“機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析

摘要：針對當(dāng)前“機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的教材和教學(xué)內(nèi)容與先修課程重復(fù)率高、教學(xué)難度大的問題，提出了科研項(xiàng)目縱貫整個教學(xué)過程、理論聯(lián)系和學(xué)習(xí)新技術(shù)、適當(dāng)引入和介紹實(shí)用的專業(yè)軟件等方法，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在高年級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)學(xué)生中收到了良好的教學(xué)效果，能為學(xué)生進(jìn)行專業(yè)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)提供幫助，使學(xué)生更好地適應(yīng)社會人才需求。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；教學(xué)內(nèi)容；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0094-02

“機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”是很多高校為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)高年級本、?？粕_設(shè)的一門專業(yè)課，旨在為高年級學(xué)生理清前三年的各專業(yè)課間的關(guān)系，能夠以系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法去分析和設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)，一般應(yīng)為原專業(yè)基礎(chǔ)知識的鞏固和加深。但是又因?yàn)槠浒j(luò)了前面學(xué)習(xí)階段學(xué)過的多門課，教材大而全，教學(xué)難度大，容易落得泛而不精、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低的教學(xué)結(jié)果。筆者通過總結(jié)多年的“機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出了幾種對此課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的方法，供同行參考。

一、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法

1.具體科研項(xiàng)目縱貫整個教學(xué)過程

一般“機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的教材和教學(xué)內(nèi)容逐個介紹機(jī)電一體化系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容、要求、方法等，每個子系統(tǒng)對應(yīng)于一章的內(nèi)容，比如說機(jī)械系統(tǒng)、執(zhí)行元件系統(tǒng)、微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等，[1]因每章內(nèi)容講求系統(tǒng)全面，內(nèi)容眾多，這就造成了章與章之間缺乏有機(jī)聯(lián)系，使得學(xué)生學(xué)起來對整個機(jī)電一體化概念缺乏深刻和系統(tǒng)的認(rèn)識。而實(shí)際機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、信息處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)品，各部分不可能完全脫節(jié)。為了解決以上問題，筆者探究了一種以自身科研項(xiàng)目為主導(dǎo)的教學(xué)脈絡(luò)的機(jī)電一體化教學(xué)方法。

微機(jī)電系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)發(fā)展的一個重要分支，對于大多數(shù)本科生，在學(xué)習(xí)本課程之前一般都沒有接觸過，是一個較新而且又容易勾起學(xué)生興趣的一個概念。筆者選擇適時在第一章介紹機(jī)電一體化發(fā)展方向時提出，這個是一個機(jī)電一體化發(fā)展到某一高度的重要產(chǎn)物，并介紹了筆者曾經(jīng)主持的科研項(xiàng)目“體內(nèi)膠囊微機(jī)電系統(tǒng)的研制”。筆者研制的體內(nèi)膠囊微機(jī)電系統(tǒng)是綜合應(yīng)用當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的產(chǎn)物，它是采用了小尺寸的機(jī)械和電子元器件制造出來的、體積微小的機(jī)電一體化系統(tǒng)，系統(tǒng)的尺寸單位一般以mm計(jì)算。[2]它能通過圖像傳感器采集體內(nèi)消化道圖像，并且無線發(fā)射到體外計(jì)算機(jī)接收。筆者簡要介紹了系統(tǒng)的組成（如圖1所示），并配以豐富的圖片和視頻介紹系統(tǒng)工作效果，立刻吸引了學(xué)生的注意力。又因?yàn)槲C(jī)電系統(tǒng)技術(shù)包含了傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械及材料技術(shù)等，隨著本課程學(xué)習(xí)的深入，在課程的后面更加詳細(xì)地闡述每一個相關(guān)的技術(shù)具體所涉及的內(nèi)容，同學(xué)們會對此系統(tǒng)有更深刻的了解。在這里就憑借科研項(xiàng)目打開了學(xué)生機(jī)電一體化技術(shù)學(xué)習(xí)的大門和使得它縱貫整個教學(xué)過程，使得教學(xué)內(nèi)容成為一個有機(jī)整體。

2.理論聯(lián)系和學(xué)習(xí)新技術(shù)

“機(jī)械工程測試技術(shù)”課程中曾經(jīng)介紹過傳感器的相關(guān)技術(shù)，在“機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的教材中也出現(xiàn)了“微機(jī)控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(jì)”這一章，里面通過很多表格羅列了位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等常用檢測傳感器的性能特點(diǎn)。但是課程這里又不能只是重復(fù)講述以前所學(xué)知識，所以筆者考慮加入適當(dāng)內(nèi)容，對傳感器知識進(jìn)行拓展。

上文提到的微機(jī)電系統(tǒng)中含有圖像傳感器，它與一般的傳感器不同，它是以芯片集成的方式出現(xiàn)和應(yīng)用的，在先修課程“機(jī)械工程測試技術(shù)”中一般都沒有涉及。先修課程介紹的常用傳感器的原理及應(yīng)用場合都比較簡單，基于電阻、電容、電感原理測量應(yīng)變、力、溫度等等，屬于傳統(tǒng)的分立電子元器件，集成度低。但圖像傳感器現(xiàn)在與日常生活及生產(chǎn)的聯(lián)系越來越密切，廣泛應(yīng)用于圖像采集裝置，比如手機(jī)攝像頭、數(shù)碼相機(jī)、監(jiān)控防盜器材、機(jī)器視覺等等。圖像傳感器能將光信號轉(zhuǎn)化成電信號輸出，按照其制造工藝分為CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor）圖像傳感器和CCD（Charge Coupled Device）圖像傳感器，按照其輸出信號類型分為模擬型圖像傳感器和數(shù)字型圖像傳感器，各有優(yōu)缺點(diǎn)和相應(yīng)的應(yīng)用場合，如表1所示。在課程一開始提到的內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)為什么采用CMOS圖像傳感器呢？這是因?yàn)镃MOS圖像傳感器相對于CCD圖像傳感器有集成度高、體積小、功耗低等特點(diǎn)，所以尤其適合于對體積和功耗有特殊要求的微機(jī)電系統(tǒng)中。[3]

又比如電阻傳感器與電容傳感器，是根據(jù)傳感器測量原理劃分的兩種常見傳感器，它們分別將電阻和電感這種非電量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流電參量的變化。學(xué)生們?nèi)粘Ｉ罱佑|到的實(shí)際例子就是智能手機(jī)的觸摸屏。智能手機(jī)手機(jī)觸摸屏分為電阻式觸摸屏和電容式觸摸屏，它們分別應(yīng)用于早期的廉價(jià)智能手機(jī)（比如5800XM）和新型智能手機(jī)上（比如iPhone），其實(shí)質(zhì)就是分別對應(yīng)于電阻式傳感器和電容式傳感器，其原理如圖2所示。電阻式觸摸屏當(dāng)手指按在觸摸屏上時，該處兩層導(dǎo)電層接觸，電阻發(fā)生變化，在X和Y兩個方向上產(chǎn)生信號，然后送觸摸屏控制器。氧化物電阻隨時間變化，需要經(jīng)常校正；透光性較差，不能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸。電容觸摸屏只采用單層的ITO（由銦錫氧化物構(gòu)成透明導(dǎo)電材料），當(dāng)手指觸摸屏表面時，就會有一定量的電荷轉(zhuǎn)移到人體。為了恢復(fù)這些電荷損失，電荷從屏幕的四角補(bǔ)充進(jìn)來，各方向補(bǔ)充的電荷量和觸摸點(diǎn)的距離成比例，由此推算出觸摸點(diǎn)的位置。[4]電容式觸摸屏因?yàn)槠洳淮嬖谄坪椭С侄帱c(diǎn)觸摸，已經(jīng)在日常生活中逐漸取代了電阻式觸摸屏，這就引導(dǎo)學(xué)生在日常生活中靈活運(yùn)用課堂知識，增強(qiáng)了對課堂知識的認(rèn)受性和學(xué)習(xí)的興趣。

3.適當(dāng)引入和介紹實(shí)用的專業(yè)軟件

大學(xué)早期階段一些與專業(yè)相關(guān)的軟件沒有在課堂上面介紹，影響了學(xué)生今后在專業(yè)上的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用專業(yè)知識的能力。筆者建議在高年級學(xué)生中適當(dāng)引入和介紹以下專業(yè)軟件。

（1）ANSYS軟件。應(yīng)用相關(guān)軟件可以大大方便機(jī)械結(jié)構(gòu)的受力和變形分析。ANSYS軟件可以用有限單元法分析結(jié)構(gòu)靜力學(xué)問題、結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題、溫度場、流體力學(xué)等。有限單元法是當(dāng)今工程技術(shù)領(lǐng)域中最常用最有效的數(shù)值計(jì)算方法，此軟件是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)技術(shù)中的重要軟件。[5]可以應(yīng)用ANSYS軟件分析課程中提到的膠囊微機(jī)電系統(tǒng)在人體中的受力情況，從而為微機(jī)電系統(tǒng)的材料選擇和尺寸確定提供參考。

（2）MATLAB軟件。學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等數(shù)學(xué)知識，但是如果遇到復(fù)雜的計(jì)算問題，手算過程往往繁雜并且容易出錯，因此借助相關(guān)軟件就可以準(zhǔn)確并且高效率地解決某些數(shù)學(xué)問題。MATLAB軟件是工程技術(shù)領(lǐng)域常見的計(jì)算軟件，通過它可以方便地求微積分、求解方程組、作出數(shù)學(xué)圖形等。[6]通過應(yīng)用MATLAB軟件，計(jì)算機(jī)再不是簡單的計(jì)算器，而是輔助工程計(jì)算的有力工具。

（3）Protel軟件。設(shè)計(jì)電路、畫電路圖用AutoCAD軟件局限性較大，作出來的電路圖很多不符合電器標(biāo)準(zhǔn)，或者很多元器件繪制困難、作圖效率低。Protel軟件是一款常見的電氣工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，包含眾多的元件庫和電子資源，能夠輕松高效作出標(biāo)準(zhǔn)的電路圖。[7]其一般只在電類專業(yè)中學(xué)習(xí)，但是機(jī)械類專業(yè)尤其是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)，因?yàn)閷W(xué)科的交叉發(fā)展和社會上綜合性人才的需要，學(xué)生往往要從事機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，不僅要懂得機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還要懂得電路電器設(shè)備的設(shè)計(jì)，因此掌握一款業(yè)界常用的電路圖設(shè)計(jì)軟件是必要和重要的。

（4）Keil C軟件。學(xué)生先修課程“微型計(jì)算機(jī)原理”即單片微機(jī)，一般課堂上和教材上講授的都是匯編語言程序。匯編語言是針對單片微機(jī)本身，是與硬件密切相關(guān)的一種編程語言，記憶困難，不容易理解，因此業(yè)界逐漸使用和發(fā)展了基于高級語言即C語言的單片微機(jī)程序。而工科類學(xué)生包括機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)的學(xué)生，已經(jīng)學(xué)習(xí)過高級語言C語言，因此他們有了應(yīng)用C語言進(jìn)行單片微機(jī)程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。Keil C軟件是業(yè)界廣泛應(yīng)用的單片微機(jī)編程軟件，它既可以兼容學(xué)生學(xué)習(xí)過的匯編語言程序，也可以使用流行的高級語言C語言來編制單片微機(jī)程序。[8]應(yīng)用高級語言編制單片微機(jī)程序，學(xué)習(xí)資源豐富，對學(xué)生進(jìn)行課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和今后走上社會崗位從事單片微機(jī)開發(fā)都是頗有裨益的。

上面補(bǔ)充的軟件因課時限制主要講解其在本專業(yè)的用途和介紹簡單的例子，不能在課堂上詳細(xì)講解，因此也不能作為課程考核的重點(diǎn)，但是對于高年級學(xué)生拓展專業(yè)知識，對以后從事專業(yè)技術(shù)工作都是有良好的啟發(fā)和指導(dǎo)作用的。

二、總結(jié)

實(shí)施以上教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，從課堂反映來看收到了積極的效果。并且在后續(xù)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中學(xué)生能夠靈活運(yùn)用所補(bǔ)充的知識，專業(yè)知識應(yīng)用能力得到了明顯提高，為今后適應(yīng)社會機(jī)電一體化人才的需要和就業(yè)擇業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].第三版.北京：高等教育出版社，2007.

[2]陳英俊，黃平.人體膠囊式無線內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工作壽命研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，（9）：40-42.

[3]陳英俊，黃平.圖像傳感器在體內(nèi)無線內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2009，（10）：1879-1882.

[4]電子工程專輯[EB/OL].http：//ww.EETchina.com.

[5]張洪信.有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[6]薛山.MATLAB基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[7]王靜.Protel 99 SE 印制電路板設(shè)計(jì)案例教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012.

[8]曹天漢.51系列單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與仿真（KeilC51 Proteus）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

（責(zé)任編輯：王意琴）