2021-4-9 | 教育培训论文
本文作者：宫金良 张彦斐 魏修亭 高军 单位：山东理工大学机械工程学院
高等工程教育在机械电子工程专业实施的可行性
山东理工大学机械电子工程专业人才培养模式的改革是在深入探索CDIO教育理念的基础上提出的，同时也充分考虑了机电系现有的师资力量、设备条件等客观因素。从本质看，CDIO考虑了现代工业产品从构思研发到运行改良乃至终结废弃的生命全过程，其工程教育理念就是要以此全过程为载体培养学生的工程能力，此能力不仅包括个人的学术知识，而且包括学生的终生学习能力、团队交流能力和大系统掌握能力。依据CDIO培养模式的这一核心思想，首要解决的问题就是选定机械电子工程专业进行CDIO试点的项目对象。由于目前现有的机电一体化产品多数面向工程应用，因此一般不能长期反复拆装，内部结构也不便于学生观察、测绘，因此很难直接应用于现场教学。而多数教学产品则更多地侧重于产品原理的教学，因此在产品的真实感、形象性方面也存在欠缺。CDIO培养模式要求学生在掌握基本专业知识的基础上，更侧重于工程设计能力的培训，因此，在教学中要求尽量保持产品原有的外形、功能特点，如何选择与设计研究对象成为首要解决的问题，针对机电系的实际情况主要考虑了如下几个因素：（1）机械电子工程专业已初步选定机器人技术作为重点发展方向之一。机器人技术是一门迅速发展的综合性前沿学科，是现代科学技术高度集成和交融的产物，它涉及机械、控制、电子、传感器、计算机、人工智能、知识库系统以及认识科学等众多学科领域，是当代最具代表性的机电一体化技术之一。经过几十年的发展，现代机器人技术在工业、农业、国防、航空航天、商业、旅游、医药卫生、办公自动化及生活服务等诸多领域获得了越来越普遍的应用。掌握机器人技术基础知识和工程应用方法，能够触类旁通地应用于现代机械、机电工程、现代制造业等各大领域。（2）机器人能够激发学生的学习兴趣和创造力。机器人从产生开始，就承载了人类的诸多梦想，对于充满活力的大学生而言更是如此。目前多数高校都拥有机器人爱好者协会等类似的组织，而各种机器人创作、竞赛等活动更是如火如荼的开展，足以反映了学生对机器人技术的关切和向往。兴趣是学习最大的原动力，将机器人设为项目对象，让学生了解机器人的具体结构和控制方法，必将取得事半功倍的教学效果。（3）机电系具有较强的机器人技术研发实力和实践教学经验。在创新实践方面充分发挥机电学科机电一体化的优势，培养学生创新意识和实践精神，积极参与到科技创新活动中，多次参与全国性和省级机器人竞赛并获奖。
机械电子工程专业的工程教育教学实践案例
作为人才培养模式最重要的组成部分，引入机电系统设计与制造I、机电系统设计与制造II、机电系统设计与制造III三个一级项目。分别设置在不同的教学时期，每个一级项目都是对学生某一方面知识和能力的锻炼和考核，往往涉及到多门核心课程，下面是详细描述。
机械电子工程专业学生培养过程中的首次一级项目训练，开设在第四学期，时间安排2周。学生在教师指导下通过对机器人这一典型机电一体化产品的解剖，了解其各个关键部件（包括机械系统组件和控制系统组件）的具体结构和连接方式，从而提前了解本专业核心内容与实际产品的关系，以工程师的角度去面对即将开始的专业课程学习。通过早期项目的构思和设计，激发学生兴趣，进行初步的创新思维与产品构思训练，并在一定程度上建立起与专业相关的整体概念。要求学生在工程制图、3D工程设计等相关课程理论学习的基础上，进一步将理论应用于具体的机电类产品。要求学生针对特定的机器人对象，实际测绘整个机器人关键部件的尺寸，并通过3D软件重新造型设计，完成机械图纸的绘制。传统的机械制图测绘环节以减速箱作为测绘对象，研究对象脱离了具体产品，没有专业针对性，也不利于提高学生兴趣。该一级项目以机器人为载体，将机械制图的理论知识融合到项目实施中，在加深学生对基础理论掌握的同时，能够加深学生对机器人及相关机电产品整体认识，为第六学期的设计制造奠定必要的基础。
机械电子工程专业学生培养过程中的第二次一级项目训练，开设在第六学期，时间安排2周。在第四学期一级项目的基础上，本次一级项目进一步要求学生通过团队合作的方法完成机器人整体结构的设计。通过具体给定不同的设计参数和机器人操作任务，由学生自由组成团队，合作完成机器人各关键部件的详细设计，要求每个学生独立完成给定的局部设计任务，并保证团队内部学生设计的各个部件之间的良好连接。该次一级项目是对第四学期一级项目的扩展和深化，首次的一级项目是基础，在学生对机器人这一机电一体化典型产品的整体结构和控制特点有了系统了解的基础上，才能够在规定的时间内顺利完成本次一级项目。同时也为第七学期的一级项目实施提供了控制对象。本次设计采用团队合作的形式完成，而每个学生都会独立地承担自己的工作，因此既考查了学生个体对基础知识的掌握情况，也能锻炼学生在团队之中的合作精神。该次一级项目是建立在材料力学、理论力学、机械原理、机械设计、互换性与测量技术、金属材料工艺学、机械制造技术基础等关键学科基础课和专业课的基础之上的，具有较高的综合性。
机械电子工程专业学生培养过程中的第三次一级项目训练，开设在第七学期，时间安排2周。本次一级项目主要针对第六学期学生自主设计的机器人本体，由于学生在前面已经对所设计的机器人结构有了较深入的了解，因此能够很好地掌握给定的控制任务。要求学生根据给定的控制参数，如操作速度、加速度、运动范围等特定任务，提出自己的控制方案，其中具体控制方法可以自选，如单片机控制、PLC控制，或者采用板卡的形式等，驱动方法可以选择电机驱动或液压驱动等，给予学生充分的发展和思维空间。要求学生设计出详细的控制系统原理图，并完成部分控制程序。该次一级项目是建立在电工技术、电子技术、微机原理与应用、电气控制技术与PLC编程、液压与气动、机电系统计算机控制、控制工程基础、机电一体化系统设计与应用、机器人技术与应用、机电系统单片机控制技术等学科基础课和专业课基础之上，具有较高的综合性。三个一级项目的完成，标志着学生基本掌握了机器人的总体方案设计、机械结构设计、控制算法设计、控制系统硬件和软件设计等关键技术，同时这些技术可以触类旁通地用于其他相关产品的设计与制造。在每一届学生中选择设计较为出色的部分产品，进行实际加工制作，一方面是对学生的激励，同时也可以作为以后学生的研究对象。由于三个一级项目依次承接，最终的产品完全是学生自己设计，因此，更利于学生掌握机电产品的整个设计、制造、控制和维护的流程，更能激发学生的学习兴趣。CDIO培养模式已经在我校2009级学生中实施并取得良好的教学效果，极大地提高了学生的积极性和主动性。