基于“机床自动上下料机构设计”的项目驱动式教学方法探讨

张红丽，胡丽娜，赵凤英

（青岛城市学院，山东 青岛 266106）

0 引言

案例式教学是在教学目标的指引下，遵循教学大纲精神，通过特定的素材、媒介、材料等案例，引述事实，达成教学目标的一种新的教学方法[1]。案例式教学促进了学生对所学知识的理解，但主要还是以讲授、观摩为主，学生对所学知识的综合应用实践性不强。本文在案例式教学方法的基础上延伸了项目驱动式教学方法，以“机床自动上下料机构设计”项目为例进行了项目教学设计，对项目驱动式教学方法进行了应用分析。

1 项目驱动式教学方法及意义

1.1 项目驱动式教学方法

项目驱动式教学方法是在课程知识讲授前，先提出一个项目设计任务，根据设计任务进行所用知识的分解，搭建课程知识结构框架，通过项目驱动的形式对课程知识进行分模块学习。

1.2 项目驱动式教学意义

项目驱动式教学改变了以往的纯课堂理论教学模式，它延伸到了理论知识的应用，可更好地理解和巩固课程知识点。

项目驱动式教学有助于课程知识的学习理解，提高学生的学习积极性和学习兴趣。项目驱动式教学在实际的教学过程中更加注重教学的实用性和应用性，让学生在日常的学习过程中就能将理论知识与实际应用有效结合起来，从而切实实现了学校直达工作岗位的教学目的，能够更好地满足社会企业对专业人才直接需求[2]。

2 “机床自动上下料装置设计”项目教学设计

2.1 “机床自动上下料装置设计”项目简介

（1）项目研究意义。本项目研究是基于我院实训基地原有数控车床，进行自动上下料功能改造，保留原有机床本体及功能，设计增加机床的自动上下料装置。项目研究可以应用到企业已有数控机床的改造，提高效率，降低成本，同时项目实例符合机械专业人才需求方向，对教学的促进和学生的能力培养具有重要实用意义。

（2）项目研究内容。机床自动上下料装置设计采用单立柱桁架式机械手，在原有机床的侧上方建立桁架，设计机械手取放轨迹，自动给数控机床的工件上下料，辅助其进行精密加工及工件运送等，对机床设备的改造量小，改造后还可以随时在自动上下料生产模式和手动上下料生产模式之间进行转换。

研究的单立柱桁架式全自动上下料装置主要与数控车床紧密配合，通过PLC控制器的运算及传感器信号的感应，对各伺服机构进行逻辑控制，从而实现物料输送自动化、机床上下料自动化、物料装夹与数控机床匹配自动化，组成自动化上下料机加工系统。设计研究内容主要包括三个方面：自动送料机构设计、自动上下料机构设计及数控机床匹配控制系统设计。

2.2 项目教学设计

项目教学设计是以项目分解的各部分设计任务作为引导，采用任务驱动的方式将各关联知识点进行系统讲解，让学生通过所学知识点构建各部分设计方案，最后通过学生自主研讨评价方式对各设计方案进行综合比较，依据项目设计任务及实际应用场景，论证各方案优劣势，既锻炼了学生运用多种方案解决实际问题的能力，又深化了学生对课程知识点的理解和应用。

（1）项目设计任务。根据项目应用目标分解为三个设计任务：

①自动送料装置设计：根据物料抓取节拍要求，设计物料在Y轴的自动输送及定位；同时根据加工物料不同，设计可灵活更换的模块化料盘。

②自动上下料装置设计：根据与数控机床的加工匹配要求，设计物料在X轴、Z轴方向的移动输送及定位；设计机械手爪对物料的自动抓取更换。

③与机床匹配的控制系统设计：根据与数控机床的加工匹配要求，设计料盘Y轴输送控制、机械手X轴Z轴运动控制、机械手爪的抓取与旋转控制、人机交互操作与显示等。

（2）项目关联知识点。本项目任务涉及《机械原理》《机械设计》《数控编程与加工》《电气控制与PLC》等多门课程知识点，且各知识点在不同课程之间相互关联。《机械原理》研究机构的运动学和动力学，《机械设计》研究机械零部件的设计，《数控编程与加工》研究数控机床的编程与加工操作，《电气控制与PLC》研究机床电气控制及机床与上下料装置之间的动作匹配控制等。

以《机械原理》课程为例，在该课程中项目涉及知识点如图1：

图1 项目涉及《机械原理》课程知识点

（3）构建各机构设计方案。根据项目设计任务要求，自动输送装置需要实现物料Y轴方向输送，一方面要实现移动输送，还要根据节拍实现步进输送。在《机械原理》课程中能够实现步进式移动输送的机构有平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、带传动机构等。在学习这些课程知识点时，以本项目中的步进式输送为设计任务，讲解各机构能实现间歇运动的原理、方法及设计思路，学生学完相应知识点后构建自己的设计方案。

自动上下料装置输送部分需要设计实现X轴、Z轴的往复直线传动，可以实现往复直线运动的机构有齿轮齿条传动机构、带传动机构、链传动机构、丝杆传动机构等。在学习这些机构传动时，围绕本部分设计任务，讲解各传动机构的类型、组成、工作原理及参数设计，学生通过学习各知识点后，构建项目任务实现方案。

自动上下料装置中的机械手爪需要实现对物料的夹持和松开，这种手爪可以采用是连杆杠杆式也可以是齿轮齿条式，那么每种类型如何设计，如何实现呢？可以围绕这些问题将知识点建立联系，学生们在解决问题过程中掌握课程知识点。

（4）方案论证及实施。知识点授课完成后，根据设计任务，同学们分组完成各机构的设计方案，由教师组织开展研讨评价，各小组分享自己的设计方案，并听取其他组同学的设计方案，互相学习探讨，找出各小组设计方案的优劣势，再结合实际工程应用场景，优选出最佳方案，应用《机械原理》课程知识进行运动简图绘制、机构尺度参数设计计算，完成机构的运动分析和动力分析。

2.3 项目教学组织实施

项目式教学是围绕项目任务而设计的知识点，不再以教材内容为顺序，而是根据项目任务要求，需要哪些知识点就讲解哪些知识点，注重知识点的实际应用，注重学生实际解决问题的能力培养，真正做到学有所用。

传统《机械原理》课程教学模式一般是先理论教学再进行实践教学，学生们学完基础理论知识后才开展实践课程设计，这样导致大部分学生理论和实践脱节，不能将课程所学知识灵活应用到实践课程设计中，很多学生在做课程设计时不知从何下手。而项目式教学是在课堂教学中融入实际工程项目案例,围绕实际设计内容组织的课程知识点，将课堂内容拓展到实际项目应用中，知识点学习目的明确，即学即用。这种方式可以激发学生的学习兴趣和求知欲望，将理论知识运用与实践，强化了对理论知识的理解。

“机床自动上下料装置”项目教学设计还可以为多门课程的教学提供场景，比如在《机械原理》课程学习后本项目应用还可以拓展到《机械设计》《数控编程与加工》等课程，将《机械原理》得到的机构运动方案简图进行零部件设计，动力传动装置设计、部件组装等，搭建围绕该项目的《机械设计》知识点体系，而《数控编程与加工》课程知识点可以围绕实现数控加工与自动输送及自动上下料匹配建立。

3 结语

项目驱动式教学的实施不仅对课程教学内容进行了一次重构，它打破了教材的界限、课程的界限，围绕具体工程项目搭建知识体系，是对教学内容的一个重塑整合，而且还改变了教与学的模式，同学们先得到项目学习任务，带着问题学习相应知识点，每一个知识点讲解都是围绕任务展开，学习目的明确，主动性强。

项目驱动式教学以社会对人才的能力要求为方向，以学生掌握所学知识如何应用为目标，以活学活用、“会用”为最终学习结果，增强了课程教学的针对性、实用性。项目式教学特别适合高校工程专业类课程的学习，为高等教育的应用型人才培养提供参考和依据。