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《黑龙江教育(高教研究与评估)》杂志

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基于CDIO理念的机电一体化系统设计课程教学改革实践
发布时间:2020-07-11        浏览次数:37        返回列表

姜庆昌,郭士清,陈光军

(佳木斯大学,黑龙江佳木斯154007)

摘要:本文针对机电一体化系统设计课程教学中“理论教学教懂难、实验教学动手难、实践教学参与难”的三难问题,以CDIO教学理念为指导,以教学研究项目为主线,对课程教学进行了改革实践,取得了较好的教学效果。

关键词:CDIO理念;机电一体化;教学实践

中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1002-4107(2012)01-0008-02

机电一体化系统设计课程是佳木斯大学机械设计制造及自动化专业重要的专业课之一,是一门实践性和综合性很强、具有系统工程应用意义的课程。该课程是建立在精密机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、传感与测试技术、电力电子技术、伺服驱动技术、系统总体技术等现代新技术群体基础之上的一个高技术含量的学科。该课程所涉及的内容较多,知识广泛,理论性和实践性较强。

一、机电一体化系统设计教学存在的问题

目前,我国高校机电一体化系统设计课程普遍存在的问题有如下几个方面。

(一)理论教学存在的问题

理论教学中知识点分散,甚至切断彼此的联系;教材中原理讲解和总体设计部分比较空洞,重理论,轻实践。教材示例多为工业化成型产品,理论与实际跨越太大,与学生的实践相距较远,学生动手参与的内容很少。学生普遍感到机电一体化系统设计课程难学、难懂、难用。

(二)实践教学存在的问题

在实验教学环节中,由于机电设备的复杂性、实验设备造价高、台套数不足、使用和维护成本高等原因,多为演示性实验、验证性实验,故学生一般很难亲自动手实验。在课程设计环节中,通常是纸上谈兵,采用“依葫芦画瓢”的模仿设计,调动不了学生学习的积极性,更谈不上创新设计。

由于以上原因,使理论教学内容与实践脱节,造成学生实际动手机会大为减少,从而使机电一体化系统设计课程教学出现“理论教学教懂难、实验教学动手难、实践教学参与难”的三难问题。为此,我们在深入分析研究各个教学环节的规律和特点的基础上,针对此课程提出并实施了“课堂教学、实验教学和实践教学有机结合”注重工程能力培养的CDIO教学模式。

二、CDIO教学理念在机电一体化系统设计课程中的应用

(-)CDIO教学模式

CDIO是美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学2000年组建的跨国研究组织,经过四年的探索研究后创立了CDIO工程教育理念。CDIO代表构思( Coneeive)、设计(Design)、实现(Imple-ment)、运作(Op-erate),它以产品从研发到运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、与课程之间有机联系的方式学习工程。按CDIO模式培养的学生尤其受到社会与企业的欢迎。

(二)CDIO教学理念的实施

机电一体化系统设计课程技术所涉及的内容多,知识广泛,理论性和实践性都较强。机电系统是一个涉及内容多而广的有机整体,虽然知识点可以独立教授,但容易孤立,切断彼此间的联系。课程教学过程中应注重机械技术、机电控制理论及其实现技术、微机和可编程控制器的原理与应用,传感与测试技术等内容的有机融合。针对此课程的特点,我们提出以课程研究项目为主线的CDIO教学模式。

1.教学思路。为了提高学生综合运用所学专业知识分析和解决实际问题的能力,在教学过程中,我们采用CDIO教学理念,将机电一体化系统设计理论课程与课程研究项目相关理论和技术问题融于一体,让学生深人研究项目实施过程中各个阶段所涉及的知识点以及具体问题解决方法,引导学生积极思考、学会学习,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.实施过程。在课程开课初期,我们以“智能寻迹小车系统的设计与制作”为课程研究项目,在理论教学中以研究项目为主线,将分散的知识点连接起来讲授。此项目涉及的知识模块包括单片机的选用及系统建立,电子线路的搭接及元器件选用,传感器的工作原理及使用,检测系统的设计,电机的选择、驱动与控制,机械系统的设计、制作,程序编写、仿真调试,机电一体化系统综合调试。

在实践教学中,我们只对学生下任务书,不提供详细的指导性资料,目的是培养学生的开放性思维。学生遇到问题时,教师采取启发的指导方式,让学生自主解决问题。在实施过程中我们采取“任务分析一资料查阅一方案设计—讨论一详细设计一实际制作—修改一总结一考核”过程模式。

(1)任务分析。任务分析过程是学生对教师给定的设计任务进行分析,分析任务涉及的内容、知识点、难点及可行性。这是学生对设计任务了解的过程。

(2)资料查阅。资料查阅过程是学生对接受的任务广泛查阅资料,寻求解决办法。这是学生对任务更详细地了解的必经过程。这个过程也培养了学生查阅文献、归纳总结及自学知识的能力。

(3)方案设计。学生对研究内容进行详细分析及查阅资料后,完成设计方案:①机电系统设计的整体方案;②控制系统的设计方案;③运动控制方案;④电机速度控制方案;⑤轨迹检测方案;⑥障碍物探测方案等。这些方案的设计过程是学生对所学知识综合理解的过程。

(4)讨论。讨论过程是针对设计方案,让学生分组准备,写出可行性报告,做成PPT。在讨论课上,小组代表陈述自己的观点,小组互评质疑,其他同学参评,最后由指导教师点评,确定最佳方案。

(5)详细设计。确定最佳方案之后,学生开始进行详细设计。设计过程要求学生科学、严谨,依据正确,形成的图纸必须符合工程的规范要求,此过程培养了学生对所学知识的运用能力,也培养了学生的工程意识。

(6)实际制作。指导教师认真审核学生的设计,提出修改意见,当完全正确后,学生开始动手制作样机。如制作机械本体、减速齿轮、设计控制电路板、购买元器件、搭建电路、编写程序、测试分析。这个过程培养了学生实际动手能力,提高了学生的科研能力。

(7)修改。在制作过程中,往往会遇到意料之外的问题,而这些问题才能真正考验学生解决实际问题的能力。如“智能寻迹小车”的制作过程学生发现原以为简单的事情原来这么复杂,即使引用资料中的电路及程序也会出现问题。因此,迫使学生核对理论和方案、重新再来。这个过程锻炼了学生的意志,培养了学生解决问题的能力。当问题解决后,学生对解决的问题会留下深刻印象,获得巨大的成就感。

(8)科学总结,提升水平。当制作的小车调试通过后,要求学生完成总结报告,总结报告按照毕业论文的形式进行书写。这个过程既培养了学生的总结能力,也为毕业论文的撰写奠定了基础。

(9)考核。针对机电一体化系统设计课程的特点,我们改革了传统的考核方式,研究项目占总成绩的50%,课程实验占20%,理论考试占30%。研究项目的考核从以下几方面进行评价:①资料的查阅、知识的运用;②方案设计情况;③讨论课中PPT的讲解及回答问题情况;④图纸设计情况;⑤实际动手能力的评价;⑥总结报告质量。在考核过程中,一方面肯定学生的成绩,另一方面指出后续应学习的知识。

教学实践表明.采用研究项目为主线的CDIO教学模式对教学效果的促进主要表现在以下三方面:第一,培养了学生的团队协作精神和交流沟通能力;第二,营造有利于创新人才培养的环境,激励学生的创新精神、创新能力,以满足社会对工程人才知识结构和素质能力的要求;第三,在理论课堂教学中强化实践教学,将教学内容与工程实践紧密联系在一起,提高学生的工程意识和工程素养。以适应信息时代对工程技术人才的需求,适应21世纪人才培养模式的需求。

采用CDIO教学理念,让学生在“做中学”,可以激发学生的学习兴趣,充分发挥学生的主体作用;师生互动,教学相长,能提高学生的综合能力,较好地解决了工科教学的“三难”问题。

[责任编辑 宋一兵]