基于CDIO模式的机电一体化技术教学设计

司云萍

摘要：CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，这种学习方法是以真实产品制作为载体，从产品研发到产品运行作为一个生命周期，在产品的每一个制作步骤中，学生都要主动参与进来。机电一体化技术课程是电气自动化专业传统的教学科目，是一门核心专业课程。将CDIO教育理念引入机电一体化技术课程教学中，有利于提升学生对简单控制系统的设计、安装、调试能力，有助于提升学生的综合职业素质。

关键词：机电一体化 CDIO 气动 机械手

机电一体化技术课程是电气自动化专业一门核心专业课程，在课程体系中具有举足轻重的地位。在传统学科体系教学模式下，各学科是分散教学，等到几个学期的基础学习结束以后，再来进行机电一体化技术综合训练时，发现学生早己对专业失去兴趣，所学的基础专业知识已经遗忘，这使部分学生跟不上老师的教学进度，无法实现教学目标。

技工院校五年制高级工班学生的培养目标不仅是让其会自动化设备的安装与维护，同时还要使其具备设计开发简单自动化系统的能力。因此，在教学过程中要注重学生设计能力的培养。

近年来，CDIO工程教育模式盛行于工程设计类专业教学中。CDIO中的四个字母分别代表构思（ Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（ Operate），这种学习方法是以真实产品制作为载体，从产品研发到产品运行作为一个生命周期，在产品的每一个制作步骤中，学生都要主动参与进来进行学习。

CDIO教育模式主要是解决“培养什么人”和“怎样培养人”这两个根本问题。通过该方法的运用，最终把学生培养成不仅具有扎实的理論基础知识，还能够进行新产品和新技术的开发，具备综合职业素养的人。CDIO以实际工程项目或产品的开发过程为载体，以提升学生专业知识、能力和素质为目标，采用相互交叉、相互支撑的课程体系来培养学生，让学生在理论学习和工程实践过程中获得主动学习的经验。

本文以机电一体化技术课程中的气动机械手安装与调试项目为教学案例，具体分析CDIO教育模式在实际教学中的应用。

一、教学实施前的构思（Conceive）准备工作

气动机械手实训设备主要由以下部分组成：一是各种接线插孔以及手动按钮，二是各种气动元件，三是机械手。项目任务是由学生根据实际工作环境的要求设计机械手的动作方式，设计气动控制回路，根据回路图组装机械手各部分元件并连接好气动回路。同时设计控制电路图，并根据图纸连接控制电路，用PLC来控制机械手的运行。每台工位配有计算机并联网，整个实训室有电子教室软件和投影机。

1.教学过程的构思

（1）教学目标。知识目标：通过本次学习，学生要懂PLC的相关指令编程方法以及常用传感器的工作原理;学生通过学习要能够理解各启动元件的功能，会设计回路图并分析工作原理，能根据气动回路图安装调试实训设备。情感目标：要注重培养学生的职业素质，培养学生的严谨作风、创新意识、善于思考以及团队协作精神，提高分析问题与解决问题的能力。

（2）教学重点和难点。教学重点：实施一个完整控制系统工程项目的整个流程、按照国家标准要求进行各组成元件的安装与调试、掌握PLC编程技术，培养学生通过自己查资料解决问题的能力。教学难点：一是PLC程序编写。二是正确地引导学生自己搜集学习工作资料，并能够从中筛选出有用的信息供使用。

2.教学任务的构思

机械手是机电一体化设备或自动化生产系统中常用的装置，用来搬运物件或代替人工完成某些操作，提高了生产效率。电气维修人员的任务是对机械手进行安装、调试与维修，以保证自动化设备能正常运行。既要求硬件部分安装调试，也要求软件部分PLC编程。 现以其中的一个项目为例进行讲解。该任务中对机械手动作要求如下：一是提升机构，零件从振动料斗落料到20mm高的平台上，首先对其进行检测，检测到零件合格，则该将零件继续提升至40mm高处，便于物料转移机构进行抓取;如果检测到零件不合格，则将零件推入废料箱中。二是物料转移机构，检测装置检测到平台上有零件，则将提升起来的零件转运至距离该处440mm处，待装配。

该机构的气动系统工作循环为：悬臂伸出→气爪下行→抓取工件→气爪上行→悬臂回缩→旋转合适的角度（小于180°）→悬臂伸出→气爪下行→松开工件（放到指定的工作台上），完成一个自动工作循环。

学生将要完成的主要任务如下：一是选取机械手的坐标形式和自由度;二是设计出机械手的各执行机构。包括气爪、气缸的设计;三是设计气压传动系统。包括气压传动系统中各元器件的选取、整个系统气动回路的设计，同时要将气动控制原理图绘制出来;四是设计电气控制系统。本系统拟采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，因此，学生要能合理选取PLC品牌、型号，编写PLC控制程序，画出梯形图。

二、教学项目的设计（Design）

从最基本的系统来说，最基本的要求是能快速、准确地拾、放以及搬运物件。因此，该系统必须具有精度高、反应快速的特性，同时，要有一定的承载能力、足够的工作空间、灵活的自由度，在任意位置都能自动定位。该控制系统的设计原则是：分析控制对象（工件产品）的控制技术要求，设计最合理的作业工序，编制相应工艺文件;明确工件的结构形状、工件所用的材料特性，设定加工定位精度，抓取、搬运时的受力大小、尺寸和质量参数等，进而熟悉掌握机械手系统结构及运行控制的要求;在设计加工工件时，要尽量选用标准化组件，简化项目设计及制造生产过程，做到通用性和专用性兼顾，同时要实现生产的柔性转换。

三、教学项目的实现（lmplement）

将学生按工位分组，每组4～5名同学，每个组对组员提前分工。分组有个原则，不能把所有学习好的学生分在同一个组，要混合搭配，这样既可以均衡一下各组的实力，也能提高整体专业技能。分组之后要告知学生，各个组之间是有竞争的。这样可以激发学生的斗志。

用仿真软件演示的方式让学生清清楚楚地看到速度控制回路的工作过程，对其原理及工作过程进行详细的分析。然后进行课堂讨论，讨论结束分小组提问。提问结束后，以小组为单位进行理论分析、硬件电路设计并绘制接线电路图。检查各组设计情况，听取学生的设计思路。綜合各组讨论结果，得出最合理的回路图。

根据分析结果，引出需要用到的气动元件，引导学生利用互联网搜索相关资料，掌握元件用法。对于软件编程部分，根据讨论结果，综合需要用到的指令，教师通过电子教室软件讲解新指令的用法。

学生在连接电路并编程、调试操作过程中，需注意以下方面。

一是引导学生加强合作关系，确保各小组成员分工明确，有事可做。

二是学生在操作时，需要在各工序间不断进行检测，教师要不停地进行巡视，及时指出学生操作中的错误，并加以纠正。学生在操作过程中遇到问题，以自我解决为主，教师尽力不直接给答案。

三是巡回指导中，集体指导和个别指结合，注重培优补差。强调安全注意事项。

四、教学项目的运作（Operate）

在每个项目完成后，都要进行汇报展示，由各组长组织本组同学，展示本组设计制作的作品。在进行介绍展示时，主要说明本组的设计思路，指出本组在具体实施过程中遇到过什么问题，是如何解决这些问题的。在一组介绍的过程中，其他组的同学可以及时提出问题，让介绍者回答。每个小组之间要进行互评，通过互评环节，可以了解本组的设计缺陷，以便进一步修改各自的设计。最后，全体学生评选出得分最高的作品，由教师进行点评。

为实现对所学知识的巩固，经过深入分析，教师提出更进一步的要求;发散思维，培养学生的创新设计思维能力。学生将设计出来的气动机械手系统进行实际工作运行，以商业工作运作模式为校园内的模拟企业服务。学生要进行技术支持和售后服务，对学生设计制作的产品采取负责制，并与学分挂钩。

五、小结

CDIO教育教学方法以工作过程为导向，以实际项目为载体，在“做中教”“做中学”，打破了传统人才培养模式。学生在完成项目过程中，掌握理论知识，提高实践操作能力，最终全面提升了学生的综合职业能力。此教育教学模式强调学校与行业企业的合作，重视在教学中创设实际的生产情景，或者直接在生产情景中完成教学任务。

CDIO教育教学模式实现了5个转变：教学实现了从“知识的传递”向“知识的处理和转换”转变，教师从“单向型”授课向“行为引导型”转变，学生由“被动模仿型”向“主动实践、手脑并用的创新型”转变，教学的组织形式由“固定教室、集体授课”向“室内外专业教室、实习车间”转变，教学手段上由传统的“口授、黑板”向“多媒体、网络化、现代化教育技术”转变。

参考文献：

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