本文作者：宮金良 張彥斐 魏修亭 高軍 單位：山東理工大學機械工程學院

高等工程教育在機械電子工程專業實施的可行性

山東理工大學機械電子工程專業人才培養模式的改革是在深入探索CDIO教育理念的基礎上提出的，同時也充分考慮了機電系現有的師資力量、設備條件等客觀因素。從本質看，CDIO考慮了現代工業產品從構思研發到運行改良乃至終結廢棄的生命全過程，其工程教育理念就是要以此全過程為載體培養學生的工程能力，此能力不僅包括個人的學術知識，而且包括學生的終生學習能力、團隊交流能力和大系統掌握能力。依據CDIO培養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進行CDIO試點的項目對象。由于目前現有的機電一體化產品多數面向工程應用，因此一般不能長期反復拆裝，內部結構也不便于學生觀察、測繪，因此很難直接應用于現場教學。而多數教學產品則更多地側重于產品原理的教學，因此在產品的真實感、形象性方面也存在欠缺。CDIO培養模式要求學生在掌握基本專業知識的基礎上，更側重于工程設計能力的培訓，因此，在教學中要求盡量保持產品原有的外形、功能特點，如何選擇與設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）機械電子工程專業已初步選定機器人技術作為重點發展方向之一。機器人技術是一門迅速發展的綜合性前沿學科，是現代科學技術高度集成和交融的產物，它涉及機械、控制、電子、傳感器、計算機、人工智能、知識庫系統以及認識科學等眾多學科領域，是當代最具代表性的機電一體化技術之一。經過幾十年的發展，現代機器人技術在工業、農業、國防、航空航天、商業、旅游、醫藥衛生、辦公自動化及生活服務等諸多領域獲得了越來越普遍的應用。掌握機器人技術基礎知識和工程應用方法，能夠觸類旁通地應用于現代機械、機電工程、現代制造業等各大領域。（2）機器人能夠激發學生的學習興趣和創造力。機器人從產生開始，就承載了人類的諸多夢想，對于充滿活力的大學生而言更是如此。目前多數高校都擁有機器人愛好者協會等類似的組織，而各種機器人創作、競賽等活動更是如火如荼的開展，足以反映了學生對機器人技術的關切和向往。興趣是學習最大的原動力，將機器人設為項目對象，讓學生了解機器人的具體結構和控制方法，必將取得事半功倍的教學效果。（3）機電系具有較強的機器人技術研發實力和實踐教學經驗。在創新實踐方面充分發揮機電學科機電一體化的優勢，培養學生創新意識和實踐精神，積極參與到科技創新活動中，多次參與全國性和省級機器人競賽并獲獎。

機械電子工程專業的工程教育教學實踐案例

作為人才培養模式最重要的組成部分，引入機電系統設計與制造I、機電系統設計與制造II、機電系統設計與制造III三個一級項目。分別設置在不同的教學時期，每個一級項目都是對學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。

機械電子工程專業學生培養過程中的首次一級項目訓練，開設在第四學期，時間安排2周。學生在教師指導下通過對機器人這一典型機電一體化產品的解剖，了解其各個關鍵部件（包括機械系統組件和控制系統組件）的具體結構和連接方式，從而提前了解本專業核心內容與實際產品的關系，以工程師的角度去面對即將開始的專業課程學習。通過早期項目的構思和設計，激發學生興趣，進行初步的創新思維與產品構思訓練，并在一定程度上建立起與專業相關的整體概念。要求學生在工程制圖、3D工程設計等相關課程理論學習的基礎上，進一步將理論應用于具體的機電類產品。要求學生針對特定的機器人對象，實際測繪整個機器人關鍵部件的尺寸，并通過3D軟件重新造型設計，完成機械圖紙的繪制。傳統的機械制圖測繪環節以減速箱作為測繪對象，研究對象脫離了具體產品，沒有專業針對性，也不利于提高學生興趣。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，在加深學生對基礎理論掌握的同時，能夠加深學生對機器人及相關機電產品整體認識，為第六學期的設計制造奠定必要的基礎。

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

機械電子工程專業學生培養過程中的第三次一級項目訓練，開設在第七學期，時間安排2周。本次一級項目主要針對第六學期學生自主設計的機器人本體，由于學生在前面已經對所設計的機器人結構有了較深入的了解，因此能夠很好地掌握給定的控制任務。要求學生根據給定的控制參數，如操作速度、加速度、運動范圍等特定任務，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，驅動方法可以選擇電機驅動或液壓驅動等，給予學生充分的發展和思維空間。要求學生設計出詳細的控制系統原理圖，并完成部分控制程序。該次一級項目是建立在電工技術、電子技術、微機原理與應用、電氣控制技術與PLC編程、液壓與氣動、機電系統計算機控制、控制工程基礎、機電一體化系統設計與應用、機器人技術與應用、機電系統單片機控制技術等學科基礎課和專業課基礎之上，具有較高的綜合性。三個一級項目的完成，標志著學生基本掌握了機器人的總體方案設計、機械結構設計、控制算法設計、控制系統硬件和軟件設計等關鍵技術，同時這些技術可以觸類旁通地用于其他相關產品的設計與制造。在每一屆學生中選擇設計較為出色的部分產品，進行實際加工制作，一方面是對學生的激勵，同時也可以作為以后學生的研究對象。由于三個一級項目依次承接，最終的產品完全是學生自己設計，因此，更利于學生掌握機電產品的整個設計、制造、控制和維護的流程，更能激發學生的學習興趣。CDIO培養模式已經在我校2009級學生中實施并取得良好的教學效果，極大地提高了學生的積極性和主動性。