高校機(jī)電一體化技術(shù)課程教學(xué)模式改革*

◆張麗秀 張珂 吳玉厚 王麗艷

高校機(jī)電一體化技術(shù)課程教學(xué)模式改革*

◆張麗秀 張珂 吳玉厚 王麗艷

機(jī)電一體化技術(shù)是一門綜合性很強(qiáng)的課程，對(duì)培養(yǎng)機(jī)械類應(yīng)用型人才具有重要作用。從課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及考核方式改革入手，形成適應(yīng)課程本身特點(diǎn)的教學(xué)模式，提高學(xué)生的實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力。

機(jī)電一體化技術(shù)；教學(xué)模式改革；實(shí)驗(yàn)

1 引言

“機(jī)電一體化技術(shù)”是機(jī)械類專業(yè)的一門綜合性、應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，是多種學(xué)科相互交叉、滲透而形成的一門綜合性技術(shù)學(xué)科，是機(jī)械行業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、科學(xué)研究的重要工具，對(duì)于培養(yǎng)具有一定創(chuàng)新能力的現(xiàn)代化機(jī)械類應(yīng)用型人才具有重要的作用?！皺C(jī)電一體化技術(shù)”課程傳統(tǒng)的教學(xué)方法只是對(duì)先修課程的簡(jiǎn)單重復(fù)，缺乏對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐性及綜合性訓(xùn)練，學(xué)生感到難以致用，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣逐漸喪失。因此，在“機(jī)電一體化技術(shù)”課程教學(xué)活動(dòng)中，改革現(xiàn)行的教學(xué)模式，尋求體現(xiàn)“機(jī)電一體化技術(shù)”課程教學(xué)特點(diǎn)的教學(xué)方法及手段成為當(dāng)務(wù)之急。

隨著機(jī)械工業(yè)的蓬勃發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)機(jī)械類專業(yè)的高等教育越來(lái)越注重實(shí)踐性、應(yīng)用性及前沿性。德國(guó)機(jī)電一體化專業(yè)課程體系建設(shè)是通過校企合作和工學(xué)結(jié)合的形式，以學(xué)習(xí)者專業(yè)能力、方法應(yīng)用能力和適應(yīng)社會(huì)能力等綜合職業(yè)能力培養(yǎng)為本位，以市場(chǎng)需求為目標(biāo)，以就業(yè)為導(dǎo)向，將學(xué)習(xí)和工作要素相結(jié)合，并通過分析與綜合，把工作過程的各個(gè)部分按一定的順序，導(dǎo)入課程體系中以構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體。美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)系提出“機(jī)電一體化”課程改革思路，在學(xué)期項(xiàng)目中預(yù)定實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案決定課程內(nèi)容[1]。馬來(lái)西亞莫納什大學(xué)工程學(xué)院在機(jī)電一體化課程教學(xué)過程中從工程項(xiàng)目出發(fā)，將傳統(tǒng)教學(xué)和項(xiàng)目講座相結(jié)合，有效為學(xué)生提供實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)[2]。

南京航空航天大學(xué)在機(jī)電一體化課程教學(xué)改革中，將科研成果引入課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，自主研發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，簡(jiǎn)化項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容，研究一體化的系統(tǒng)教學(xué)法，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生綜合素質(zhì)[3]。鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院采用開放式的課堂教學(xué)，基于MATLAB的虛擬實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)及基于案例的多種教學(xué)方法進(jìn)行機(jī)電一體化技術(shù)課程的教學(xué)方法改革，提高了學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣[4]。石家莊鐵道學(xué)院將“發(fā)現(xiàn)體驗(yàn)學(xué)習(xí)”理論應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)中，通過機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織多方面采取措施，提高機(jī)電一體化技術(shù)的課程教學(xué)質(zhì)量[5]。

此外，昆明理工大學(xué)為了切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的電機(jī)及控制技術(shù)的綜合應(yīng)用能力，進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)電結(jié)合，取得良好的教學(xué)效果，從課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等方面并結(jié)合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的教學(xué)實(shí)例，對(duì)“機(jī)電傳動(dòng)控制”研究型教學(xué)進(jìn)行了一些有益的探討[6]。揚(yáng)州大學(xué)基于Capstone-CDIO教學(xué)理念，從知識(shí)項(xiàng)目化、學(xué)科交叉化、項(xiàng)目平臺(tái)化三方面進(jìn)行課程體系實(shí)踐優(yōu)化，通過調(diào)研技能、知識(shí)構(gòu)建、問題解決、團(tuán)隊(duì)技能四方面進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，為應(yīng)用型、創(chuàng)新型機(jī)電一體化人才培養(yǎng)打下良好基礎(chǔ)[7]。南華大學(xué)針對(duì)機(jī)械大類開設(shè)的檢測(cè)與控制系列課程現(xiàn)狀，提出面向機(jī)電一體化方向整合優(yōu)化課程體系和教學(xué)內(nèi)容的教改目標(biāo)，改變傳統(tǒng)教學(xué)中電、機(jī)分離的教學(xué)方式，有效引導(dǎo)學(xué)生形成良好的機(jī)電合一的認(rèn)識(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量[8]。

國(guó)內(nèi)高校關(guān)于機(jī)電一體化專業(yè)人才的教育改革各有特色，但與國(guó)外教學(xué)水平相比，仍處于初級(jí)階段，還沒有形成系統(tǒng)的改革方案。建立適應(yīng)“機(jī)電一體化技術(shù)”課程本身特點(diǎn)的教學(xué)模式任重而道遠(yuǎn)。

圖1 課程教學(xué)改革思路

2 “機(jī)電一體化技術(shù)”課程教學(xué)改革思路

從“機(jī)電一體化技術(shù)”課程實(shí)踐性、綜合性特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行教學(xué)改革，是高校培養(yǎng)應(yīng)用型機(jī)械類人才的關(guān)鍵?！皺C(jī)電一體化技術(shù)”課程教學(xué)改革主要包括教學(xué)內(nèi)容改革、教學(xué)方法改革、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革及考核方式改革四個(gè)方面，總體改革思路如圖1所示。

1）教學(xué)內(nèi)容的改革，針對(duì)機(jī)電一體化課程的自身特點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容上避免簡(jiǎn)單重復(fù)先修課的已有知識(shí)，從機(jī)電融合的角度出發(fā)，以等效性和互補(bǔ)性為出發(fā)點(diǎn)，采用系統(tǒng)工程觀點(diǎn)和方法，改革機(jī)電一體化課程的教學(xué)內(nèi)容。

2）教學(xué)方法的改革，注重引進(jìn)本學(xué)科的科研成果，利用科研過程中設(shè)備創(chuàng)新的經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，并根據(jù)學(xué)生的實(shí)際能力水平合理細(xì)化、簡(jiǎn)化項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容，構(gòu)建理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、項(xiàng)目研究一體化的系統(tǒng)教學(xué)法，以實(shí)驗(yàn)操作促進(jìn)理論學(xué)習(xí)，以項(xiàng)目研究提升綜合應(yīng)用能力。

3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革，機(jī)電一體化作為一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，所涵蓋的內(nèi)容是十分寬泛的，涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、控制及軟件編程等綜合性知識(shí)和技術(shù)，考慮接受創(chuàng)新教育學(xué)生的理解、編程、器材加工能力以及教育的連續(xù)性，使學(xué)生能夠設(shè)計(jì)出從簡(jiǎn)單到復(fù)雜各種層次和各種不同水平的機(jī)電一體化創(chuàng)新產(chǎn)品，遵循深入淺出的原則，改革機(jī)電一體化技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使其涵蓋基本技能訓(xùn)練、綜合實(shí)踐能力訓(xùn)練及創(chuàng)新能力培養(yǎng)等幾個(gè)不同層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

4）考核方式的改革，改變以理論考核為主、實(shí)踐技能考核為輔的做法，加大實(shí)踐技能考核的比例，探尋能夠鍛煉學(xué)生的書面表達(dá)能力，提高學(xué)生獨(dú)立動(dòng)腦能力及實(shí)際動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新動(dòng)力，提高學(xué)生針對(duì)實(shí)際工程問題的分析能力、解決工程問題的能力的考核方案。

3 “機(jī)電一體化技術(shù)”課程教學(xué)改革實(shí)施方案

教學(xué)內(nèi)容改革實(shí)施方案 教學(xué)內(nèi)容的改革將從機(jī)電一體化技術(shù)的五大要素出發(fā)，以電能作為主要?jiǎng)恿υ?，確定機(jī)械系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感檢測(cè)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的具體教學(xué)內(nèi)容。其中，機(jī)械系統(tǒng)注重與傳統(tǒng)機(jī)械學(xué)的區(qū)別，重點(diǎn)介紹機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，精密機(jī)械零件的設(shè)計(jì)與選擇過程；執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，除介紹開環(huán)系統(tǒng)中常用的步進(jìn)電機(jī)選擇與計(jì)算外，還要介紹常用伺服電機(jī)的選擇以及無(wú)級(jí)調(diào)速用變頻器應(yīng)用；在傳感檢測(cè)系統(tǒng)中，以常用光柵尺及編碼器為對(duì)象，介紹光柵尺及編碼器的特點(diǎn)、選擇及使用方法；在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，以PLC為主，介紹PLC在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例。

教學(xué)方法改革實(shí)施方案 在整合優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以學(xué)科現(xiàn)有的科研項(xiàng)目為基礎(chǔ)，通過對(duì)科研任務(wù)的簡(jiǎn)化，確定適合機(jī)電一體化技術(shù)的教學(xué)方案，并建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在教學(xué)過程中通過對(duì)項(xiàng)目的分析、討論、實(shí)施、實(shí)驗(yàn)、總結(jié)等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”與“學(xué)中做”的有機(jī)結(jié)合。如以學(xué)科科研項(xiàng)目“異型石材車銑加工中心”為對(duì)象，將加工中心機(jī)械部分分為橫梁、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、主軸頭、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等模塊，為學(xué)生講解系統(tǒng)中齒輪、滾珠絲杠等傳動(dòng)系統(tǒng)及支撐部件的設(shè)計(jì)方法。

由于加工中心控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，不適合教學(xué)，因此在“機(jī)電一體化技術(shù)”課程其他要素的講解中，可以自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，即通過對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床的改造，使改造后的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)、PLC控制系統(tǒng)、檢測(cè)工作臺(tái)位移的光柵尺、檢測(cè)電機(jī)位移及轉(zhuǎn)速的編碼器。將自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)改造過程作為工程實(shí)例穿插于理論教學(xué)中。此外，在理論教學(xué)中充分利用現(xiàn)代綜合教育技術(shù)，抓好多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在課堂教學(xué)中的普及應(yīng)用，利用影像、動(dòng)畫等豐富的多媒體信息，提高課堂教學(xué)的生動(dòng)性。

表1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方案

圖2 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)路線實(shí)例

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革實(shí)施方案 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)建設(shè)，積極開發(fā)面向知識(shí)群應(yīng)用的模塊化實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練學(xué)生的基本技能，設(shè)計(jì)面向解決問題的綜合性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，提供面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的開放性創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程意識(shí)，是機(jī)電一體化技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革的宗旨。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。

考核方式改革實(shí)施方案 采用理論考試、實(shí)驗(yàn)考核、創(chuàng)新設(shè)計(jì)及作品闡述等多種方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，綜合考核學(xué)生對(duì)機(jī)電一體化概念的理解能力，知識(shí)運(yùn)用能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、寫作能力及創(chuàng)新能力。其中理論考試分為階段考試與期末考試，包括基礎(chǔ)性試題、綜合性試題。創(chuàng)新設(shè)計(jì)及作品闡述分組進(jìn)行，產(chǎn)品設(shè)計(jì)題目自擬，在課程之初即開始實(shí)施，期末上交設(shè)計(jì)作品。實(shí)驗(yàn)考核采取自擬題目和規(guī)定題目相結(jié)合的方式，即以表1中的PLC運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)作為考核項(xiàng)目，通過自行設(shè)計(jì)如圖2所示的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)路線及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，完成工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制。具體考核實(shí)施路線如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

圖3 實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力考核思路

高等教育機(jī)械類專業(yè)注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力，這些能力的培養(yǎng)可以借助專業(yè)課的訓(xùn)練獲得。“機(jī)電一體化技術(shù)”課程具有綜合性及實(shí)踐性，是培養(yǎng)學(xué)生上述能力的重要平臺(tái)。在“機(jī)電一體化技術(shù)”課程的教學(xué)改革中，通過教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及考核方式的綜合改革，并在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)2010、2011級(jí)學(xué)生中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取得了較好的教學(xué)成果，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力。

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Teaching Mode Reform of Mechatronics in Colleges

ZHANG Lixiu，ZHANG Ke，WU Yuhou，WANG Liyan

The curriculum of mechatronics is a comprehensive and strong practicability. It plays an important role for cultivation of Applied Talents and innovation ability. Starting from the teaching content, teaching method, experiment contents and evaluation methods, this paper forms the teaching mode to meet its own characteristics. The application of the teaching mode reform measures has certain reference function to improve the practice ability and innovation ability of students.

electromechanical integration technology; teaching mode reform; experiment

G642.0

B

1671-489X(2014)08-0089-04

10.3969/j.issn.1671-489X.2014.08.089

教育部第四批高等學(xué)校特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)（TS11322）；2012年度遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究立項(xiàng)項(xiàng)目。

作者：張麗秀，博士，沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通與機(jī)械工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)；張珂、吳玉厚、王麗艷，沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通與機(jī)械工程學(xué)院（110168）。