現代職業技術教育論文

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摘要：借鑒德國職教師資培養的教育理念和教學方法，籌建開放式的自動化綜合實驗室，開發模塊化柔性制造系統，有助于改變傳統工科教學存在的弊端，提高教育教學質量。本文總結了同濟大學職教學院引進德國現代化教學設備，開發模塊化柔性制造系統的經驗，并對這一系統的特征及適用范圍作一闡述。

關鍵詞：模塊化；柔性制造系統；實驗室；方案；特征；范圍

同濟大學職業技術教育學院從1997年起承擔了中德兩國政府簽署的職教師資培養的合作項目，項目合作期限共八年，分三個階段執行。現設有機械工程及其自動化、電子與信息工程、土木工程、工商管理四個職教師資本科專業，生源主要是職校和大專的優秀應屆畢業生。學院同時還是上海市和全國中、高等職業教育師資重點培訓基地以及中德職業教育師資培訓中心。

根據中德合作項目要求，學院按中德雙方共同開發、制定的培養模式、教學計劃與大綱，培養集專業知識和技能及師范教學能力于一身的復合型職業教育高級人才。在職教師資培養過程中，學院借鑒和引進德國職教師資培養的教育思想與教學方法，特別注重對學生專業技能的培養與訓練，大力加強專業實驗室的建設。

一、現代化教學設備的引進

傳統的工程學科教學中，通常做法是各門課程單獨傳授，學生很少有機會了解各種技術在實際工程中是如何被綜合性應用的。學生在學習專業課程時，每門課程雖然都有相應的實驗，但這些實驗都是各自獨立進行的。在很多情況下，實驗中所使用的設備和器件很多都是實驗室專用的，與工業生產中所使用的實際設備和器件有著較大的差異。自動化技術是一門融機械、電氣、電子及計算機等技術于一體的綜合技術，在這種技術中，不同領域和層次的知識與能力融會在一起。與其他工程領域相比，在自動化生產中所使用的生產設備都是資金密集型的。因此，一方面，一般教學或培訓單位是沒有經濟實力專門為教學購置真實的、昂貴的自動化生產系統的；另一方面，擁有自動化生產系統的企業，因經濟原因而不愿將其作為實訓設備給學生使用。這樣，學校在傳授自動化技術時，只能用模型或采用計算機仿真作為一種彌補的手段，但采用模型或計算機仿真的手段，學生無法學到真實生產系統所需的知識。從某種意義上說，這樣培養出來的學生是“半成品”，學生走上工作崗位后，面對實際的工業生產設備、器件仍然感到陌生，需要經過較長的工作崗位適應期。

同濟大學職教學院在職教師資培養過程中，充分地認識到了上述問題。為使機械工程及其自動化專業方向的職教師范生在學習過程中，有機會將所學到的各門專業課的知識綜合性地應用到接近于生產實際的過程中，為他們走上教學崗位后應用這種新的教學理念打下基礎，學院除了建立適合于現代教學法模式的幾個獨立的專業實驗室外，正在籌建一個開放式自動化綜合實驗室。在這個綜合實驗室中，將開發一套完全接近于生產實際的模塊化柔性制造系統，由同濟大學和德國技術合作公司(GTZ)共同投資。實驗室的開放性主要體現在兩個方面：一是系統組成具有開放性，系統中不同生產廠家的設備可相互兼容，便于以后擴展；二是實驗室資源具有開放性，實驗室可面向校內外各種層次的學生或培訓學員，做到資源共享，擴大受益面，使得高投資的設備取得盡可能大的社會效益。

二、模塊化柔性制造系統的配置

建成后的模塊化柔性制造系統，應該能夠完成不同形狀和結構尺寸零件的加工。現計劃在該系統中加工制造東方明珠電視塔模型、國際象棋等，從毛坯進來直到成品制成的所有工序都要在該系統中完成。為了達到這些工藝要求，系統集成了下列主要功能模塊：

(一)切削加工工位

該工位由一臺數控車床和一臺數控銑床組成，能完成車、銑、鉆的切削加工任務。數控裝置采用的是具有開放性和兼容性的通用PC機，操作鍵盤為標準的PC機鍵盤，操作系統為WIN95／98／2000／ME／NT4.0／XP，采用圖形操作界面，具有人機對話編程功能。在這兩臺機床上可以選用手動、半自動、全自動數控加工方式，學生在工位上可以學習編制數控程序、操作和調整數控機床。

(二)上、下料工位

在該工位上配置一臺Eshed公司的五軸機器人，通過在線模塊，可以將PC機上編好的程序直接傳送到機器人控制器中。學生在該工位上可以學習機器人編程語言，并學習如何操作使用機器人。

(三)倉儲系統

倉儲系統采用的是一個四層28個庫位的立體高架倉庫，共分三個區域，分別用于存放毛坯、半成品和成品零件，同時配備一個物料搬運機械手。

(四)柔性物料輸送系統

在各個工位之間零件的傳輸，是由一個環形的可按需拼裝的傳送帶和有軌輸送小車完成的，該傳送系統具有零件的傳送、交換等功能。

(五)監控系統

每個自動工位都配備一個可編程控制器，各自動工位之間是通過工業局域網絡(如Profibus)相連接的，由一臺PC機實現系統的協調控制。為了實時監控系統中每個自動工位的工況，在這臺PC機上還可實時顯示各自動工位的工況信息。

三、模塊化柔性制造系統的特性

在綜合性的專業實驗室里，主要傳授與實踐有關的教學內容和實際的操作技能，在建立綜合性的專業實驗室時，必須考慮到使學習的內容與勞動過程緊密相關。因此，所要建立的模塊化柔性制造系統具備了下述重要特性：

(一)工業標準化特性

在系統中絕大部分的設備和器件都符合工業標準，盡可能不使用過分簡化了的教學設備與器件，使學生可以在一個能反映真實生產過程的系統中學到專業知識與操作技能。

(二)模塊化特性

系統被設計成具有模塊化的特性，也就是系統中的每個功能部件都能獨立運行，重要的功能部件應該是分布式控制的。在學習過程中，學生不僅可以對各個功能部件進行操作，而且還可以根據不同的教學內容增減功能部件，功能部件的增減同時又不影響系統中其他功能部件的運行。

(三)結構的開放性和兼容性

由于電子技術、信息技術和自動化技術的快速發展，所建系統必須與變化了的技術要求相匹配。在設計該系統時，我們充分考慮了其硬件結構與軟件系統的開放性和兼容性，使得組成該系統的設備不僅能與當今其他設備相組合和匹配，而且還具有進一步開發的可能性，為將來技術更新留有余地。

(四)學習的實踐特性

學生在綜合性的專業實驗室中學習時應該具有創造性勞動的可能性，也就是允許學生對某些設備進行拆裝、更改，以使他們能夠真正學到生產實際所需的專業技能。在該系統中采用的元器件雖然是工業用的，但是，在設計這些元器件時已經充分考慮到了拆裝的方便性。所以，學生能較容易地把建好的系統重新拆開，然后再組裝起來，而且還可以通過增減器件來對系統的配置進行重構。

(五)現代教學特性

在現代職業勞動中，勞動組織形式是以小組勞動為特征的，在職業技術教育中，學生在學校就應該了解并習慣于這種勞動組織形式。模塊化柔性制造實驗系統為學生提供了這種可能性，這是因為每個功能部件都能獨立運行，各功能部件又通過局域網絡相連接，通過協調控制連成一個系統。當學生在該系統中學習時，可以將“構建系統”作為一個學習課題，先構思出整個系統的方案，然后各小組分別對各功能部件進行設計、安裝、編程和調試。在各功能部件調試通過之后，將組合系統進行整體調試。在整體調試通過之后，再對系統進行評價，最后，整個學習課題才算完成。

學習的任務是以課題的形式出現的，學生參與了從整體構思、設計直至安裝、編程、調試、評價的所有學習過程，這樣的學習過程符合行為導向和創造導向的教學思想。學生在這樣的系統中學習，除了能學到有關專業知識和技能外，還能培養包括獨立工作能力、決策和判斷能力在內的個人能力，以及包括協作能力、交往能力以及強烈的責任心在內的社會能力。

四、模塊化柔性制造系統的適用范圍

(一)學習內容

在該模塊化柔性制造系統中，可以進行下列單項或多項內容組合式的教學與培訓：

●數控機床操作、編程和加工功能擴展重構以及數控機床精度檢查及調整

●機器人的操作、調整、編程和保養

●數控機床和機器人的聯機

●倉儲管理

●傳送帶調整、重構和編程

●傳送帶與倉庫以及各工位之間的聯機

●工件檢驗和質量管理

●計算機網絡

●電子、電氣、氣動等的安裝

●復雜系統的調試、維護、保養和故障查找

●編制教學軟件并制作新的教學媒體

(二)適用對象

由于該系統與一般的實驗設備相比價格較昂貴，而且從技術的角度看系統比較復雜，所以如何充分、合理地使用好該系統是非常重要的。建成的綜合性的自動化專業實驗室將成為開放性實驗室，主要面對下列學習對象：

1．本學院的學生。主要是已經學過專業基礎課的機械工程及自動化、電子與信息工程等專業不同竿級的學生。

2．同濟大學其他院系的學生。為了實現資源共事，可以讓本校其他院系需要做機電一體化實驗的學生共同使用該實驗室。這樣不僅可以提高設備的利用率，而且可以增進院系之間的合作交流。

3．參加進修與繼續教育的職教教師或工程技術人員。本學院是上海市和全國的職教師資培訓基地，承擔著大量的職教教師的進修與繼續教育的任務。將該綜合性的專業實驗室用于對外培訓，不僅可以進一步提高實驗室的利用率，而且可以為學院帶來一定的經濟效益，并將其中的一部分資金用于設備的日常維護，為實驗室的正常運行提供了相應的經濟保障。

同濟大學職業技術教育學院在建立模塊化柔性制造系統時，不僅考慮了技術方面的問題，還充分地考慮了教育學和方法學方面的問題。在今后的教學過程中，學院將針對不同的教學內容和教學對象，采取不同形式的教學模式，并將與中外職教研究機構共同開發實驗大綱與實驗內容，編制實驗教材。