机械电子工程专业方向基于CDIO理念项目式教学改革的探索与实践

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1 机械电子工程专业方向基于CDIO理念项目式教学改革的探索与实践
燕山大学机械工程学院 史艳国 2011年8月

2 汇报提纲 一、机械电子工程专业方向的专业课教学介绍 二、与先进工程教育理念的差距及对策 三、项目体系构建与实施 四、实施的体会

3 一、机械电子工程专业方向的专业课教学介绍 二、与先进工程教育理念的差距及对策 三、项目体系的构建与实施 四、实施的体会
汇报提纲 一、机械电子工程专业方向的专业课教学介绍 二、与先进工程教育理念的差距及对策 三、项目体系的构建与实施 四、实施的体会 我的汇报分为五个部分。首先是立项依据。

4 机械电子工程专业方向介绍 机械设计制造及其自动化 材料成型 及控制工程 轧钢工艺及装备 冶炼工艺及装备 流体传动及控制 机械设计
机械制造工艺及装备 机械电子工程 工程设计及分析 工程机械 材料成型 及控制工程 锻造工艺及装备 模具设计及制造

5 机械电子工程专业方向的专业课教学介绍 培养目标是：具有工学学位的机电工程师 机械设计 及制造的知识 强电部分知识 弱电部分知识
制图、原理、零件、金工公差、机制工艺、机电一体化系统设计 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） 机械设计 及制造的知识 强电部分知识 弱电部分知识 需要加些相关图片，例如：功能材料在能源，计算机，通信，电子，激光上的应用 培养目标是：具有工学学位的机电工程师

6 一、机械电子工程专业方向的专业课教学介绍 二、与先进工程教育理念的差距及对策 三、项目体系的构建与实施 四、实施的体会
汇报提纲 一、机械电子工程专业方向的专业课教学介绍 二、与先进工程教育理念的差距及对策 三、项目体系的构建与实施 四、实施的体会 我的汇报分为五个部分。首先是立项依据。

7 美国工程与技术鉴定委员会工科学位培养的标准
能识别、形成 并解决工程问题 能够对知识加以运用 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。 目前的教学模式有欠缺 能理解专业的责任 和职业伦理 能设计及进行实验， 并分析数据 能有效沟通 能够设计一个系统、 元部件或程序，达 到预期要求 能理解工程问题的解决 方法对全社会的影响 本项目围绕数字化制造基础理论，对三个关键科学问题进行研究，分别是： 数字制造装备的动态行为与性能演变规律； 制造过程的多物理场作用机理及其数字化描述； 数字制造系统的信息作用规律与决策机制。 通过上述问题的研究，揭示制造装备、制造过程、制造系统的科学规律。 目前的教学模式能够达到 能够在多学科的 团队中发挥作用 能终身学习 能够具备工程实践 的技术技能，使用 现代工程工具 能对重大事物 有一定认识

8 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 我的汇报分为五个部分。首先是立项依据。

9 我们与先进工程教育理念的差距及对策 严格按照大纲授课+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； 改革现有的教学模式 CDIO！

10 一、机械电子工程专业方向的专业课教学介绍 二、与先进工程教育理念的差距及对策 三、项目体系的构建与实施 四、实施的体会
汇报提纲 一、机械电子工程专业方向的专业课教学介绍 二、与先进工程教育理念的差距及对策 三、项目体系的构建与实施 四、实施的体会 我的汇报分为五个部分。首先是立项依据。

11 教改的指导原则 ● 符合CDIO工程教育理念 ● 具有可操作性、可实施
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） ● 具有可操作性、可实施 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 我的汇报分为五个部分。首先是立项依据。

12 我们的具体做法 ● 修改专业课程体系，改进教学方法 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、主动学习方法、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） 我的汇报分为五个部分。首先是立项依据。

13 我们的具体做法 ● 项目的设置原则 三级项目 二级项目（课程设计） 一级项目（毕业设计） 项目的设计要有弹性，满足不同水平学生的需求
针对一或两门课程设计 二级项目（课程设计） 在若干个三级项目基础上完成 一级项目（毕业设计） 与工程实际结合，与科研结合 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。 我的汇报分为五个部分。首先是立项依据。

14 项目体系拓扑图 弱电的应用能力， 2005级开始实施 机械设计能力2007级开始全面实施。 弱电的应用能力2007级开始全面实施。
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 弱电的应用能力， 2005级开始实施 机械设计能力2007级开始全面实施。 弱电的应用能力2007级开始全面实施。 强电的应用能力，2008级开始 弱电的应用能力，全院2006级开始全面实施。

15 各三级项目学生得到的主要锻炼： ●《机电一体化系统设计》课程三级项目完成了：脉宽速度调制；传感器的应用、电机驱动；
●《单片机原理及应用》课程三级项目完成了：电路板焊接、测试；编程仿真软件学习和程序烧写软件学习； ●《机器人技术基础》课程三级项目完成了：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 ● 《接口技术》课程的三级项目完成了：接口芯片的应用，电路板的焊接，汇编的编程等 ● 《微机原理及应用》课程的三级项目完成了：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完成了：PLC控制的综合应用。

16 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、某厂代装奶粉重量自动检测分拣系统设计

17 结合科研成果设置《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

18 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/两足转化装置设计。 题目都是今年要研发的样机及产品。

19 研究生教学与本科教学相互支持 研究生培养计划的要求 研究生的科研成果 CDIO 锻炼了研究生的能力 项目 研究生的 培养 助课要求 凝炼
指导项目 研究生的 培养 为研究生实验提供条件

20 基于研究生科研成果设计二级项目

21 二级项目的总体框图 研究生的成果

22 设计题目：智能车及灌篮机器人系统的设计与制作
课程设计的二级项目实施方案 设计题目：智能车及灌篮机器人系统的设计与制作 在三门课程的三级项目完成的智能小车基础上加装机械臂、手爪，完成智能车及灌篮机器人系统的设计与制造及控制程序的设计及实现。 课程设计 二级项目 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； 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 完成制作后，在规定的场地进行比赛，并进行自选动作表演。

23 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： ●取球、传球和灌篮动作 ●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

24 课程设计二级项目的主要技术参数 要抓取和灌篮的“篮球”直径38-40mm，重量<200g 手臂部件技术参数： 负载能力 0.5kg
定位精度 ±0.5cm 外形尺寸 能够完成运球、灌篮并与车体结构协调 重量 2kg 手爪张合 30-150度 (以持球稳定为目标) 机械臂最大展开半径 m（能完成任务，可缩小）

25 课程设计二级项目的主要技术参数 车体本身技术参数： 负载能力 2kg 外形尺寸 参照抓持物体 定位精度 ±1cm 重量

26 课程设计二级项目比赛场地

27 两个小车的动作要求： 抓取车主要完成： 从规定的起点开始沿指定路线自动行驶——抓取“篮球” ——实现穿越迷宫——车体或机械臂旋转——手爪张开——将“篮球”放到指定位置； 灌篮车主要完成： 抓取“篮球”——车体或机械臂旋转——沿指定路线行驶——实现智能避障——手爪张开——投篮。

28 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灌篮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处。 第一天：查阅资料， 第二天汇总及细读获得的资料。

29 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

30 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 第八天：行走部件结构设计 第九天：各部件的组装设计 三维图、总装图

31 二级项目—时间安排 任务规划：制作(10-14天） 第10天：运球、灌篮及动作展示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：运球、灌篮及动作展示的速度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

32 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

33 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

34 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。
赛后准备归档材料。

35 二级项目评分细则 1 本组学生自评分（20分） 由本组学生相互打分，最后由组长签字后上交给指导教师，每组学生平均分不超过16分，最高分与最低分的分差不小于5分。重点考察学生在整个项目完成过程中的贡献大小。 2 指导教师评分（20分） 由指导教师根据学生出勤、平时表现、图纸完成质量、说明书及运行调试情况给学生打分。 3 汇报与比赛 （60分） 此项评分细则见下页

36 二级项目—竞赛评分细则 (共a、b、c、d四项）
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（30分）： 每个队由两小组构成，有两个机器人A和B参加，其中A负责取球运球，B负责接球并灌篮。A在规定的起点取球出发，沿着规定的路径到达适当位置后，A上的机械臂把球放到指定位置（或者直接交到B的手上），B将放好的球拿起，沿指定路线到达篮下，完成灌篮。计时方式：以A启动开始，B灌篮成功结束。每组两次机会，取用时最短的一次为最终成绩。 得分如下：30-（1*（名次-1））

37 二级项目—竞赛评分细则 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。
●d 运球及灌篮比赛后，进行表演，评委根 据动作的流畅度和复杂度打分： 流畅度---5分 复杂度---5分

38 项目研究小组的主要分工 每4个同学一组，设组长一人，成员在组长的领导下相互协作完成《智能车及灌篮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。

39 项目分组名单 组别 学生分组名单 指导教师 参赛编号 1 王艮川 傅小强 杨晓龙 电路设计及程序调试组：王洪波、刘宝 华、史小华
电路设计及程序调试组：王洪波、刘宝 华、史小华 机械设计及程序规划组：李艳文、姚建 涛、王志军、陈子明 加工制作及外协：史艳国、张庆玲、唐 艳华、 比赛筹划组：史艳国、姚剑涛、唐艳华、 陈子明、史小华、王志军 S5 2 李 瑞 林荣辉 徐占雄 S1 3 陈 晨 赵 超 王 磊 S7 4 郭鸯鸯 张萌 苏士如 张威龙 S4 5 赵彤 杨云 李松华 关京炜 6 李昊东 王昆 田春晖 穆永廷 S3 7 黄汉辉 刘通 于光达 李方雷 S2 8 吴乐乐 靳海涛 武建双 赵舟 9 陈龙龙 马艳艳 张一凡 张锦泉 10 王鹏飞 祁行行 赵松涛 张应南 S6 11 林磊 赵相晖 张振德 君梁 12 王唱 李保康 君 徐卫东 13 刘丙栋 李莉 邢有道 李佳羲 14 金林茹 户鹏飞 陶然 韩福辰 15 袁志超 刘宇 董 波 李 蕾 备注 每个参赛单位有两个小组其中一个设计移动式灌篮机器人，另外一个设计送料机器人小车。其中S5参赛组由三个小组，有两个组设计移动式灌篮机器人，另外一个组设计送料机器人小车。 此三个小组组成两个参赛队。

40 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 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。

41 机电一体化系统设计课程三级项目图片

42 单片机课程三级项目图片

43 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的抓球投球等动作。 我们初步选定方案二。 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。

44 机器人技术课程三级项目学生的PPT节选 2.手爪形式方案分析
套固定 电机驱动 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。 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。

45 机器人技术课程三级项目学生的PPT节选

46 课程设计二级项目教师指导图片

47 课程设计二级项目学生制作图片

48 课程设计二级项目比赛验收图片

49 接口课程研究项目图片

50 微机原理及应用项目制作现场照片 微机控制技术

51 微机原理及应用课程三级项目的考核现场

52 一、机械电子工程专业方向的专业课教学介绍 二、与先进工程教育理念的差距及对策 三、项目体系的构建与实施 四、实施的体会
汇报提纲 一、机械电子工程专业方向的专业课教学介绍 二、与先进工程教育理念的差距及对策 三、项目体系的构建与实施 四、实施的体会 我的汇报分为五个部分。首先是立项依据。

53 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。 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 我的汇报分为五个部分。首先是立项依据。

54 教改后的体会 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。
需要兼顾各方的利益-----教师、好学生、差学生。 研究生教学与本科教学可以相互促进。 研究生的成果可以用于本科教学，研究生的助教工作也有助于研究生的成长 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；

55 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。

56 项目实施总结 项目的设计要有弹性，给学生发挥的空间； 项目的实施过程要监控；
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； 项目的实施过程要监控； 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。

57 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。

58 课程设计二级项目比赛视频

59 谢谢大家，不足之处请指正。