩归算。该模块最后2学时用于学生作业点评和答疑，通过作业点评和答疑学生能够正视自身问题，教师也能及时了解学生掌握情况。

伺服与驱动单元、传感与检测单元、控制单元、接口技术4个知识模块共计18学时，由于学生在学习本课程之前已经学过机电传动与控制、传感与测试技术、单片机与接口技术等课程，在本课程中不再对知识点进行详细讲述，在讲授伺服与驱动单元、传感与检测单元模块时给学生提供多种电机和传感器样本，结合实例讲解如何选型。在讲授控制单元、接口技术时主要讲解不同单片机开发板或控制器的性能是否满足对机器人的控制需求。学生通过这4个知识模块的学习，课下通过小组讨论，结合本组的任务参数，完成“抓球机器人”的电机传感器选型、机器人电路设计及控制器选型三部分的内容。

由于本门课程教学以工程项目任务为载体，因此本门课程的期末考核取消传统的试卷考试方式，采用工程项目设计成果的期末考核方式，要求学生以小组为单位最终上交一份“抓球机器人”的设计说明书，而设计说明书包括了机器人整体结构设计、系统惯量和阻力矩的计算、电机传感器选型、机器人电路设计及控制器选型这几大部分内容 ，每个部分的内容的参数选择及设计均在课程相应知识模块的学习中进行及完成，因此设计说明书也就相当于是对课程知识内容的总结、对项目的一个完整设计方案的呈现。

因为《机电系统设计》课程工程项目最后要求学生完成的是项目的设计方案，所以只涉及到了CDIO的构思、设计过程，第6学期开设的《机器人技术基础》以及《专业综合实训》课程要求学生完成“抓球机器人”产品的实现及参加校级机器人比赛，这就涉及到了CDIO的实现、运作过程。因此“抓球机器人”这样一个工程项目，贯穿了《机电系统设计》的先修课程和后续课程，让课程间紧密有机联系，让学生对各门课程融会贯通，学以致用，也很好的体现了CDIO的工程教育理念。

三、结束语

《机电系统设计》课程是机械电子工程专业的一门专业课程，它要求综合运用了很多先修课程的基础知识，来设计及实现集成化的机电系统。对于这门综合性及实操性很强的课程，传统的理论讲授教学模式存在很多问题，因此本文对传统教学模式进行了一系列改革，提出了基于CDIO工程教育理念的《机电系统设计》课程教学模式，依托“抓球机器人”这个学生能实现且能涵盖课程所有教学内容的实际工程项目，来让学生主动积极的去构思、设计项目内容，边学习边思考设计，整个课程的学习都围绕这个项目，最后以上交项目设计说明书的形式作为期末考核成果。课程教学实践表明，相比于传统的理论讲授模式，这种任务式的教学和学习模式，能极大提高教学效果，增加学生的学习动力，培养学生的专业能力及解决实际工程问题的能力。另外在项目的实施过程中，学生以分组的形式来讨论、设计并完成项目，培养了学生的团队协作能力。当然，“抓球机器人”项目在《机电系统设计》课程中只是体现了CDIO的构思和设计过程，后续的课程将继续实现“抓球机器人”，并让学生参与校级机器人竞赛，进而体现了CDIO的实施和运作理念。

参  考  文  献

[1]彭精立，沈杨，李星，李淑梅，姚婷梅.“機电一体化系统”课程教学改革探讨[J].南方农机，2021，52（10）：126-127+157.

[2]朱明明，杨翠云.基于CDIO教学理念的机电一体化技术专业课程教学改革与研究[J].科技风，2021（01）：42-43.

[3]王碧艳.基于CDIO模式的机电一体化技术课程教学改革探讨[J].现代职业教育，2020（39）：164-165.

[4]李爽.基于CDIO理念的项目化教学改革的探索——以机电一体化专业为例[J].职业，2018（33）：47-48.