机械电子工程人才培养研究:CDIO工程教育模式在机械电子工程专业人才培养中的应用

【摘要】本文首先介绍CDIO工程教育模式，然后讨论了CDIO工程教育模式在机械电子工程专业中的应用。以移动机器人为项目对象，重点讨论了项目构思、设计、实现和运作等实施情况。将CDIO工程教育模式应用到人才培养中，增强了学生的解决问题能力、创造思维能力以及团队协作能力。

【关键词】 CDIO；机械电子工程；人才培养；应用

我国高等工科教育的迫切任务是尽快培养与国际接轨的中国工程师，然而我国工科的教育实践中还存在不少问题，如重理论轻实践、强调个人学术能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而轻视开拓创新的培养等问题。Mc.Kinsey Global Institute 在2005年10月发表的一份报告称，2005年我国毕业的约60万工程技术人才中适合在国际化公司工作的不到10%，其中的原因，他认为“中国教育系统偏于理论，中国学生几乎没有受到project和团队工作的实际训练，相比之下欧洲和北美学生以团队方式解决实际问题”。国内外的经验都表明CDIO的理念和方法是先进可行的，适合工科教育教学过程各个环节的改革。

1 CDIO工程教育介绍：

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。从2000年起，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究获得Knut and Alice Wallenberg基金会近2000万美元巨额资助，经过四年的探索研究，创立了 CDIO 工程教育理念，并成立了以 CDIO命名的国际合作组织。

CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate） ，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体 ，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。

2 CDIO工程教育模式在机械电子工程专业人才培养中的应用：

机械电子工程专业培养目标是培养具有机械工程、电气工程、控制科学与工程、计算机科学与技术等学科基础理论和基本知识，具备现代科技理念、综合人文素质、较强的创新精神和工程实践能力，能够从事机械和机电装备与系统的设计制造、研究开发、设备维护和运行管理的复合型高级工程专门人才。

山东理工大学是一所以理工为主的多科性省属重点大学，于2009年初加入CDIO。机械电子工程专业2010年被教育部批准为新上专业，机械电子工程专业作为CDIO培养模式的试点专业。我们的改革目标是通过注重培养学生系统工程技术能力，尤其是项目的构思、设计、开发和实施能力，以及较强的自学能力、组织沟通能力和协调能力，吸收世界先进的工程教育理念，建立符合国际工程师认证的课程体系。为此，我们选定国际上公认的CDIO工程教育理念。将CDIO项目按规模和范围划分为三个模块，第I模块为包含本专业主要基础核心课程和能力要求的项目；第II模块为包含一组相关核心课程、能力要求的项目；第III模块为增强课程能力与理解而设的项目。

基于CDIO工程教育理念而设计的人才培养模式中最重要的组成部分，是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三个综合项目的设计和实现。分别设置在不同的教学学期，每个综合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。选定移动机器人作为项目对象，贯穿于三个一级项目。具体内容包括如下几个方面：

2.1 完成机械结构设计的概念设计。

机械电子工程专业学生培养过程中的机电系统设计与制造I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移动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。

根据这一总体要求，需要综合考虑在机械电子方向所必须的专业课程和基础课程的相关要求，重点考察学生将所学知识点运用到实际工程项目的能力并同时达到对其进行锻炼的目的。

2.2 完成机械构件运动原理综合考察的规划设计。

机械电子工程专业学生培养过程中的机电系统设计与制造II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，本次二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。

在设计的工程设计中，满足给定的输出运动关系，并进行必要的运动分析是工程设计的最基本要求。结合学生在测绘环节对机器人总体结构和关键部件的认知，此环节需要给出机器人的运动关系，并在此基础上进一步根据指导教师的设计要求进行修正，实现新的运动关系输出，达到运动学设计的基本要求。

具体的机器人产品，要求整体上各关节运动灵活，能够满足一定的运动范围和运动速度要求。因此必然在结构上具有特定的参数要求，对于关键的技术参数，需要进行整体规划和论证，并提出具体的设计方法。

2.3 完成机器人控制系统设计。

机械电子工程专业学生培养过程中的机电系统设计与制造III项目训练，开设在第七学期，时间安排3周。在第四学期和第六学期两个一级项目的基础上，本次三级项目进一步要求学生通过团队合作的方法完成机器人控制系统设计。通过单片机、工控机、PLC等方案对第I、II模块确定的项目进行控制系统设计。培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电产品设计工作，掌握机电产品中控制系统设计的一般程序和方法，并结合设计进一步巩固和扩大知识领域。

三个综合项目的完成，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的用于其它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。由于三个综合项目依次承接，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。

3 实施效果：

基于CDIO工程教育理念构建机械电子工程专业应用型人才培养模式，一方面以移动机器人为项目对象，完成三个综合项目的设计，标志着学生基本掌握了机器人设计中关键技术，同时这些技术可以用于其它相关产品的设计与制造。另一方面优化人才培养方案，带动我院在课程、教材、实验室建设等方面进行教学内容、教学方法与手段的改革，增强了学生解决问题能力、创造思维能力以及团队协作能力，为机械电子工程专业应用型人才培养奠定了坚实的基础。

机械电子工程人才培养研究:以塔里木大学为例探索新疆高校机械电子工程专业人才培养模式

新疆高校应该为新疆的发展提供高素质的人才以适应其社会经济发展的需要。该文指出塔里木大学机械电子工程本科专业的人才培养模式是以新疆人才需要为导向的，并针对此人才培养模式对人才培养方案制定、教学资源组织和毕业设计组织等方面进行探索。

培养模式；培养方案；教学资源；毕业设计

1.新疆高校建立机械电子工程专业的意义

文献1中指出新疆科技人才中高新技术、复合型创新人才严重短缺，并且对本地人才的开发利用不足。新疆地区的高校特别是地方高校应该为新疆提供高素质的人才，其专业的设置和建设应适应新疆社会经济发展的需要。机械电子工程本科专业（以下简称“机电专业”）是培养具有扎实的数学、物理、计算机及外语基础，掌握微电子技术、计算机控制和信息技术应用于机械工程领域的专业知识和技能，能够具备从事机电一体化技术、机电一体化产品的研究、设计、制造、开发的工程能力，具有创新精神的高级应用型工程技术与管理人才。正如文献1所述，新疆的社会经济发展急需这种人才。

塔里木大学(以下简称“我校”)的本科生源中80%左右是新疆人。学校自建校以来，已经培养输送毕业生２万多名，大多数毕业生已经成为自治区和兵团的专业技术、科学研究和管理方面的骨干。机械电气化工程学院（以下简称“我院”）于2009年开始开设机电一体化技术专科专业，并于2010年开始开设机械电子工程本科专业，成为新疆自治区与生产建设兵团的唯一一所具有此本科专业的大学。本文就如何建设好此专业并为新疆培养合格的机电类应用开发型工程技术人才进行了人才培养模式的探索。

2.以新疆人才需求为导向构建机械电子工程人才培养的新模式

我校的发展思路是“做塔里木文章，创区域性优势”，立足南疆，面向兵团、服务新疆、辐射西部，并且我校大部分毕业生在新疆特别是南疆就业。因此我院机电专业人才培养模式的目标是培养服务新疆的机电类应用开发型工程技术人才。为实现此目标，我们在以下几方面进行了探索。

A.科学制定机械电子工程专业人才培养方案

a.目前人才培养方案存在的主要问题

与学生座谈时，学生普遍反映课程科目较多，同类同性质科目存在且有重复之嫌疑，跟专业联系不是特别紧密的课程较多。

在与任课教师交流的过程中发现，培养方案的某些课程的设置纯粹为教学，与教师的科研关系不够紧密，因此教师的教学激情得不到充分发挥，学生解决实际问题的能力也得不到应有的提高。

通过与实习单位交流，发现一些学校机电类毕业生的专业学习内容齐全，宽口径实现较好，但宽而不精，掌握的深度和力度不够；应用型人才培养目标体现不深入，在某种程度上理论性教学占据更主导的位置。

b.拟定机电专业人才培养方案制定的思路和相应措施[2]

专业方向进一步明确，并与教师科研方向结合。组织相关教师走访新疆典型的工业、农产品加工业和农机具制造业并调查其目前的机电一体化程度和人才需求，有针对性的制定机电专业人才培养方案。我院确定专业方向为机电一体化产品的生产制造，并将其具有代表性的数控技术、PLC在培养方案得到落实和强化；同时，机电专业部分教师的研究方向为数控技术和农业装备的自动化方向，将相关课教师科研工作与专业方向主线紧密相连，不出现脱节和不相关现象。结合教师相关学术研究方向的成果开设实践课程，这样可以保证在提高教师科研能力同时也在专业相关实践教学活动中锻炼学生解决工程问题能力，为学生的就业和进一步学习深造奠定良好的基础。

进一步强化实践教学环节。机电专业作为一门实践性很强的学科，实践教学环节的技能训练应由浅入深，理论课与实践课交互安排贯穿整个教学过程，分层次进行，形成立体式的实践教学体系。在集中实践环节安排上主要考虑以下因素：增强对基础专业知识的认识，注重资料查阅和提炼能力的培养，注重机械电子工程知识的综合运用。为此，制定人才培养方案时增加实践教学学时，强化实践类课程的教学内容，以工程项目为导向，重点培养学生解决问题的能力。

必要课程整合。将相关课程整合，注意分工和衔接，提高核心课程的系统化和综合化程度，利用有限的课程和学时满足日益增长的专业知识需求。如将数控原理与系统、数控机床与编程和数控机床故障诊断与维修整合为数控技术；对机电传动与控制、可编程控制技术、机电一体化系统设计进行分工，分别讲解电动机和接触器继电器控制，PLC的结构、工作原理和主要逻辑位的使用，了解典型的机电一体化产品的设计过程。

强化学生的计算机应用能力。为增强本专业学生的计算机应用能力，在以往开设的计算机文化基础、C语言程序设计、机械CAD制图的基础上，新开设了三维实体设计、机电系统仿真技术等教学课程，提高学生利用计算机解决机电工程中的运动学仿真、动力学仿真、机电系统控制等问题的能力。

B.认真组织教学资源开展专业教学

实验室是重要的教学资源和科技创新的基础，其建设、管理改革必须特别重视。如前所述机械电子工程专业涉及的知识领域很多，所需的实验室分布在不同的院系。为了满足专业课程实验需要并提高资源共享效率，应合理使用实验室。对于涉及专业很多的实验室，学校集中建设、集中管理，对于仅适用于机电专业的综合实验室，学校统一建设、授权管理。这两种实验室建设与管理办法，既保证交叉学科专业的实践教学又提高了所有实验教学资源的利用率。

机电专业的教材建设也必须重视。

此专业核心课程的知识点的覆盖应该体现对相关专业知识点的融合与升华。专业教材是否适用，要看专业教材包容的知识点是否是课程体系结构中所涉及知识点的最小覆盖，要避免不同教材的知识点重合度太高。专业教材是否适用，还要看知识点分布及出现的时间顺序是否合理。同时考虑到我院此专业可能招收民族学生，在教材的建设方面应注重双语教材的编写。

认真组织机电类应用型人才的毕业设计。

毕业设计是大学生在学校最后一个重要的教学环节，是学习和实践结合的深化。在机械类毕业设计中，我们采取了如下的方式：双向选择题目；真题真做，尽量与生产、科研相结合；校企合作；[4]规范毕业设计成绩评定细则等。这些方法充分调动老师和学生的积极性，有利于发挥学生的特长和挖掘学生的潜力；使学生养成自觉想问题、发现问题和主动解决问题的能力；有助于毕业生尽快融入实际生产，缩短就业适应期等。

目前我院机电专业还没有毕业生，但其毕业设计也应该做好充分准备。机械电子工程本科专业在新疆具有如下特殊性：一方面，为了培养服务新疆的机电类应用型人才，并锻炼毕业生将四年所学的基本知识、基本技能应用于分析问题和解决问题，设计题目一般是综合型的设计机电一体化化产品；另一方面，目前我院教师中大部分教师的研究方向大多数是机械制造及其自动化、机械设计及理论，只有几个教师的研究方向是机械电子工程，如果由少数几个教师带几十个毕业生，毕业设计的质量将受到影响。解决上述两方面矛盾的方法是组成指导教师团队。每个指导教师团队既有机械教师也有电气化教师，毕业生在做毕业设计无论有哪方面的问题都可以请教相应的教师。

机械电子工程人才培养研究:机械电子工程人才培养创新模式研究

【摘 要】机械电子工程是机械、电子、计算机和自动控制等技术有机结合的一门复合技术，常被称为机电一体化技术，它代表着机械工程技术革命的前沿方向。其发展基础是要有

1.创新人才培养模式的内涵和要求

所谓创新人才培养模式，是指在新的教育思想和新的教育理论指导下，以培养具有创新能力的全面发展复合型人才为基本取向的教育教学内容和方法体系的总称。按照人才培养模式的内涵，创新人才培养模式在培养目标、专业设置、课程体系、教学方法等方面有其特有的要求。

1.1培养目标要求

培养基础扎实、知识面宽、能力强、素质高的高级专门人才，重点突出培养学生的创新意识、创新精神和创新能力。

1.2专业设置要求

按照“厚基础、宽专业”的要求，厚实公共基础、专业基础、人文社会科学基础，设置大学科、宽口径的专业，从根本上改变传统的专业面过窄的局面。

1.3课程体系要求

按照“拓宽基础、淡化专业、增强实践”的要求，辩证地处理好基础课、专业课、实践教学的关系，重视学生实践能力和研究能力的提高。与此同时，要增开跨学科、跨专业的课程，拓宽学生知识面，开阔学生视野，培养学生的创新思维，提高创新能力。

1.4教学方法要求

着力体现教学方法的创新，确立学生在教学活动中的主体地位，充分调动学生的学习积极性和创造性，发展学生的个性。

2.机械电子工程创新教育的现状分析

首先，从学生的角度看，参加创新活动常常出现这样的现象，刚开始参与时一哄而上，人数众多，且热情高涨，但往往善始者繁，克终者寡，五分钟热血的情况屡见不鲜。也有很多机电类学生从事课外科技活动粗枝大叶的多，小打小闹的多，起点较低。大多数学生参加课外科技活动仅是靠短时间的突击来完成，追求短、平、快，缺少明确的学习目的和端正态度，达不到知识的积累和实践 经验总结的目的。这显示了我国创新教育的差距。创新理念远未能得到有效的贯彻，学生缺乏学习的目标和动力，说明高校在创新理念的贯彻与培养上还是欠缺力度，做得还是不够。

其次，从参与创新活动的学生所具备的基础知识与实践能力上看，当前机械电子工程专业的学生的专业素养有下降的趋势，主要体现在以下方面：一是设计与绘图能力不足。学生基础理论学习盲目，导致基本功底不扎实，同时对传统机械方面的知识有排斥心理，一味地崇尚电子、控制、软件等所谓的流行专业；二是新技术、新手段、新方法应用不够。学生往往只知道那些教科书或老师讲授过经典的设计方法与案例，相关领域新的思想与理念很淡薄；三是学生动手能力较弱，实验能力较差。

还有，教师和学生是创新教育的两个主体，而教育体制是创新教育的基础。近些年老师压力陡增，大都面临着科研、教学双重任务，面对教学评估、项目经费任务等已经焦头烂额，而指导学生的工作量评价较低，这导致指导学生在一定程度上成为了老师的负担；对学生而言，旧有的教学模式，重书本重理论，轻实践轻动手，导致学生在专业学习上浮躁，基本功和实践能力差；面临越来越大的竞争和就业的压力，也显得无所适从。一个良好的体制环境是创新教育朝着健康方向发展的土壤。

3.机械电子工程人才培养模式的改革与创新

近年来，通过广泛调研就业岗位群工作范围和技术领域，分析人才知识、能力和素质结构，以社会人才市场现实与未来发展对人才的有效需求为导向、以职业岗位(群)能力需求为依据，从而确定毕业生综合技术应用能力结构和应有的知识、能力、素质结构，形成了“四层两段一贯穿”的课程结构体系，构建了“相互平行、融合交叉的理论和实践教学体系”，创建了“核心技术一体化”的教学模式。

（1）“四层两段一贯穿”的课程结构机械电子学科是基于机械、电子、计算机技术发展起来的新学科，所以加强理论体系和教学体系的研究具有重大的现实意义。课程结构体系分为基础教学、专业教学、专长教学、毕业设计与专业实习四个层面；基础学习和主体学习两个阶段。在整个三年教学时问内，专业技能实践培训模块贯穿始终。以机电一体化专业为例，“四层两段一贯穿”的课程结构的基础学习阶段为第一、二两个学期，学生除进行公共课学习之外，主要学习专业基础理论课程。专长学习是专业能力培养的深化，学生将学习到该专业中最新、最具特色的专业知识和技能。专业学习和专长学习中，学生将利用相关的实训设备进行专门化技能实训模块的培训，这些模块包含了机电一体化领域内的最新应用技术，大量采用“实例”和“真实环境”方式培训。学生动手、动脑相结合，专业能力培养和素质培养相结合，独立思考、独立探索能力培养同集体协作、共同交流能力培养相结合。

（2）相互平行、融合交叉的理论和实践教学体系开展课外制作活动是培养大学生创新精神和实践能力的最佳实践活动之一，特别是对机电专业学生来说，是开展专业知识综合应用能力训练的最佳平台。"。将课程进行有机整合，形成了上下贯通的理论和实践教学体系，两个教学体系相互平行，融合交叉，把技术的综合应用能力、实践能力和创新能力培养作为交叉点和教学重点。相互平行，是指两套体系的教学计划相互平行，课程流程相互平行；相互融合，是指课程知识内容与技术、技能培养相互融合，理论和实践教学场所相互融合；相互交叉，是指两套体系的功能相互交叉，知识、技术和技能培养的落脚点相互交叉。

（3）“核心技术一体化”教学模式“是以技术应用能力培养为中心，以核心技术综合应用能力培养为重点，将理论与实验、实训相结合，以课堂与实验(实训)室、实习车间、工厂车间四点为交叉网络的一体化教学模式。在本专业的课程体系中，尝试构建“可编程控制技术”、“驱动技术”、“传感技术”等核心技术。为了突出对学生在这些反映工业自动化技术最具代表性和先进性的技术综合应用能力培养，我们构建了针对这些核心技术的一体化教学模式。理论教学与学生上机编程、调试相结合，动脑与动手相结合，使学生能够较完整地掌握PLC的基本原理、程序编制、程序操作和故障诊断技术。该课程设置使学生既掌握了PLC基本知识和程序操作，同时在相关专业课中又涉及到PLC在不同场合的应用，而在相关实训模块课中学生将PLC技术综合应用到各种不同的生产环境中去。在每个实训室都有一种主要技术单元，同时，还有其它技术单元出现，宾主相拥，多次重复，但角度不同，强调的应用领域和水平不同。

4.结语

机电一体化技术是国民经济发展所急需的优势学科方向。要紧紧抓住人才需求变化的大趋势，准确定位，严谨制定人才培养计划，使教学紧跟机电一体化技术发展变化的趋势，为培养出符合机电一体化技术岗位实际需要的、高素质、强能力的合格人才而不懈努力。