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1、燕山大学机械工程学院史艳国2011年12月,基于CDIO模式机械电子工程专业项目体系的构建与实施,汇报提纲,一、燕山大学机械工程学院机械电子工程专业方向的CDIO教学模式改革的背景二、项目体系构建与实施三、实施的体会,汇报提纲,一、燕山大学机械工程学院机械电子工程专业方向的CDIO教学模式改革的背景二、项目体系构建与实施三、实施的体会,机械电子工程专业方向介绍,机械电子工程专业方向的专业课教学介绍,机械设计及制造的知识,强电部分知识,弱电部分知识,培养目标是：具有工学学位的机电工程师学生需要掌握的知识模块：机械设计模块、强电模块、弱电模块,制图、原理、零件、金工公差、机制工艺、机电一体化系统设
2、计,电机、（电力拖动）、工厂电气、机电一体化系统设计,电子学、计算机语言、微机原理、单片机、接口技术、机电一体化系统设计（传感器）,美国工程与技术鉴定委员会工科学位培养的标准,能理解专业的责任和职业伦理,能识别、形成并解决工程问题,能有效沟通,能理解工程问题的解决方法对全社会的影响,能终身学习,能够对知识加以运用,能设计及进行实验，并分析数据,能够设计一个系统、元部件或程序，达到预期要求,能够在多学科的团队中发挥作用,学生能够将数学、科学及工程知识应用于实验的设计与实施，以及数据的分析与解释，能够在多元文化的团队中发挥作用；能够有效沟通。,能够具备工程实践的技术技能，使用现代工程工具,能对重大
3、事物有一定认识,目前的教学模式，这些能力能达到。,目前的教学模式，这些能力欠缺。,世界工程教育所面临的共同挑战,在给定的学制内让学生获得更宽更深知识的同时获得足够的个人、人际交流能力和产品、系统和过程的建造能力-工程素质和能力,如果不对传统的课程体系、教学理念和学习方法等作出重大变革，战胜这个挑战将是一件不太可能完成的任务。,我国工程教育所面临的问题,我国的工程教育的现状：在高考扩招后学生规模变得庞大，生师比严重超标；高等工程教育的投入不足，学生的工程实践环节少；高校的考评机制导致了教师对本科教学投入经历不足。,改革现有的教学模式 CDIO！,我们与先进工程教育理念的差距及对策,严格按照大纲授
4、课+严格限定问题的作业+安排周密的实验+统一标准答案的考试,讲授多不是好事，工程需要观察和动手；高度车厢化的安排，学生被动学习；学生缺乏学习兴趣；没有给学有余力的学生提供机会；,汇报提纲,一、燕山大学机械工程学院机械电子工程专业方向的CDIO教学模式改革的背景二、项目体系构建与实施三、实施的体会,构建项目体系的指导思想,CDIO改革要在专业层面上才能真正体现它的精髓（知识、能力和素质的一体化培养）基于问题的学习、基于项目的学习、主动学习让学生获得领导或具体从事产品、过程或系统的构思、设计、实现和运行中的某个环节或全部过程（现代工程师从事的工作）,满足CDIO改革的三个总体目标,具有可操作性、可
5、实施,要考虑教师及学生的可承受力要考虑实施的成本及效果要有对学生的严格考核标准,符合CDIO工程教育理念,更深地掌握技术基础知识领导新产品、过程和系统的建造及运行理解研究和技术发展对社会的重要性及战略影响,我们的具体做法,在课程教学中引入CDIO项目式教学-知识、能力和素质的一体化培养引入讨论课，讨论的主题讲课前给出，题目结合工程实际-基于问题的学习、主动学习、可激发学生的学习兴趣缩小理论时数，增加实践环节（1/4-1/3）-工程需要观察和动手改革实验教学方式，将实验融入到三级项目中，学生根据项目的需要自己设计实验方案基于项目的学习、改革了枯燥无味的呆板实验讨论及项目都是按组完成让学生获得领导
6、或与人合作从事产品、过程或系统的构思、设计、实现和运行中的某个环节或全部过程（现代工程师从事的工作）,修改专业课程体系，改进教学方法,我们的具体做法,项目的设置原则,项目的设计要有弹性，满足不同水平学生的需求项目的验收要尽量采取竞赛的方式，可以激发学生兴趣，有效避免抄袭。项目要尽量结合工程实际项目体系的设置要涵盖知识体系，要前后有连续性。利用研究生的资源，实现研究生与本科生教学的双赢,专业课程各级项目形式,物理实物的制作让学生真正体会CDIO的全过程机电一体化系统设计课程三级项目-智能小车的设计及驱动。单片机原理及应用课程三级项目-智能小车单片机的控制。机电系统微机接口技术课程三级项目-止血带
7、测控设计、载波呼叫系统设计课程设计二级项目-智能移动机器人的设计与实现应用实验室的资源模拟实现项目的实施过程微机原理及应用课程三级项目-一种典型机械产品或过程的微机自动控制电器控制技术课程的三级项目-电子钟的PLC控制应用计算机虚拟仿真技术在计算机上模拟实现项目的实施过程机器人技术基础课程三级项目-多自由度机械臂的设计。,项目体系拓扑图,机械设计能力，强电的应用能力，弱电的应用能力综合培养，2007级在部分有项目的老师中试点。,机械设计能力。强电的应用能力，弱电的应用能力2006级开始,机械设计能力。强电的应用能力，2006级开始,机械设计能力2007级开始全面实施。,弱电的应用能力，2005
8、级开始实施,弱电的应用能力2007级开始全面实施。,弱电的应用能力，全院2006级开始全面实施。,强电的应用能力，2008级开始,专业课程各三级项目学生获得的技术基础知识：,机电一体化系统设计课程三级项目使学生学会了：脉宽速度调制；传感器的应用、电机驱动、机电综合应用技术；单片机原理及应用课程三级项目使学生学会了：电路板焊接、测试；编程仿真软件学习和程序烧写软件学习，单片机控制技术及应用；机器人技术基础课程三级项目使学生学会了：机器人技术的综合应用，如机械臂三维设计、机械手爪的三维设计，工作空间分析、位姿控制模型、速度控制模型 机电系统微机接口技术课程的三级项目使学生了：接口芯片的应用，电路板
9、的焊接，汇编的编程等 微机原理及应用课程的三级项目使学生学会了：简单工程问题的微机控制方案，简单控制电路的设计，汇编的编程等 电器控制技术课程的三级项目使学生学会了PLC控制的综合应用。,结合工程实际设置微机原理及应用课程三级项目,课程性质：院级平台课，上课班级20个，600多学生，任课教师4人，实验教师3人三级项目题目：1、汽车玻璃总成工装控制系统设计2、阀门控制系统设计3、化肥颗粒度检测系统设计4、某生产线控制系统设计5、某机械设备的启动控制程序设计6、汽车轮毂生产专用夹具的控制系统设计7、某厂生产瓶装保健饮品，装箱生产线设计8、某厂袋装奶粉重量自动检测分拣系统设计 要求：学生任选题目，鼓
10、励学生通过调研企业自选题目。自己制定控制方案，编写控制程序，在实验室模拟实现整个控制过程。,结合科研成果设置机电系统微机接口技术课程三级项目,课程性质：专业课上课班级3个，任课教师1人，实验教师3人三级项目题目（来源于教师的科研成果）：止血带测控设计完成气动系统充气、保压、检测和控制。载波呼叫系统设计完成主机寻址、编码、载波发送和接收数据；分机完成解码、数据编码、数据发送。完成项目的基础：微机原理及应用课程的三级项目,结合科研项目设置毕业设计一级项目,结合863项目学生完成的毕业设计一级项目下肢康复机器人控制系统设计；老人用下肢运动训练装置设计；主被动上下肢康复踏车设计；步行机器人四足/两足转
11、化装置设计。题目都是今年要研发的样机及产品。,机电一体化系统设计课程三级项目图片,单片机课程三级项目图片,机器人技术课程三级项目学生的PPT节选,基座与机械臂连接方案的分析,方案 一基座与杆1采用铰接。两个电机分别驱动杆1和杆2在竖直面内的转动。这种方案中，当小车不动时，工作空间在一个平面内。这种方案的的自由度为2。,方案2电机1驱动杆1在水平面内旋转，电机2驱动杆2绕z2轴旋转。这种方案中，当小车不动时，工作空间为一球面。这种方案的自由度为3。,方案一可以看出，要实现抓球，投球，循迹等过程，在臂转的同时也需要小车转动，对小车的性能要求相对较高。而方案二中，小车不需转动即可能实现不同角度位置上
12、的抓球投球等动作。我们初步选定方案二。,机器人技术课程三级项目学生的PPT节选,方案 一夹取方案。手爪水平方向。该结构相对简单，易于制作和实现。,方案2抓取方案。手爪位于竖直方向。连杆2与该手爪铰接。手爪靠自身重力始终保持竖直方向。,方案一中电机驱动力一经设定好后手爪作用力的大小不变，如果设定力过大，则有可能将小球夹碎。方案二中小球可自动调整位置，这样可一定程度避免被夹碎的情况。我们初步选定方案二。,2.手爪形式方案分析,机器人技术课程三级项目学生的PPT节选,接口课程研究项目图片,微机原理及应用项目制作现场照片,微机控制技术,微机原理及应用课程三级项目的考核现场,工厂电气及PLC控制课程三级
13、项目现场,结合科研项目完成的一级项目,基于研究生科研成果设计二级项目,二级项目的总体框图,研究生完成的成果,完成制作后，在规定的场地进行比赛，并进行自选动作表演。,设计题目：智能车及采摘机器人系统的设计与制作,课程设计的二级项目实施方案,机电一体化系统设计课三级项目,单片机课程三级项目,机器人技术课程三级项目,智能车本体组装、脉宽速度调制；练习红外避障模块、练习红外寻迹模块、驱动模块驱动电机正反转；,课程设计二级项目,电路板焊接、测试；编程仿真软件学习和程序烧写软件学习；练习数码管显示编程；练习测速模块；,机械臂三维设计、工作空间分析、位姿控制模型、速度控制模型,在三门课程的三级项目完成的智能
14、小车基础上加装机械臂、手爪，完成智能车及采摘机器人系统的设计、制造及控制程序的设计及实现。,课程设计二级项目的主要任务,按任务及参数要求设计可行走智能车、机械臂、手部：结合三维设计图，进行仿真；结合三维实体模型给出工程图；完成车体的测绘及三维设计、大臂小臂部件、手部等三个部件的制造和装配完成整车的装配完成控制程序的设计调试运行结合工作空间内任意位姿控制模型以及速度控制模型，控制机器人完成：道路识别、爬坡、定位、轨迹规划、完成无线数据的传输及接受，苹果的采摘；两队在一个场地上同时比赛，增强竞争性。同一队内两组配合完成协调动作展示撰写说明书并进行比赛和表演,课程设计二级项目的主要技术参数,要抓取和
15、灌篮的“篮球”直径38-40mm，重量200g,手臂部件技术参数：,课程设计二级项目的主要技术参数,车体本身技术参数：,课程设计二级项目比赛场地,小车的动作要求：,智能机器人主要完成的动作：从规定的起点开始沿指定路线沿着黑白线循迹自动行驶判断黑白线的结束进入迷宫 实现穿越迷宫沿着黑白线爬坡准确到达终点接收视觉识别系统发送的数据判断出苹果的位置控制小车到达预定位置伸开手臂张开手爪抓取苹果松开手爪快速退回。,二级项目的时间安排,任务规划：资料查阅、设计准备（1-2天）,围绕设计主题查阅可行走采摘机器人相关文献资料，对资料进行分析总结，重点在结构上、信息识别、控制模型建立和控制方法技术上总结可借鉴之
16、处。第一天：查阅资料，第二天：汇总及细读获得的资料。,二级项目时间安排,任务规划：总体方案设计（3-4天）,第三天：行走方案提出和论证（包括坡行能力和通过性，以及转弯速度极限）；可控行走方案提出和论证；机械臂结构方案提出和论证第四天：手部结构方案提出和论证；各部件组装方案的初步提出和论证,二级项目时间安排,任务规划：机械机构设计（5-9天）,第五天：手部结构设计三维图第六天：手部结构设计部件图及主要结构零件图第七天：臂部结构设计三维图部件图及主要结构零件图第八天：行走部件结构设计三维图部件图及主要结构零件图第九天：各部件的组装设计三维图、总装图,二级项目时间安排,任务规划：制作(10-14天）
17、,第10天：采摘的位移轨迹设计和控制模型建立、位移控制模型软件编写和调试第11天：采摘的速度曲线设计和控制模型建立、位移控制模型软件编写和调试第12天：控制系统电路图第13天：控制系统电路图第14天：控制软件的编写和调试,二级项目时间安排,任务规划：制作（15-17天）,第15天：手部的制作第16天：臂部的制作，车体的制作第17天：总成和调试,二级项目时间安排,任务规划：编制课程设计说明书（第18-19天）,整理编写课程设计说明书制作PPT演示文档准备比赛上交设计说明书,二级项目时间安排,任务规划：比赛（20天）,各队按抽签结果确定比赛顺序，事先抽签决定汇报人，其他同学作比赛准备及表演准备。赛
18、后准备归档材料。,二级项目评分细则,二级项目竞赛评分细则,(共a、b、c、d四项）a.成本（10分），以最终提交的经过指导教师核算的成本分析表为准。成本最低者为第一名，依次类推。得分如下：10-（0.5（名次-1）。b.PPT汇报5分钟（10分），随比赛进行，由现场评委打分。c.比赛（40分）：每此有两个队同时比赛从起点开始完成前述的规定动作以最终完成的时间记录名次。每组两次机会，初次没有完成的补赛成绩需要乘以1.05。得分如下：40-（1*（名次-1）比赛注意事项：比赛过程中，不能用手或其他物体移动机器人，如有移动发生，视为本次失败；最多只能有两次比赛机会。,每4个同学一组，设组长一人，成员
19、在组长的领导下相互协作完成智能车及采摘机器人系统的设计与制作所规定的研究内容，内容可以包括但并不限于这些内容。每个小组要在项目报告中标明每个人在总体工作中的贡献和工作比例或者每个人负责的内容。研究内容的多少会影响到每组的最终成绩，鼓励学生自己选取感兴趣的研究内容进行创新设计和深入研究，尤其是设计难度大的表演动作。,项目研究小组的主要分工,项目分组名单,项目报告正文的主要内容：,1 项目任务（附任务书）2 设计方法和设计方案论证（结构的合理性及参数的合理性，制造的可行性和成本分析）3 工作空间的建立4 任意位姿控制（模型和程序-软件应有测（调）试报告）5 速度控制（模型和程序-软件应有测（调）试
20、报告）6 比赛功能及动作展示的轨迹规划（模型和控制软件）6 项目总结（包含对课程设计的建议）7 参考文献8 项目报告的格式有统一的模板。,课程设计二级项目教师指导图片,课程设计二级项目学生制作图片,课程设计二级项目比赛验收图片,汇报提纲,一、燕山大学机械工程学院机械电子工程专业方向的CDIO教学模式改革的背景二、项目体系构建与实施三、实施的体会,教改后的体会,三级项目是设在一门或两门课程上，随着课程的进度进行，开课前布置给学生详细项目指导书和考核要求，学生随着课程的进度完成三级项目，有助于学生对知识的理解和运用。三级项目与实验、上机等其他实践教学环节结合进行，可以相互补充，又可以保证学生的时间
21、。毕业设计的一级项目与教师的科研项目相结合，最终做出实物。对教师、对学生都有好处。学生从要他学变成他要学，从被动学习-主动学习结合工程实际的项目使学生懂得我所学的东西有何用做项目的过程中学生锻炼了自学能力，能够在做中学基于团队的研究项目为学生提供了平等的主动参与教学的机会，实现了对学生综合能力和素质的培养。多门课程共同实施两阶段开放性高水平研究项目。两个研究阶段既有独立的研究内容和实施方案，又有机衔接，具有广阔的延伸性和拓展性。学生掌握了系统深入的核心专业知识模块，掌握了运用专业知识构思设计和建造运行工程产品和系统的能力。,“高水平开放性研究项目详尽可行的项目实施计划全过程多方位的课程考核方式
22、”。既保证所有学生经过努力都能够得到基本能力的培养，又为有兴趣和有才华的学生提供了“无限的”能力发挥和发展空间。这种教学模式和方法，不但保证了大批量合格工程人才的培养，同时也实现了以学生为主体的个性化培养，非常适合中国高等工程教育实际情况。教学改革是系统工程需要多方配合。教改是各级的一把手工程，需要领导重视，需要投入（资金、教师的精力）。需要兼顾各方的利益-教师、好学生、差学生。学生不是教会的，是学会的，老师重要的职责是教会学生如何学习。要充分相信学生的创造力，我们的学生能力很强，需要挖掘；,教改后的体会,教师的工程实践经历对促进教学大有好处。教学科研能相互促进，骨干教师得到了工程实践锻炼。改
23、革考核方式，教学中的各个环节都要有考核，都要占一定的比例，要注重过程控制。学生乐于实践与探索，渴望得到工程实际的锻炼，我们要给 他们机会。我们的学生欢迎这种工程教育的改革模式，并已经从中受益。对就业、考研、出国留学都有帮助。,教改后的体会,项目实施总结,项目实施前要做好充分的准备，教师及助教要事先实施，准备详细的实施计划；项目的设计要有弹性，给学生发挥的空间；二级项目考核指标要分解到项目实施的过程中，各个指标都要有考核，都要占一定的比例；设计项目要充分考虑教学现状：如师生比，课程的性质，上课的人数等。,项目实施总结,项目的设计要服务于培养目标，要成体系，要使学生得到现代工程师的基本训练。项目的设计要虚实结合，有的项目设计成做物理实物，有的项目采用计算机仿真技术实现。项目的设计要保证材料的可循环利用，这样可以保证改革的连续性。研究生教学与本科生教学可以相互促进。,研究生教学与本科教学相互支持,凝炼,助课要求,指导项目,为研究生实验提供条件,课程设计二级项目比赛视频,谢谢大家，不足之处请指正。,
