CDIO理念电气专业综合实训改革探索

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摘要:本文以应用型本科院校电气工程专业综合实训教学改革为例，基于cdio工程教育理念，提出了以工作下料机械臂实训项目教学改革的新模式，进行了“构思—设计—实施—运行”4个阶段的教学设计。实训效果表明，基于CDIO理念的工作下料机械臂实训项目，可以有效提高学生的实践能力和团队协作精神，更好地满足企业对工业机器人人才的需求。

关键词:机械臂；工程教育；CDIO；电气专业；教学改革

1引言

近年来，随着“中国制造2025”强国战略的提出以及我国产业的转型升级[1]，企业对员工的要求更加严格。《中国制造2025》明确提出了将“高档数控机床和机器人”作为大力推动的重点领域之一，必须加快突破机器人本体，减速器、伺服电机、控制器、传感器与驱动器等关键零部件及系统集成设计制造技术等技术瓶颈[2]。这将成为我国产业转型升级的重点。并且随着我国人口红利的逐渐消失，人力资源成本的不断上升，企业必将越来越多地采用工业自动化生产线来取代人工，从而降低成本，提高生产效率和产品品质。作为一所地方应用型本科院校，如何在进行人才培养时形成新的教学理念，改变传统信息加工式教学模式，提高学生实践应用能力[3]，加快培养满足企业要求、具备工程素质、能够适应企业在工业机器人相关工作岗位需要的人才至关重要[4]。为此，在电气工程专业的实践教学改革中，引入CDIO工程教育理念，并将CDIO工程项目思想应用到电气工程专业的综合实训教学中，具有重要的意义[5]。

2CDIO工程教育理念及项目教学法

CDIO工程教育理念是由麻省理工学院、瑞典皇家工学院等4所欧美院校提出的一种新型工程人才培养模式，该模式由汕头大学在2005年最早引入我国高等院校教学改革实践中，旨在培养学生的工程创新能力[6]。CDIO以从产品研发开始的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程间的有机联系为主要方式学习工程理论、方法与经验[7]，主要以培养学生适应工业企业需求的实践能力、工程意识、操作能力、团队精神以及系统理念等综合实践能力的一种新型工程人才培养模式。因此，CDIO工程教育理念尽可能采用接近工业企业生产实际的综合性项目作为实践教学、训练的载体。而项目教学法是通过一个完整项目实施过程来达到实现教学目标的方法，与案列教学法相似[8]。其目的在于通过一个完整接近企业实际综合项目的实施，使学生在理论水平、协作能力、个人能力以及与社会、集体相互协调合作能力得到训练与提高。徐州工程学院作为一所从专科学校升级的地方应用型本科院校，在电气工程及其自动化专业的培养上更注重学生的应用实践能力、具有服务企业与社会的工作能力，以适应今后工作中解决企业生产实际问题的能力[9]。为此，通过在综合实训教学中引入CDIO工程教育理念，在综合实训项目中以企业需求为依据，以职业定位为导向进行设计。以学生在项目实施过程中的角色和企业评价反馈为主要教学效果及评价，不断完善和健全项目考核机制，开展符合企业需求的实训教学案列与项目。

3工业机器人综合实训项目设计

对江苏艾邦机器人有限公司、徐州金刚机器人有限公司、徐州赛义维电气技术有限公司以及徐州华恒机器人系统有限公司等多家企业的工业机器人应用岗位人才需求情况进行了调研。其岗位需求主要体现在机器人设计、机器人应用程序开发、机器人售前售后服务以及现场操作等4类需求，如图1所示。本文主要对电气专业综合实训课程针对工业机器人应用技术岗位技能需求进行开发。3.1实训项目平台简介。工业机器人实训平台采用工业下料机械手臂系统，主要由电源系统、控制器系统、检测系统、流水线系统、机械手臂机械结构系统及远程监控系统组成。其涉及机械学、电气学、力学、传感器技术、自动控制技术以及计算机控制技术等，适合电气工程专业学生系统变频调速技术、伺服电机理论、单片机知识、CAD技术、PLC技术、网络技术以及机器人技术等方面的知识以及系统的设计、维修及应用等，适合为服务地方经济发展的人才。3.2电气专业综合实训项目设计。根据机器人应用岗位特点及技术要求，将综合实训项目分为3大模块：（1）基础设计模块主要完成电气原理图设计、应用软件安装、基础硬件安装以及CAD图纸制作等内容；（2）应用开发模块主要完成机械手臂程序开发、PLC基本组网、网络通信组网设计等；（3）综合应用模块主要完成机械臂各模块的组成，机械与电气模块的设计、安装与维护，机械臂与PLC之间的通信、伺服电机的控制以及各检测模块的安装与使用。

4工作下料机械手臂实训项目设计

在工业自动化生产线上，如电子产品装配、建筑材料、化工等生产型企业，经常会利用机械臂来实现物料的运送，从而达到减人增效、提高劳动效率的作用。4.1实训任务描述在生产流水线上，若有产品到来，检测系统模块通过信号线，传递信号给控制器系统。控制器给流水线系统发出指令，流水线停止运行，而后再发出指令，驱动机械手臂将产品取走。检测系统检测到产品被取走，通过信号线传递给控制器。控制器发出指令，流水线流动。如此步骤周而复始。4.2实训方法设计。（1）案例教学法。采用工厂生产线实际案列讲解机械臂在工业自动化领域的应用情况，让学生自己通过案例理解工业机械臂的作用、设计需要的知识。教师指导学生建立知识储备清单，明确综合实训目标以及实训方法，并向学生列出所需学习资源，促进学生主动学习。（2）拓展校外实训场地。由于校内实训平台有限，通过校外实训基地徐州华恒机器人系统有限公司等企业提供的实训场地，并聘请企业工程师作为实训教师，从而增加实训项目自生的实用性，培养学生适应企业的工作方式。（3）团队协作精神的培养。由于现代企业需要高度的协作精神，尤其是大型项目的开发与设计，需要多家企业协作。在实训过程中，通过组织3-5人的项目团队，让学生相互之间通过分工协作推进实训项目的完成。在这个过程中，通过学生相互之间的分工交流达到培养团队精神的目的。（4）任务驱动法。综合实训项目的设计以任务完成情况作为考核结果。学生将实训项目分解为一个个任务并逐级完成。这样可以培养学生的工程意识与素养，通过任务驱动法不断增强学生的自信心，培养学生发现问题解决问题的能力。（5）行为方式的培养。实训项目注重培养学生的安全意识、职业素养。徐州工程学院在实训过程中要求学生按时上课，不迟到早退，正确摆放实训工具、仪器设备，不带与实训项目无关的物品与设备，注意用电安全，实训结束整理好相关实训平台，做好断电等工作。通过实训项目培养学生适应企业工作的良好行为规范。4.3实训任务实施过程。针对工作下料机械臂实训项目，在实训任务实施过程中主要分解为如下任务：相关知识储备过程、系统硬件及电气原理图设计、机械臂应用程序设计以及机械臂的测试4项任务。4.3.1相关知识储备。知识储备工作主要是为了对工作下料机械臂的安装与调试做准备。包括认识机械臂相关的元器件：电源、传感器、控制器、步进电机、机械收、生产线模块等；系统硬件电路设计知识；应用软件编写以及测试工具的使用等。4.3.2系统硬件及电气原理图设计。机械臂系统硬件主要包括电源电路、控制器最小模块电路、复位电路、红外模块电路、步进电机电路、伺服舵机电路。其中，步进电机电路包括驱动器和步进电机两部分，伺服舵机电路包括驱动电路与伺服舵机两部分。在实训过程中，通过学生的分工协作完成整体电路的设计。4.3.3机械臂应用程序设计。根据系统硬件电路组成，本系统软件部分包括各模块初始化程序、红外检测程序、步进电机程序，机械手臂控制程序。主程序流程图如图2所示。4.3.4机械臂的测试。机械臂的测试过程主要包括系统接线、参数调试以及红外模块调试、步进电机调试和机械手调试等内容。在测试过程中，学生需要完成各模块初始化程序、红外检测程序、步进电机程序，机械手臂控制程序等的编程与参数调整等工作。在实训过程中，通过学生自己编写部分测试程序的方法来培养学生的编程能力，开拓学生程序设计的思路。4.4实训项目考核评价。本实训重在使学生在实训过程中养成工程素养，提高其动手能力和团队协作意识。在综合实训考核中，实训指导教师和项目组成员之间对实训过程中每个学生的知识和能力有充分的了解和客观的实训记录，因此对学生实训的评价可以采用项目组成员互评、系统方案设计、测试过程评价、实训报告等相结合的方式进行评价。在实训过程中，通过对学生之间的共性问题进行分析总结来拓展学生的思路。对于在校外实训基地进行实训的学生，增加企业工程师的评价内容，由指导教师和企业项目工程师对学生进行共同评定。

5结束语

工作下料机械臂等机器人实训项目的实施是中国迈向制造强国的重要基础。随着我国企业的转型升级，未来采用工业机器人代替人力将成为一种趋势。本文通过介绍CDIO工程教育理念，在电气工程专业综合实训课程中引入工作下料机械臂实训项目，可以有效提高学生的实践能力和团队协作精神，更好地满足企业对工业机器人人才的需求。

作者:王峰 张旭隆 方蒽 曹言敬 纪雯 单位:徐州工程学院电气与控制工程学院