CDIO理念電氣專業綜合實訓改革探索

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摘要:本文以應用型本科院校電氣工程專業綜合實訓教學改革為例，基于cdio工程教育理念，提出了以工作下料機械臂實訓項目教學改革的新模式，進行了“構思—設計—實施—運行”4個階段的教學設計。實訓效果表明，基于CDIO理念的工作下料機械臂實訓項目，可以有效提高學生的實踐能力和團隊協作精神，更好地滿足企業對工業機器人人才的需求。

關鍵詞:機械臂；工程教育；CDIO；電氣專業；教學改革

1引言

近年來，隨著“中國制造2025”強國戰略的提出以及我國產業的轉型升級[1]，企業對員工的要求更加嚴格。《中國制造2025》明確提出了將“高檔數控機床和機器人”作為大力推動的重點領域之一，必須加快突破機器人本體，減速器、伺服電機、控制器、傳感器與驅動器等關鍵零部件及系統集成設計制造技術等技術瓶頸[2]。這將成為我國產業轉型升級的重點。并且隨著我國人口紅利的逐漸消失，人力資源成本的不斷上升，企業必將越來越多地采用工業自動化生產線來取代人工，從而降低成本，提高生產效率和產品品質。作為一所地方應用型本科院校，如何在進行人才培養時形成新的教學理念，改變傳統信息加工式教學模式，提高學生實踐應用能力[3]，加快培養滿足企業要求、具備工程素質、能夠適應企業在工業機器人相關工作崗位需要的人才至關重要[4]。為此，在電氣工程專業的實踐教學改革中，引入CDIO工程教育理念，并將CDIO工程項目思想應用到電氣工程專業的綜合實訓教學中，具有重要的意義[5]。

2CDIO工程教育理念及項目教學法

CDIO工程教育理念是由麻省理工學院、瑞典皇家工學院等4所歐美院校提出的一種新型工程人才培養模式，該模式由汕頭大學在2005年最早引入我國高等院校教學改革實踐中，旨在培養學生的工程創新能力[6]。CDIO以從產品研發開始的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程間的有機聯系為主要方式學習工程理論、方法與經驗[7]，主要以培養學生適應工業企業需求的實踐能力、工程意識、操作能力、團隊精神以及系統理念等綜合實踐能力的一種新型工程人才培養模式。因此，CDIO工程教育理念盡可能采用接近工業企業生產實際的綜合性項目作為實踐教學、訓練的載體。而項目教學法是通過一個完整項目實施過程來達到實現教學目標的方法，與案列教學法相似[8]。其目的在于通過一個完整接近企業實際綜合項目的實施，使學生在理論水平、協作能力、個人能力以及與社會、集體相互協調合作能力得到訓練與提高。徐州工程學院作為一所從專科學校升級的地方應用型本科院校，在電氣工程及其自動化專業的培養上更注重學生的應用實踐能力、具有服務企業與社會的工作能力，以適應今后工作中解決企業生產實際問題的能力[9]。為此，通過在綜合實訓教學中引入CDIO工程教育理念，在綜合實訓項目中以企業需求為依據，以職業定位為導向進行設計。以學生在項目實施過程中的角色和企業評價反饋為主要教學效果及評價，不斷完善和健全項目考核機制，開展符合企業需求的實訓教學案列與項目。

3工業機器人綜合實訓項目設計

對江蘇艾邦機器人有限公司、徐州金剛機器人有限公司、徐州賽義維電氣技術有限公司以及徐州華恒機器人系統有限公司等多家企業的工業機器人應用崗位人才需求情況進行了調研。其崗位需求主要體現在機器人設計、機器人應用程序開發、機器人售前售后服務以及現場操作等4類需求，如圖1所示。本文主要對電氣專業綜合實訓課程針對工業機器人應用技術崗位技能需求進行開發。3.1實訓項目平臺簡介。工業機器人實訓平臺采用工業下料機械手臂系統，主要由電源系統、控制器系統、檢測系統、流水線系統、機械手臂機械結構系統及遠程監控系統組成。其涉及機械學、電氣學、力學、傳感器技術、自動控制技術以及計算機控制技術等，適合電氣工程專業學生系統變頻調速技術、伺服電機理論、單片機知識、CAD技術、PLC技術、網絡技術以及機器人技術等方面的知識以及系統的設計、維修及應用等，適合為服務地方經濟發展的人才。3.2電氣專業綜合實訓項目設計。根據機器人應用崗位特點及技術要求，將綜合實訓項目分為3大模塊：（1）基礎設計模塊主要完成電氣原理圖設計、應用軟件安裝、基礎硬件安裝以及CAD圖紙制作等內容；（2）應用開發模塊主要完成機械手臂程序開發、PLC基本組網、網絡通信組網設計等；（3）綜合應用模塊主要完成機械臂各模塊的組成，機械與電氣模塊的設計、安裝與維護，機械臂與PLC之間的通信、伺服電機的控制以及各檢測模塊的安裝與使用。

4工作下料機械手臂實訓項目設計

在工業自動化生產線上，如電子產品裝配、建筑材料、化工等生產型企業，經常會利用機械臂來實現物料的運送，從而達到減人增效、提高勞動效率的作用。4.1實訓任務描述在生產流水線上，若有產品到來，檢測系統模塊通過信號線，傳遞信號給控制器系統。控制器給流水線系統發出指令，流水線停止運行，而后再發出指令，驅動機械手臂將產品取走。檢測系統檢測到產品被取走，通過信號線傳遞給控制器。控制器發出指令，流水線流動。如此步驟周而復始。4.2實訓方法設計。（1）案例教學法。采用工廠生產線實際案列講解機械臂在工業自動化領域的應用情況，讓學生自己通過案例理解工業機械臂的作用、設計需要的知識。教師指導學生建立知識儲備清單，明確綜合實訓目標以及實訓方法，并向學生列出所需學習資源，促進學生主動學習。（2）拓展校外實訓場地。由于校內實訓平臺有限，通過校外實訓基地徐州華恒機器人系統有限公司等企業提供的實訓場地，并聘請企業工程師作為實訓教師，從而增加實訓項目自生的實用性，培養學生適應企業的工作方式。（3）團隊協作精神的培養。由于現代企業需要高度的協作精神，尤其是大型項目的開發與設計，需要多家企業協作。在實訓過程中，通過組織3-5人的項目團隊，讓學生相互之間通過分工協作推進實訓項目的完成。在這個過程中，通過學生相互之間的分工交流達到培養團隊精神的目的。（4）任務驅動法。綜合實訓項目的設計以任務完成情況作為考核結果。學生將實訓項目分解為一個個任務并逐級完成。這樣可以培養學生的工程意識與素養，通過任務驅動法不斷增強學生的自信心，培養學生發現問題解決問題的能力。（5）行為方式的培養。實訓項目注重培養學生的安全意識、職業素養。徐州工程學院在實訓過程中要求學生按時上課，不遲到早退，正確擺放實訓工具、儀器設備，不帶與實訓項目無關的物品與設備，注意用電安全，實訓結束整理好相關實訓平臺，做好斷電等工作。通過實訓項目培養學生適應企業工作的良好行為規范。4.3實訓任務實施過程。針對工作下料機械臂實訓項目，在實訓任務實施過程中主要分解為如下任務：相關知識儲備過程、系統硬件及電氣原理圖設計、機械臂應用程序設計以及機械臂的測試4項任務。4.3.1相關知識儲備。知識儲備工作主要是為了對工作下料機械臂的安裝與調試做準備。包括認識機械臂相關的元器件：電源、傳感器、控制器、步進電機、機械收、生產線模塊等；系統硬件電路設計知識；應用軟件編寫以及測試工具的使用等。4.3.2系統硬件及電氣原理圖設計。機械臂系統硬件主要包括電源電路、控制器最小模塊電路、復位電路、紅外模塊電路、步進電機電路、伺服舵機電路。其中，步進電機電路包括驅動器和步進電機兩部分，伺服舵機電路包括驅動電路與伺服舵機兩部分。在實訓過程中，通過學生的分工協作完成整體電路的設計。4.3.3機械臂應用程序設計。根據系統硬件電路組成，本系統軟件部分包括各模塊初始化程序、紅外檢測程序、步進電機程序，機械手臂控制程序。主程序流程圖如圖2所示。4.3.4機械臂的測試。機械臂的測試過程主要包括系統接線、參數調試以及紅外模塊調試、步進電機調試和機械手調試等內容。在測試過程中，學生需要完成各模塊初始化程序、紅外檢測程序、步進電機程序，機械手臂控制程序等的編程與參數調整等工作。在實訓過程中，通過學生自己編寫部分測試程序的方法來培養學生的編程能力，開拓學生程序設計的思路。4.4實訓項目考核評價。本實訓重在使學生在實訓過程中養成工程素養，提高其動手能力和團隊協作意識。在綜合實訓考核中，實訓指導教師和項目組成員之間對實訓過程中每個學生的知識和能力有充分的了解和客觀的實訓記錄，因此對學生實訓的評價可以采用項目組成員互評、系統方案設計、測試過程評價、實訓報告等相結合的方式進行評價。在實訓過程中，通過對學生之間的共性問題進行分析總結來拓展學生的思路。對于在校外實訓基地進行實訓的學生，增加企業工程師的評價內容，由指導教師和企業項目工程師對學生進行共同評定。

5結束語

工作下料機械臂等機器人實訓項目的實施是中國邁向制造強國的重要基礎。隨著我國企業的轉型升級，未來采用工業機器人代替人力將成為一種趨勢。本文通過介紹CDIO工程教育理念，在電氣工程專業綜合實訓課程中引入工作下料機械臂實訓項目，可以有效提高學生的實踐能力和團隊協作精神，更好地滿足企業對工業機器人人才的需求。

作者:王峰 張旭隆 方蒽 曹言敬 紀雯 單位:徐州工程學院電氣與控制工程學院