Mekatronikkdidaktikk Av Morten Ottestad
Sammendrag Denne artikkelen behandler temaet mekatronikkdidaktikk. Mekatronikk er et nytt fagområde som kombinerer flere veletablerte fagområder med tilhørende didaktikk. En mekatronikkingeniør er en systemarkitekt som skal kombinere forskjellige teknologier på en slik måte at et optimalt resultat oppnås. Dette krever både kunnskaper og ferdigheter innen de forskjellige disiplinene og i tillegg arkitektkunnskaper, kunnskaper om hvordan et multiteknologisk produkt skal sys sammen. Artikkelen søker å vise hvordan tradisjonell undervisning kan kombineres med produktbasert læring for å gi studentene de kunnskaper og ferdigheter som er nødvendig for å tilfredsstille de krav brukeren av kompetansen stiller. Skriftserien nr. (fylles ut av biblioteket) NN sider (fylles ut av biblioteket) X,- NOK (fylles ut av biblioteket) ISSN: 0806-5942 (fylles ut av biblioteket) ISBN: 82-7117-..(fylles ut av biblioteket) Emneord: Mekatronikk, didaktikk Høgskolen i Agder, 2003 Serviceboks 422, N-4604 Kristiansand Design: Høgskolen i Agder Omslag og innbinding: Edgar Høgfeldt A/S Sats og trykkeri: Trykkeriet, Høgskolen i Agder 2
Innholdsfortegnelse 1 Innledning... 5 2 Hva er didaktikk?... 5 3 Hva er mekatronikk?... 5 4 Hvorfor oppsto mekatronikk?... 6 5 Hva er begrunnelsen for et mekatronikkstudium?... 7 6 Hvem er brukeren og hva ønsker denne? - Kvalifikasjonsanalyse... 8 7 Læringsmål for studiet... 8 8 Hvordan skal det undervises og læres?... 10 9 Læring gjennom produktutvikling... 11 10 Hva oppnås med produktbasert læring?... 12 Litteraturreferanser... 12 3
4
1 Innledning Som et resultat av utviklingen innen programmerbar elektronikk oppsto en ny produktgruppe (mekatroniske produkter). Funksjonaliteten til disse produktene oppnås ved et samspill mellom mekanikk, elektronikk og software. For å utvikle disse produktene på en optimal måte ble det behov for en ny type fagfolk som både kjenner teknologiene og er i stand til integrere dem i ett produkt. Det ble derfor nødvendig å skape en ny type ingeniør som er mer generalist enn spesialist. En nyttig analogi kan her være forholdet mellom arkitekten og byggingeniøren. Utfordringen ved å skape denne typen ingeniør ligger dels i at det ikke finnes noen innarbeidet fagdidaktikk på dette området og dels at bredden er stor. Hensikten med denne artikkelen er å skissere en fagdidaktikk for mekatronikk. Artikkelen bygger på ti års erfaring med utdanning av mekatronikkingeniører. 2 Hva er didaktikk? Stortingsmelding 48 [3] definerer didaktikk som teorien for planlegging, gjennomføring og vurdering av opplæring. For å utvikle en egen fagdidaktikk for mekatronikk må en da svare på følgende spørsmål: Hva skal undervises og læres (innholdsaspektet)? Hvordan skal det undervises og læres (formidlings- og læringsaspektet)? I hvilken hensikt eller hvorfor skal noe undervises og læres (målaspektet)? 3 Hva er mekatronikk? Mekatronikk er et kunstord sammensatt av mekanikk og elektronikk. Det oppstod i Japan på slutten av 60-tallet som betegnelse for de nye muligheter som kombinasjonen av maskinteknikk og mikroprosessorer åpnet for. Det eksisterer en hel rekke definisjoner på mekatronikk. Her følger to: Definisjonen til Massachusetts Institute of Technology (MIT) Mechatronics is the synergistic combination of mechanical engineering, electronics, control systems and computers, all integrated through the design process. [1] Definisjonen til Jacob Burr, DTU (Technical University of Denmark) Mekatronikk er en teknologi som både funksjonelt og romlig integrerer maskinteknikk med elektronikk og software i komponenter, moduler, produkter og sammensatte systemer. [2] 5
4 Hvorfor oppsto mekatronikk? En grunnleggende forutsetning for mekatronikk er mikroprosessoren. Den programmerbare elektronikken gjorde det mulig å erstatte mekaniske funksjoner med funksjoner i software. En funksjon realisert i software har mange fordeler. Den kan lett endres/modifiseres, den slites ikke, og den er som regel mye billigere enn en mekanisk funksjon. Et eksempel på utbytting av en mekanisk funksjon med en software/elektronikkfunksjon er tenningssystemet i en bil. Der en tidligere overførte informasjon om veivakselens posisjon via en aksling til en mekanisk fordeler som styrte tenningsrekkefølgen til sylindrene, vil en i dag måle veivakselens posisjon ved hjelp av en sensor. Denne posisjonsinformasjonen benyttes av en mikroprosessor til å styre tenningsrekkefølgen. Denne løsningen gir mindre vedlikehold, større fleksibilitet, lavere produksjonskostnader, enklere feildiagnose osv. De fordelene softwarefunksjoner har framfor mekaniske funksjoner, gir en drivende markedsmessig kraft som fører til nye typer av gamle produkter og til helt nye produkter. Disse produktene har fellesbetegnelsen mekatronikkprodukter. Mekatronikk-familiens trekk A/D Datamaskin hardware/software D/A signal tilpasning aktuatorer sensorer MEKANISKE SYSTEM 6
Det store spørsmålet er da hvem som skal utvikle denne nye produktgruppen. Hvilke krav i form av kunnskaper og ferdigheter stilles til produktutviklerne? For å få et svar på disse spørsmålene er det naturlig å gå til opprinnelsen for mekatronikk. Begrepet mekatronikk ble første gang brukt i 1969. Opphavsmannen var Ko Kikuchi som var og fortsatt er ingeniør hos Yaskawa. Yaskawa registrerte mekatronikk som varemerke i 1972, men friga det i 1982. Svaret på hvorfor mekatronikk nettopp oppsto i Japan, består av flere faktorer: Japan er en høyteknologisk nasjon med lite råvarer og høye lønnskostnader slik at økonomien er basert på å utvikle og selge avanserte produkter. Japansk næringsliv er basert på gigantiske multiteknologiske konsern som ofte har et bredt spekter av produkter. Japanske arbeidstakere har tradisjonelt vært svært lojale overfor sin arbeidsgiver og har ofte hatt et livslangt ansettelsesforhold til arbeidsgiveren. Dette har muliggjort svært lange opplæringsperioder (opptil 5 år), der den ansatte har ambulert fra avdeling til avdeling og på den måten skaffet seg kunnskaper og ferdigheter innen mange fagområder. Japansk ingeniørutdanning er noe annerledes enn den amerikansk/europeiske. Denne annerledesheten består i at det legges mindre vekt på teknologiske fag og mer vekt på naturvitenskapelige fag. Årsaken til dette ligger i den foran nevnte bedriftsinterne opplæringen som forventes å gi de nødvendige teknologiske kunnskaper og ferdigheter. Utvikling av mekatroniske produkter krever samarbeid på tvers av faggrenser, noe det japanske internopplæringssystemet legger til rette for. Kunsten å utvikle mekatroniske produkter er å fastlegge "en optimal oppdeling av kaken", dvs. å bestemme den optimale funksjonsdelingen mellom mekanikk, elektronikk og software. For å kunne gjøre denne oppdelingen kreves det at en har kunnskaper innen alle tre disiplinene. Mekatronisk produktutvikling er svært dynamisk. Den raske teknologiske utviklingen på prosessor- og softwaresiden medfører et løpende krav om endringer i arbeidsformen hos utviklerne. 5 Hva er begrunnelsen for et mekatronikkstudium? Utviklingen innen informasjonsteknologi og halvlederbasert sensorikk går meget raskt. Moors lov ser fremdeles ut til å holde stand, nemlig at datakraften dobles hver 18. måned. Dette medfører at software og elektronikk blir en naturlig del av flere og flere produkter. Dette medfører videre at behovet for systemarkitekter som kan teknologiintegrering, er økende. Dette er et faktum bedrifter og utdanningsinstitusjoner må ta inn over seg. 7
I den vestlige verden er det ikke vanlig med lange internopplæringsprogrammer, da dette vil være for risikabelt. En må derfor utarbeide et undervisningsopplegg for mekatroniske systemarkitekter, mekatronikkingeniører. Disse mekatronikkingeniørene må beherske et bredt kunnskapsfelt, noe som nødvendigvis må gå utover dybden. De vil bli mer generalister enn spesialister. Vi vil i framtiden også ha behov for spesialister, men flere produkter oppstår som en integrasjon av flere teknologier, og dermed vil behovet for generalister øke. Antall Spesialister Generalister tid 6 Hvem er brukeren og hva ønsker denne? - Kvalifikasjonsanalyse Brukeren kan være små og mellomstore bedrifter som ikke har råd til eller behov for spesialister innen alle involverte teknologier, eller det kan være store bedrifter som har spesialister som ikke fullt ut snakker sammen. Begge disse gruppene har behov for ingeniører som i tillegg til kunnskaper innen mekanikk, elektronikk og software også behersker systemintegratorens metoder og verktøy. Produktutvikling er en prosess som kan gjennomføres på mange måter, noen gode og andre ikke fullt så gode. Det er derfor viktig å ha teoretiske kunnskaper og praktisk erfaring med denne prosessen. Dette gjelder spesielt for mekatronikkprodukter der det i utgangspunktet ikke er gitt hvilken type teknologi som skal realisere produktets forskjellige funksjoner. I slike prosesser er det for bedriften meget viktig å ha personer som kan skjære kaken riktig og integrere på en optimal måte. 7 Læringsmål for studiet Hva må studiet gi av kunnskap og ferdigheter? Svar på dette spørsmålet må ta utgangspunkt i kvalifikasjonsanalysen, og ut fra denne må studieplaner, fagplaner og undervisningsopplegget bygges. 8
Emnekart for studiet Ut fra definisjonen på mekatronikk kan en sette opp et emnekart og en emneliste over det studiet forventes å inneholde: Emnekart Emneliste: Foruten de obligatoriske fagene som matematikk, fysikk og samfunnsfag vil følgende emner være de sentrale byggesteiner i mekatronikkstudiet: Statikk, dynamikk og fasthetslære Maskindeler 3D-modellering CAD/CAM Materialer Produktutviklingsmetodikk Analog/digital elektronikk Programmering Dynamisk modellering/simulering Sensorer og måleteknikk Elektriske og hydrauliske maskiner med drivsystemer Reguleringsteknikk/servoteknikk Industriell IT (PLS-/mikroprosessorteknikk) Mekatronikkdesign Teknisk ledelse og økonomi 9
På foregående side er de emner og områder som studiet bør inneholde, skissert. En systemintegrator eller systemarkitekt må ha kunnskaper og ferdigheter knyttet til disse emnene, men systemarkitekten må også være i stand til å kombinere dem i en produktutviklingsprosess. For å oppnå de ferdigheter som er nødvendig for å kunne gjennomføre en slik produktutviklingsprosess, må studieopplegget inneholde elementer som utvikler disse kombinasjonsferdighetene. 8 Hvordan skal det undervises og læres? Undervisningen i emner legges opp på en tradisjonell og logisk måte som stein bygges på stein med sin naturlige progresjon og utvikling. Når det gjelder utviklingen av ferdigheter og kunnskaper knyttet til produktutvikling, finnes det mange forsøk på teoridannelse, men lite konkret å forholde seg til, slik at den beste metoden er nok å simulere virkeligheten. Det kan gjøres ved å hente et problem fra det virkelige livet og la studentene i grupper utvikle et produkt som løser problemet. Dette kan vi kalle produktbasert læring. Produktbasert læring kan foregå gjennom hele studiet, men problemene studentene skal løse, må tilpasses det faglige nivået studentene til enhver tid befinner seg på. Det må også ha en kompleksitet som stiller krav til integrasjon og systemforståelse. Det er viktig at det er en viss grad av samtidighet mellom de emner som undervises og de elementer som er nødvendig for å realisere produktet. Dette vil virke motiverende og være gjensidig befruktende. I figuren under er det vist en prinsippskisse av et studieopplegg for mekatronikk. Opplegget består av tre parallelle faglige strenger (SW, M, E) som følger en lineær utvikling i tid. Parallelt med disse strengene går en produktutviklingsstreng der de faglige kunnskaper og ferdigheter kommer til anvendelse. Aktivitet SW SW SW SW = Undervist emne: Software M = Undervist emne: Mekanisk E = Undervist emne: Elektro/styring P = Produktutvikling M M M E E E P P P Tid 10
9 Læring gjennom produktutvikling Produktutvikling handler om hvordan man utnytter teknologi til å frembringe nye produkter og systemer til et marked. Prosessen fra en idé til et ferdig produkt er en iterativ prosess som inneholder både kreative og systematiske elementer. I motsetning til de fleste tekniske fag er produktutvikling tverrfaglig og synteseorientert, dvs. fokus er på å skape komplette produkter og systemer ved å kombinere viten fra mange fagområder. Når produkter utvikles, skal der tas hensyn til så forskjellige faktorer som pris, kvalitet, funksjonalitet, estetikk, brukssituasjoner, produksjon, miljø, m.m. Figuren under viser en lokal variant av V-modellen [4] for produktutvikling, som bygger på VDI 2206 guideline (proposal, 2003) for the development of mechatronic units. Brukerkrav Brukertest Operasjonelt system Systemkrav Systemtest Komplett system Integrasjonstest System- Sammenstilling design SW,E,M Komponenttest SW,E,M Komponentdesign Komponenter SW,E,M SW,E,M For å lære studentene mekatronisk produktutvikling får de et problem de må løse. Studentene går da gjennom følgende faser: 1. Problemformulering 2. Målformulering 3. Kartlegging av hva de kan om dette 4. Systematisering og anvendelse av det de kan i forhold til dette problemet 5. Kartlegging av læringsbehovet - formulering av mål for læring 6. Individuell kunnskaps- og informasjonsleting 7. Design av produktet (se fig over) Lærerens oppgave er å fungere som los, passe på at gruppen ikke kommer ut av kurs, gi tips, veiledning og korreksjon underveis. 11
10 Hva oppnås med produktbasert læring? Gjøre studentene kjent med problemer som de vil møte i det virkelige livet som ingeniør Sikre at studentene har kunnskaper til å forstå og er i stand til å bearbeide slike problemer Sikre at studentene er i stand til å anvende denne kunnskapen Utvikle evnen til å formulere problemer og løse dem Utvikle evnen til å gjennomføre Utvikle evnen til å være en del av og lede problemløsning i et fellesskap Utvikle evnen til å håndtere de emosjonelle sider av fellesskap og lederskap Utvikle evnen til selvstyrt læring Litteraturreferanser [1] Department of Mechanical Engineering at the Massachusetts Institute of Technology http://pergatory.mit.edu/automation/research.htm [2] J. Buur, Mechatronics Design in Japan. Institute for Engineering Design, Technical University Denmark, 1989 [3] Kultur- og kyrkjedepartementet, St.meld. nr. 48 http://odin.dep.no/repub/02-03/stmld/48/ [4] VDI 2206 Design methodology for mechatronic systems, ICS 03.100.40; 31.220, June 2004 (VDI) Verein Deutscher Ingenieure 12