基于卓越計(jì)劃的機(jī)電專業(yè)電控類課程教學(xué)改革

唐煒　王紅茹　李忠國(guó)

摘??? 要：為適應(yīng)應(yīng)用型本科卓越工程師計(jì)劃提出的人才培養(yǎng)新要求，文章以學(xué)生工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)，介紹了江蘇科技大學(xué)機(jī)電專業(yè)電控類課程群在理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課外科技創(chuàng)新活動(dòng)等方面所采取的案例式、項(xiàng)目式、CDIO等教學(xué)改革方法及其實(shí)踐探索，以實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合，從而使卓越計(jì)劃學(xué)生具有在機(jī)電控制領(lǐng)域解決復(fù)雜工程問(wèn)題的專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：卓越工程師;電控類課程;教學(xué)改革;工程實(shí)踐能力

中圖分類號(hào)：G642.0????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????? 文章編號(hào)：1002-4107（2019）04-0027-03

“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）是我國(guó)高等教育中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中的一個(gè)重大改革項(xiàng)目，旨在培養(yǎng)一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需要的優(yōu)秀工程技術(shù)人才[1]。江蘇科技大學(xué)是一所以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的普通高校，于2011年成為教育部批準(zhǔn)實(shí)施“卓越計(jì)劃”的試點(diǎn)高校之一。

機(jī)械電子工程專業(yè)涉及力學(xué)、機(jī)械工程、電工電子、自動(dòng)控制、信息處理、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等多學(xué)科知識(shí)，綜合應(yīng)用性強(qiáng)。電控類課程在整個(gè)課程體系中占有重要的地位，是培養(yǎng)學(xué)生工程綜合素質(zhì)和實(shí)踐創(chuàng)新能力的重要載體。但傳統(tǒng)教學(xué)模式存在以下問(wèn)題[2]：1.課堂教學(xué)所占比重偏大，教學(xué)模式陳舊，教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)有脫節(jié);2.課程內(nèi)驗(yàn)證/演示性實(shí)驗(yàn)偏多，工程背景不強(qiáng)、綜合/設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目缺乏;3.課程群內(nèi)容缺少整合與優(yōu)化，學(xué)科前沿知識(shí)、新技術(shù)應(yīng)用等融入課堂的力度不夠;4.課程教學(xué)與學(xué)生課外科技實(shí)踐結(jié)合度不高，學(xué)以致用效果有待加強(qiáng);5.實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放程度不夠，設(shè)備利用率不高，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力訓(xùn)練不充分，解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力薄弱。

江蘇科技大學(xué)機(jī)電專業(yè)如何在實(shí)施“卓越計(jì)劃”這一大背景下，結(jié)合機(jī)械工程師培養(yǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)校標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)電控類課程大力度的教學(xué)改革，使學(xué)生真正具有卓越工程師所必備的工程素質(zhì)和創(chuàng)新意識(shí)，成為專業(yè)建設(shè)中必須認(rèn)真思考的問(wèn)題。本文在分析機(jī)電專業(yè)電控類課程知識(shí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、課外科技創(chuàng)新活動(dòng)等方面闡述了一些切實(shí)可行的教學(xué)模式和教改措施，以期探索更高效的教學(xué)方法和手段，使機(jī)電專業(yè)學(xué)生具有卓越工程師所必備的工程綜合素質(zhì)和實(shí)踐創(chuàng)新精神。

一、電控類課程設(shè)置

現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，尤其是中國(guó)制造2025戰(zhàn)略的提出，對(duì)機(jī)電工程人才知識(shí)結(jié)構(gòu)提出了更高要求，機(jī)電專業(yè)必須構(gòu)建以現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法、先進(jìn)機(jī)械制造技術(shù)和機(jī)電控制自動(dòng)化技術(shù)三大主線為支撐的教學(xué)體系。江蘇科技大學(xué)機(jī)電專業(yè)電控類課程主要包括“微機(jī)原理與接口技術(shù)”“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”“機(jī)械設(shè)備電氣控制”“機(jī)電傳動(dòng)與控制”和“數(shù)控技術(shù)”等主干課程以及“機(jī)電控制基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)”“專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)”“專業(yè)綜合獨(dú)立授課實(shí)驗(yàn)”“開(kāi)放選修實(shí)驗(yàn)”和課外創(chuàng)新科技實(shí)踐（第二課堂）等實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐性環(huán)節(jié)。

二、理論教學(xué)改革

理論教學(xué)的改革要求教師在發(fā)揮傳統(tǒng)教學(xué)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，應(yīng)積極地探索更高效、開(kāi)放的教學(xué)方法與手段?！白吭接?jì)劃”要求強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力，而電控類課程教學(xué)內(nèi)容較為枯燥、概念大多抽象、理解相對(duì)困難，因此必須通過(guò)多種途徑對(duì)理論教學(xué)進(jìn)行改革。在此以“微機(jī)原理與接口技術(shù)”為例，介紹所采取的一些措施和方法。

（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

機(jī)電專業(yè)多年來(lái)一直堅(jiān)持選用51單片機(jī)作為教學(xué)機(jī)型。目前，本課程已對(duì)單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)擴(kuò)展以及各功能部件應(yīng)用等內(nèi)容進(jìn)行了整合與優(yōu)化，在學(xué)時(shí)有限的課堂上不追求面面俱到，重點(diǎn)把握單片機(jī)技術(shù)共性知識(shí)點(diǎn)，并且以應(yīng)用實(shí)例剖析為教學(xué)主線，幫助學(xué)生掌握單片機(jī)基本應(yīng)用技術(shù)，了解單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在軟硬件兩方面都具備初步的調(diào)試與維護(hù)能力。

（二）以實(shí)際應(yīng)用為落腳點(diǎn)

受客觀條件限制，單片機(jī)教學(xué)難以真正做到“即學(xué)即用”。引入proteus軟件和Keil C51開(kāi)發(fā)環(huán)境，使學(xué)生可隨時(shí)仿效單片機(jī)及其外圍電路，并結(jié)合匯編或C51程序設(shè)計(jì)，建立接近實(shí)際應(yīng)用的軟硬件仿真系統(tǒng);補(bǔ)充介紹PCB設(shè)計(jì)流程，使學(xué)生了解如何將“紙上談兵”的電路圖最終做成實(shí)物，增加學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)可度，切實(shí)做到“學(xué)以致用”。

（三）基于校園網(wǎng)建設(shè)課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂

因?qū)W時(shí)數(shù)的局限，為提高教學(xué)效率，本課程構(gòu)建了不受時(shí)空限制的網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，并增設(shè)了討論、答疑等師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，有效拓展了課堂教學(xué)的深度和廣度。目前網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂主要模塊包括教學(xué)計(jì)劃、授課內(nèi)容、習(xí)題與思考、自主測(cè)試、答疑與互動(dòng)、作業(yè)批閱、課程實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)踐、創(chuàng)新計(jì)劃、課外科技競(jìng)賽、工程設(shè)計(jì)案例、學(xué)生作品、視野拓展等。

（四）微課教學(xué)資源的建設(shè)

微課是近年來(lái)興起的一種輔助教學(xué)形式，它以視頻為主要載體，是一種情景化的在線視頻課程資源。本課程近年來(lái)加強(qiáng)了微視頻等教學(xué)資源的建設(shè)力度，應(yīng)用效果良好。如在講解“指令執(zhí)行過(guò)程”“指令執(zhí)行時(shí)序”等重要知識(shí)點(diǎn)時(shí)，僅靠一遍課堂講解，學(xué)生對(duì)“控制信號(hào)流、地址信息流、數(shù)據(jù)流在不同功能部件之間的傳遞過(guò)程”的理解大多不到位。這就要求學(xué)生在課后進(jìn)行反復(fù)咀嚼才能消化，凸顯了微視頻等教學(xué)資源的重要性。

（五）改革課程教學(xué)模式

講授過(guò)程中，始終堅(jiān)持以“智能機(jī)器人小車”作為軟硬件剖析對(duì)象，并采用案例式教學(xué)模式組織教學(xué)，努力探索討論式、參與式、研究式等多種教學(xué)形式，在課堂教學(xué)中做到傳授理論知識(shí)和培養(yǎng)實(shí)踐能力相結(jié)合。表1為采用案例式教學(xué)模式的相關(guān)授課內(nèi)容，具體要求和實(shí)施細(xì)節(jié)提前在網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂中向?qū)W生公布。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程綜合素質(zhì)、動(dòng)手實(shí)踐能力的最重要環(huán)節(jié)。卓越計(jì)劃背景下，對(duì)學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)必須作為主線貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。江蘇科技大學(xué)機(jī)電專業(yè)電控類課程構(gòu)建了課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、課外實(shí)踐等一體化的實(shí)踐教學(xué)體系，其中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目又分成演示性、驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性、開(kāi)放選修等層次，以使學(xué)生綜合實(shí)踐能力能得到螺旋式提升。在此僅介紹在《機(jī)電專業(yè)綜合獨(dú)立授課實(shí)驗(yàn)》中，采用項(xiàng)目式教學(xué)方法的一些體會(huì)[3]。

項(xiàng)目式教學(xué)是一種基于建構(gòu)主義教學(xué)理論的新模式，要求通過(guò)一個(gè)完整的項(xiàng)目實(shí)施來(lái)組織教學(xué)。它強(qiáng)調(diào)：學(xué)生是知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)者，教師是教學(xué)過(guò)程的組織/指導(dǎo)者。在實(shí)施早期，教師與學(xué)生充分交流技術(shù)路線，由學(xué)生確定總體方案;隨著項(xiàng)目深入，越來(lái)越多的內(nèi)容由學(xué)生獨(dú)立完成，教師只須定期檢查進(jìn)展，并對(duì)難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行指導(dǎo);而在后期，學(xué)生完全成為項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的中心，教師更多是扮演咨詢師的角色;最終由學(xué)生按規(guī)范提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告并答辯。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)須注重：實(shí)用性：項(xiàng)目應(yīng)具有較強(qiáng)工程應(yīng)用價(jià)值，并與專業(yè)實(shí)踐技能訓(xùn)練緊密結(jié)合;可行性：盡量貼近機(jī)電工程項(xiàng)目，須在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行全過(guò)程;難度適中：難度過(guò)大，易導(dǎo)致學(xué)生望而生畏，無(wú)從下手;難度過(guò)低，達(dá)不到真刀真槍的要求;綜合性：訓(xùn)練量充分，軟硬結(jié)合，尤其強(qiáng)調(diào)電控類課程群知識(shí)的集成與融合。

以“智能小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”項(xiàng)目為例，其教學(xué)實(shí)施全流程為：需求分析—項(xiàng)目調(diào)研—總體設(shè)計(jì)—機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—電路設(shè)計(jì)—線路板設(shè)計(jì)—元器件焊接—硬件調(diào)試—軟件編程—軟件調(diào)試—軟硬聯(lián)調(diào)—性能測(cè)試—資料歸檔。該項(xiàng)目安排在第七學(xué)期相對(duì)分散進(jìn)行，學(xué)生可根據(jù)自身興趣愛(ài)好自行組隊(duì)，每團(tuán)隊(duì)4人，全隊(duì)協(xié)作完成方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試和報(bào)告撰寫等任務(wù)，但每個(gè)成員具體分工各有側(cè)重，如分別負(fù)責(zé)方案選擇、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、線路板制作等部分。實(shí)施過(guò)程中，教師定期進(jìn)行必要的技術(shù)指導(dǎo)、進(jìn)度協(xié)調(diào)、答疑等工作。每個(gè)團(tuán)隊(duì)最終提交一套實(shí)物樣機(jī)，撰寫技術(shù)報(bào)告，并完成現(xiàn)場(chǎng)答辯。

四、課外科技創(chuàng)新實(shí)踐

近年來(lái)，各類大學(xué)生課外科技競(jìng)賽活動(dòng)越來(lái)越豐富，如全國(guó)性的挑戰(zhàn)杯賽、機(jī)器人大賽和省級(jí)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽等，為機(jī)電專業(yè)學(xué)生課外科技創(chuàng)新實(shí)踐提供了廣闊舞臺(tái)。任課教師可利用這些活動(dòng)作為實(shí)踐教學(xué)改革的切入點(diǎn)，積極探索創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，既給予學(xué)生必備的科研素養(yǎng)訓(xùn)練，又充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。目前，江蘇科技大學(xué)本科生創(chuàng)新計(jì)劃是在第二課堂面向全體大三學(xué)生設(shè)立的一項(xiàng)課外科技創(chuàng)新活動(dòng)，研究周期約1年。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，教師采用CDIO教學(xué)模式指導(dǎo)，在此略做介紹。

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），是在我國(guó)逐步推廣的一種全新工程教育理念和實(shí)施體系。它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程[4]。該模式下，既要培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識(shí)和技能解決工程實(shí)際問(wèn)題的專業(yè)綜合素質(zhì)，又要讓學(xué)生掌握集社會(huì)、科技、人文為一體的大系統(tǒng)適應(yīng)與調(diào)控能力、團(tuán)隊(duì)交流能力、工程思維方法和實(shí)踐創(chuàng)新精神[5]。

本課程群所涉項(xiàng)目既可由學(xué)生根據(jù)興趣專業(yè)自行擬定，也可從教師承擔(dān)的科研課題中進(jìn)行提煉。表2以2017年本創(chuàng)項(xiàng)目“全向移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人”為例，說(shuō)明了CDIO教學(xué)模式在本創(chuàng)計(jì)劃中的實(shí)施全過(guò)程。

CDIO運(yùn)行模式下，在項(xiàng)目實(shí)施中的不同階段，對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)側(cè)重點(diǎn)不同。在構(gòu)思階段，主要完成文獻(xiàn)檢索、整理、創(chuàng)新思維、概念設(shè)計(jì);在設(shè)計(jì)階段，主要完成工程設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算、建模與仿真、可行性評(píng)估;在實(shí)現(xiàn)階段，主要完成硬/軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試方法、工程實(shí)踐技能、系統(tǒng)測(cè)試、項(xiàng)目組織管理、團(tuán)隊(duì)協(xié)作;在運(yùn)作階段，主要完成系統(tǒng)優(yōu)化、表達(dá)與交流、技術(shù)報(bào)告撰寫、答辯及驗(yàn)收。由此看出，通過(guò)一個(gè)完整項(xiàng)目的充分訓(xùn)練后，學(xué)生無(wú)疑在文獻(xiàn)檢索、工程設(shè)計(jì)、工程思維、綜合實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、交流溝通、書面表達(dá)等方面的能力會(huì)得到逐步強(qiáng)化。

“卓越計(jì)劃”重視工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式改革，強(qiáng)調(diào)學(xué)生工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，這給機(jī)電專業(yè)電控類課程教學(xué)改革提出了新要求，任課教師必須主動(dòng)面向工程應(yīng)用，不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，豐富教學(xué)手段，加強(qiáng)實(shí)踐性環(huán)節(jié)，全方位地提高教學(xué)質(zhì)量。近年來(lái)實(shí)踐表明：在機(jī)電專業(yè)電控類課程教學(xué)改革中，采用“課堂講授—課內(nèi)實(shí)驗(yàn)—綜合實(shí)踐—網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂—本創(chuàng)計(jì)劃”的立體化教學(xué)形式不失為一種行之有效的教學(xué)改革途徑，這不僅可有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還有利于全面提高學(xué)生的工程綜合素質(zhì)、實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。

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