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由于CDIO的教育理念能够让学生获得更宽更深知识的同时,还能够逐步具备足够的人际交流能力、专业知识应用能力、产品和系统的构建能力,适应行业对人才的需求,所以并联机器人与机电系统实验室(以下简称“机电实验室”)作为机械电子工程专业教学、科研和人才培养的重要基地,于2009年开始积极引入CDIO教育理念,从培养目标、课程结构、实验内容、教学方法及实验教学评价体系等方面做了重大改革。
2基于CDIO的机电专业实验教学改革与实践
2.1培养目标的确定
CDIO的12条标准之一即为以CDIO工程教育为基本环境,强调技术知识和能力的教学实践要以产品、过程或系统的构思、设计、实施和运行作为工程教育的框架,使学生的基本个人能力、人际交往能力和对产品、过程和系统的构建能力达到专业设定的目标,并且满足企业对人才的需求。机械电子工程专业培养的是具有机械电子工程专业基础知识与专业技能,且能在生产一线从事机械电子工程专业产品的设计制造、控制开发、应用研究和生产管理等工作的应用型专门人才。结合CDIO教育理念及机械电子工程专业的培养目标,机电实验室将以应用型工程师的人才培养目标为主线、以企业对应用型工程师的能力需求为导向、以企业生产一线创新意识和能力的培养为提升来定位实验教学的能力培养目标。
2.2实验教学内容
CDIO教学理念注重一体化教学,强调能力培养,同时要求培养计划的设计做到各学科之间相互支撑。随着科学技术的发展,机械电子工程专业越来越多的与电气、控制、通信、材料及系统学等学科进行交叉。因此,实验教学特别重视基础训练、拓宽专业,重视综合实践性以及系统设计开发能力和创新能力的培养,合理构建实验教学内容。
1)加强原有的专业基础类实验,开设课程三级项目。
机械电子工程专业方向的课程设置主要包括三大知识模块:机械设计及制造知识模块、强电知识模块、弱电知识模块,所涉及专业课程繁多,倘若侧重理论教学而忽视学生的实际动手操作,则容易出现理论知识与实际应用脱离、学生感到学习枯燥的现象。所以,需要加强原有的专业基础类实验教学的同时,针对一门或两门课程设计三级项目,将实验融入到三级项目中,学生可以根据项目需要自行设计实验方案,这种基于项目的学习,改革了枯燥无味的呆板实验,给学生创造了更多动手动脑的机会,加深了对课堂理论知识的理解应用。
2)结合工程实际设计实验内容。
随着现代化工业的发展,产品设计技术趋于数字化、信息化和网络化,生产自动化和智能化程度相当高,机、电、控已成为一个不可分割的有机整体,企业对机电类专业人才的工程能力和创新能力培养提出了更高的要求,培养适应性强且符合市场需求的创新型人才迫在眉睫。因此,机电实验教学对机电专业工程应用型创新人才的业界需求进行分析,从市场需求出发来培养学生。打破各门课程的界限,拓宽实验内容范围,按照对学生综合创新能力培养的基本要求设计实验内容,为学生提供一种全新的工程应用教学环境。如结合工程实际,增设机、电、控综合实验,使学生学会综合应用流体传动、电气控制、PLC、机械工程测试、传感技术、嵌入式技术等多门课程的知识,并会使用各种实验设备仪器。
3)完善机械工程研究实验平台,加强理论研究能力的培养。
引入CDIO教育理念后,机电实验室不断完善机械工程研究实验平台,为学生提供充足的实验设备和计算机,制定具有综合性、设计性、应用性及研究性的实验教学内容,使学生在实验过程中能够结合相关技术进行系列理论研究,开发学生创新思维,激发学生探索新的理论知识,锻炼学生的自学能力、增强学生综合运用知识的能力,从而培养出具有机械电子工程领域较强实践操作能力及扎实的理论分析能力的综合性人才。
2.3实验教学方法及考核方式
CDIO教育理念提倡基于项目教育和学习的新型教学模式,注重培养学生的工程能力、职业道德、学术知识、运用知识解决问题的能力、终生学习能力、团队协作能力、交流能力和大系统掌控能力,从而培养既有过硬的专业技能,又有良好的职业道德的国际化工程师。为此,机电实验室采取以学生为主体,以教师为主导,知识、能力、素质协调发展的教学方法,发动学生参与实验教学和管理,培养学生的主人翁精神和意识;采用多方面、多样化的综合考核方式,不仅对学生进行考核,还要对实验教学人员进行考核,各个环节的考核结果相互融合,不仅能够实现对学生的技术能力、工程素质、交流与沟通能力、团队协作能力和创新能力的全面考核,也能够提升教师的技术应用能力,提高技能操作水平,积累工程应用经验。
2.4实验教学案例
实验教学是高校培养人才战略方案中不可或缺的教学环节,也是培养学生综合能力的重要环节,以上从培养目标、实验教学内容、实验教学方法及考核方式等方面论述了机电实验室引入CDIO教育理念后所采取的改革措施,下面以机电一体化专业核心项目体系的实施为例,谈谈机电实验室引入CDIO教学模式后的教学实践。该项目以《机电一体化系统设计》、《单片机原理及应用》和《机器人》三门课程为核心设立,包括两个实施阶段,其中在三级项目阶段,学生以团队的方式自主完成以嵌入式计算机(单片机)控制系统为核心的机电一体化产品—智能小车的构思-设计-制作-调试运行;在二级项目阶段,学生运用四周时间,进行自主创新研发,自主设计集成一个取料手爪或运料的自动翻转车厢,将智能小车升级成为移动式的抓取机器人和移动式搬运机器人,通过进行机器人运动控制规划,控制机器人完成一系列复杂的动作,如手爪张合、车体回转、智能循迹和避障、协同作业等任务,最终由两个机器人协作配合完成一次物料的抓取和运送任务。学生自主完成从方案设计、详细设计、加工制作到集成调试的全过程,最后以分组比赛的方式验收。
3教学实施体会
1.知识点的传授和项目相结合。
知识点的传授与项目相结合,有助于学生实施项目时,不存在知识点学习的困难或应用的障碍。项目中所涉及到的知识点应在课堂上提前介绍,依据学时的安排,调整知识点讲授的广度与深度。
2.项目选取和布置的注意点。
项目的选取范围应覆盖课程的重点内容,可以通过一个大项目覆盖所有重点内容,也可通过几个小项目涉及几个重点内容。项目的难易度适中,应使学生觉得项目有点难度但自己通过努力可以完成,这样的项目是比较好的。项目的选题还需要与实际应用相关,有了应用背景,学生做项目的兴趣度也会提升。项目布置时,应明确设计要求、设计任务和设计的关键点,这样学生才会有的放矢,从而顺利地完成项目。
3.项目分组的注意点。
小组规模是影响学生参与的一个重要变量,如果小组规模较大,部分学生的分工会出现重复或是任务不足,如果小组规模较小,组内成员的任务过于繁重,有时导致项目不能顺利完成。教师应设定小组规模的范围(一般2~5人一组为宜),让学生们自由组合。
4.鼓励实验测试和实物加工。
机械专业对学生的动手能力要求较高,实验测试和实物加工是锻炼学生动手能力的一个重要途径。常常出现纸上设计的机构,看起来合适,实际做起来是不合适的,因此在学生实施项目过程中,教师应鼓励学生完成实验测试和实物加工,从而检验机构设计的合理性。
5.项目的考核。
项目的考核是检验学生完成项目的一个重要总结,项目的考核应包含设计文档、口头报告、实物或实验展示这三部分。设计文档锻炼了学生总结设计过程的文字撰写能力;口头报告锻炼了学生口头汇报的能力,口头报告还应包含教师和学生提问环节,检验学生的完成情况,锻炼学生思考的能力;实物或实验展示直观地反映学生项目完成的效果,同时增强学生的动手能力。
二、项目驱动教学法在“电子精密机械设计”中的应用实例
下面以“陶瓷放电管全自动打印机”为例介绍如何开展项目驱动教学法。
1.知识点的讲解。
由于陶瓷放电管全自动打印机涉及上料机构、打印机构、供墨机构、传动机构(凸轮机构)、下料机构的设计,因此布置项目之前,教师应大概讲解凸轮机构、上料机构、下料机构、控制系统等相关章节,为学生的项目实施扫清未了解知识的障碍。
2.项目选取和布置的注意点。
“陶瓷放电管全自动打印机”项目与实际紧密联系,难度适中,学生在了解了相关知识点后不会出现看到题目而不知所措的现象。接下来,教师应明确项目的要求。该项目要求学生完成打印机的整机设计,包括上料机构、打印机构、供墨机构、传动机构(凸轮机构)、下料机构等的设计,使该设备满足打印质量要求,其中自动上料机构保证放电管的供料率;打印机构实现陶瓷放电管的打印,要求保证打印质量;凸轮传动机构驱动打印机构,使其完成打印任务;供墨装置是为印章提供油墨的机构,要保证油墨厚度均匀。教师还应指出项目实施的关键点,例如陶瓷放电管对自动上料的特殊要求:一方面该类放电管的形状和尺寸使放电管在振动排料时出现多种姿态,给自动上料带来一定难度,因此自动上料机构的设计必须保证放电管的供料率。另一方面,放电管在振动料斗中的振动,会造成放电管之间的碰撞和摩擦,进而影响放电管的外观甚至质量,进而影响打印质量,因此要优化振动料斗的机构以减少放电管间的碰撞和摩擦。“陶瓷放电管全自动打印机”是一个较为复杂的系统,因此需要向学生说明设计的要求和设计的关键点,同时鼓励学生组队合作完成,培养他们的团队精神。
3.实物的加工和实验测试。
要求依据设计图纸,加工陶瓷放电管全自动打印机。加工之前可通过多次文档报告或口头报告,不断改进设计,从而使得加工出来的实物是可行的,实物的完成会让学生有成就感,让他们对学习《电子精密机械设计》增添兴趣。
4.项目的考核。
项目的考核综合设计文档、口头报告、实物或实验展示这三部分,分别占40%、30%和30%。设计文档应注意规范性,图纸是否规范、合理;文字描述是否正确、翔实;图标是否清晰等等。口头报告应注意学生表述是否明朗、思路是否清晰,若发现学生的思路有误,应及时纠正,防止后续工作的中断。实物或实验的展示是成果最直接的体现,教师应对完成的实物或实验测试提问,掌握学生从项目实施过程中遇到的关键问题,以及他们解决的思路。
三、结语
相关部门的研究者,对于开发实践:电子信息技术,投入到农业机械技术的应用与改革,有着明确的认知度与认可度。在实际操作中,相关部门却仅在电子信息技术上,进行人员的培训与设备的基础建设与养护。与之相反,在研究项目中,承担载体的农业机械技术,投入的建设却寥寥无几。从而使电子信息技术与农业机械技术产生“不配备,不兼容”等实际现象。
2电子信息技术运用到农业机械中的作用
2.1数据的采集、监控及显示
现如今,电子信息技术已在数据的采集,分析,监控等领域暂露头角。各行各业对于采用电子信息化产品,取代老旧的人工作业产品,已形成普遍现象。以此作为依据,电子信息技术同样可在农作物的培育过程中,起到重要的作用。比如:电子信息技术可以提供农业从业者,及时准确的耕作方案;可通过电子信息数据库的数据分析,对当前农作物所遇到的各类问题,提供解决建议;更可通过完善的电子信息技术,提供全方位的农作物生长监控预警体系。运用此类技术,可以为农业劳动者,提供更好的动态信息。使农作物的培育耕种工作,更加安全、快捷、科学且行之有效。
2.2信息一体化及耕种作业规模化
电子信息技术,在最初走入人们的日常工作和生活中时,其职能就是信息通讯应用。随着电子信息技术的不断发展,网络信息资源管理越来越方便快捷。利用电子信息技术的这一优势,协同传统机械技术,同时展开工作:可以使我们在进行农作物的除草、播种、喷药及收割等工作环节,更加有规划性,更加有效率性和控制性。而这,正是许多发达国家,建设大型农场的先决条件与基础。通过电子信息技术,运用互联网与机械连接,农业生产者可实现远程超控,进行农作物的耕种与养护。这种技术既可以降低人力成本,更可提高单位耕种面积的管理效率。
3提高电子信息技术在农业机械中的实际效果
3.1提高农业生产者对电子信息技术的学习
作为农业生产者,想要科学种植,科学致富。首先需要基础的文化知识,而后了解目前先进的科学耕种知识,和提高电子信息技术与农业机械的改革创新应用。国家只有培养出一批具备:科学种植理念的农业生产者,才能够将电子信息技术在农业机械中的研究成果深入推广。
3.2增加电子信息技术的基础建设
通过近几年的实践,国家在电子信息技术在农业机械的研究初显成果。但是,这仅是路中的一小步。因为我国在此领域的发展,远远落后于发达国家。如果我们想想从农业大国,粮食消耗大国,一跃而起,成为粮食生产大国。那么,我们需要有关部门,不断加强改革的投入。不仅仅是国家科研机构的投入,更要对电子信息技术的基础建设,农业机械的基础建设投入更多的资源。
3.3加强对农业生产者,对于电子信息技术与机械技术的应用
推广与培训在经过多年的研究推广中,我们发现:许多农业生产者,虽然有意识了解科学的耕种方法。但是,受自身学习能力的限制,普遍的农业生产者不懂得“如何学,从哪学。”解决这一现象,就需要我国的相关部门,组织有经验的科研人员,下到基层田间,走入群众百姓之中。长期,对农业生产者做有针对性,有系统性的培训。让广大的基层农民,了解到:电子信息技术,在运用到农业机械中后,会产生怎样的好处;令他们的知道:粮食,农作物作,在信息技术的帮助下,可以提高产能,增加收入;让他们深刻体会到:运用信息技术在农业机械中起到的积极作用,可以更早地实现科学种植,科学致富的梦想。
4结语