本文作者：宮金良 張彥斐 魏修亭 高軍 單位：山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院

高等工程教育在機械電子工程專業(yè)實施的可行性

山東理工大學(xué)機械電子工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式的改革是在深入探索CDIO教育理念的基礎(chǔ)上提出的，同時也充分考慮了機電系現(xiàn)有的師資力量、設(shè)備條件等客觀因素。從本質(zhì)看，CDIO考慮了現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品從構(gòu)思研發(fā)到運行改良乃至終結(jié)廢棄的生命全過程，其工程教育理念就是要以此全過程為載體培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，此能力不僅包括個人的學(xué)術(shù)知識，而且包括學(xué)生的終生學(xué)習(xí)能力、團隊交流能力和大系統(tǒng)掌握能力。依據(jù)CDIO培養(yǎng)模式的這一核心思想，首要解決的問題就是選定機械電子工程專業(yè)進行CDIO試點的項目對象。由于目前現(xiàn)有的機電一體化產(chǎn)品多數(shù)面向工程應(yīng)用，因此一般不能長期反復(fù)拆裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不便于學(xué)生觀察、測繪，因此很難直接應(yīng)用于現(xiàn)場教學(xué)。而多數(shù)教學(xué)產(chǎn)品則更多地側(cè)重于產(chǎn)品原理的教學(xué)，因此在產(chǎn)品的真實感、形象性方面也存在欠缺。CDIO培養(yǎng)模式要求學(xué)生在掌握基本專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，更側(cè)重于工程設(shè)計能力的培訓(xùn)，因此，在教學(xué)中要求盡量保持產(chǎn)品原有的外形、功能特點，如何選擇與設(shè)計研究對象成為首要解決的問題，針對機電系的實際情況主要考慮了如下幾個因素：（1）機械電子工程專業(yè)已初步選定機器人技術(shù)作為重點發(fā)展方向之一。機器人技術(shù)是一門迅速發(fā)展的綜合性前沿學(xué)科，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度集成和交融的產(chǎn)物，它涉及機械、控制、電子、傳感器、計算機、人工智能、知識庫系統(tǒng)以及認識科學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，是當代最具代表性的機電一體化技術(shù)之一。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)代機器人技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、航空航天、商業(yè)、旅游、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公自動化及生活服務(wù)等諸多領(lǐng)域獲得了越來越普遍的應(yīng)用。掌握機器人技術(shù)基礎(chǔ)知識和工程應(yīng)用方法，能夠觸類旁通地應(yīng)用于現(xiàn)代機械、機電工程、現(xiàn)代制造業(yè)等各大領(lǐng)域。（2）機器人能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力。機器人從產(chǎn)生開始，就承載了人類的諸多夢想，對于充滿活力的大學(xué)生而言更是如此。目前多數(shù)高校都擁有機器人愛好者協(xié)會等類似的組織，而各種機器人創(chuàng)作、競賽等活動更是如火如荼的開展，足以反映了學(xué)生對機器人技術(shù)的關(guān)切和向往。興趣是學(xué)習(xí)最大的原動力，將機器人設(shè)為項目對象，讓學(xué)生了解機器人的具體結(jié)構(gòu)和控制方法，必將取得事半功倍的教學(xué)效果。（3）機電系具有較強的機器人技術(shù)研發(fā)實力和實踐教學(xué)經(jīng)驗。在創(chuàng)新實踐方面充分發(fā)揮機電學(xué)科機電一體化的優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐精神，積極參與到科技創(chuàng)新活動中，多次參與全國性和省級機器人競賽并獲獎。

機械電子工程專業(yè)的工程教育教學(xué)實踐案例

作為人才培養(yǎng)模式最重要的組成部分，引入機電系統(tǒng)設(shè)計與制造I、機電系統(tǒng)設(shè)計與制造II、機電系統(tǒng)設(shè)計與制造III三個一級項目。分別設(shè)置在不同的教學(xué)時期，每個一級項目都是對學(xué)生某一方面知識和能力的鍛煉和考核，往往涉及到多門核心課程，下面是詳細描述。

機械電子工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)過程中的首次一級項目訓(xùn)練，開設(shè)在第四學(xué)期，時間安排2周。學(xué)生在教師指導(dǎo)下通過對機器人這一典型機電一體化產(chǎn)品的解剖，了解其各個關(guān)鍵部件（包括機械系統(tǒng)組件和控制系統(tǒng)組件）的具體結(jié)構(gòu)和連接方式，從而提前了解本專業(yè)核心內(nèi)容與實際產(chǎn)品的關(guān)系，以工程師的角度去面對即將開始的專業(yè)課程學(xué)習(xí)。通過早期項目的構(gòu)思和設(shè)計，激發(fā)學(xué)生興趣，進行初步的創(chuàng)新思維與產(chǎn)品構(gòu)思訓(xùn)練，并在一定程度上建立起與專業(yè)相關(guān)的整體概念。要求學(xué)生在工程制圖、3D工程設(shè)計等相關(guān)課程理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進一步將理論應(yīng)用于具體的機電類產(chǎn)品。要求學(xué)生針對特定的機器人對象，實際測繪整個機器人關(guān)鍵部件的尺寸，并通過3D軟件重新造型設(shè)計，完成機械圖紙的繪制。傳統(tǒng)的機械制圖測繪環(huán)節(jié)以減速箱作為測繪對象，研究對象脫離了具體產(chǎn)品，沒有專業(yè)針對性，也不利于提高學(xué)生興趣。該一級項目以機器人為載體，將機械制圖的理論知識融合到項目實施中，在加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論掌握的同時，能夠加深學(xué)生對機器人及相關(guān)機電產(chǎn)品整體認識，為第六學(xué)期的設(shè)計制造奠定必要的基礎(chǔ)。

機械電子工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)過程中的第二次一級項目訓(xùn)練，開設(shè)在第六學(xué)期，時間安排2周。在第四學(xué)期一級項目的基礎(chǔ)上，本次一級項目進一步要求學(xué)生通過團隊合作的方法完成機器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。通過具體給定不同的設(shè)計參數(shù)和機器人操作任務(wù)，由學(xué)生自由組成團隊，合作完成機器人各關(guān)鍵部件的詳細設(shè)計，要求每個學(xué)生獨立完成給定的局部設(shè)計任務(wù)，并保證團隊內(nèi)部學(xué)生設(shè)計的各個部件之間的良好連接。該次一級項目是對第四學(xué)期一級項目的擴展和深化，首次的一級項目是基礎(chǔ)，在學(xué)生對機器人這一機電一體化典型產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)和控制特點有了系統(tǒng)了解的基礎(chǔ)上，才能夠在規(guī)定的時間內(nèi)順利完成本次一級項目。同時也為第七學(xué)期的一級項目實施提供了控制對象。本次設(shè)計采用團隊合作的形式完成，而每個學(xué)生都會獨立地承擔(dān)自己的工作，因此既考查了學(xué)生個體對基礎(chǔ)知識的掌握情況，也能鍛煉學(xué)生在團隊之中的合作精神。該次一級項目是建立在材料力學(xué)、理論力學(xué)、機械原理、機械設(shè)計、互換性與測量技術(shù)、金屬材料工藝學(xué)、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)等關(guān)鍵學(xué)科基礎(chǔ)課和專業(yè)課的基礎(chǔ)之上的，具有較高的綜合性。

機械電子工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)過程中的第三次一級項目訓(xùn)練，開設(shè)在第七學(xué)期，時間安排2周。本次一級項目主要針對第六學(xué)期學(xué)生自主設(shè)計的機器人本體，由于學(xué)生在前面已經(jīng)對所設(shè)計的機器人結(jié)構(gòu)有了較深入的了解，因此能夠很好地掌握給定的控制任務(wù)。要求學(xué)生根據(jù)給定的控制參數(shù)，如操作速度、加速度、運動范圍等特定任務(wù)，提出自己的控制方案，其中具體控制方法可以自選，如單片機控制、PLC控制，或者采用板卡的形式等，驅(qū)動方法可以選擇電機驅(qū)動或液壓驅(qū)動等，給予學(xué)生充分的發(fā)展和思維空間。要求學(xué)生設(shè)計出詳細的控制系統(tǒng)原理圖，并完成部分控制程序。該次一級項目是建立在電工技術(shù)、電子技術(shù)、微機原理與應(yīng)用、電氣控制技術(shù)與PLC編程、液壓與氣動、機電系統(tǒng)計算機控制、控制工程基礎(chǔ)、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用、機器人技術(shù)與應(yīng)用、機電系統(tǒng)單片機控制技術(shù)等學(xué)科基礎(chǔ)課和專業(yè)課基礎(chǔ)之上，具有較高的綜合性。三個一級項目的完成，標志著學(xué)生基本掌握了機器人的總體方案設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制算法設(shè)計、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，同時這些技術(shù)可以觸類旁通地用于其他相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計與制造。在每一屆學(xué)生中選擇設(shè)計較為出色的部分產(chǎn)品，進行實際加工制作，一方面是對學(xué)生的激勵，同時也可以作為以后學(xué)生的研究對象。由于三個一級項目依次承接，最終的產(chǎn)品完全是學(xué)生自己設(shè)計，因此，更利于學(xué)生掌握機電產(chǎn)品的整個設(shè)計、制造、控制和維護的流程，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。CDIO培養(yǎng)模式已經(jīng)在我校2009級學(xué)生中實施并取得良好的教學(xué)效果，極大地提高了學(xué)生的積極性和主動性。