加強工程素質(zhì)培養(yǎng)的機電實踐教學改革與研究

黃菊生+劉軍安+蔣嶸

摘要：針對機電工程類專業(yè)機電實踐教學存在的問題，探索加強工程素質(zhì)培養(yǎng)的機電實踐教學改革途徑。通過建立與工程實際接軌的實踐教學環(huán)境，優(yōu)化實驗項目，加強實踐教學內(nèi)容的整體設(shè)計，加強實踐教學與課堂教學內(nèi)容的優(yōu)化整合，開展機電綜合課程設(shè)計，引入現(xiàn)代化的實驗教學思想，實施具有機電工程特色的人才培養(yǎng)，構(gòu)建工程化、綜合性、創(chuàng)新型的機電實踐教學新模式。

關(guān)鍵詞：工程素質(zhì);實踐教學;機電類專業(yè);綜合課程設(shè)計

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）25-0160-03

一、前言

21世紀，現(xiàn)代工程的復雜性和系統(tǒng)性促使工程知識不斷走向交叉與融合，如何培養(yǎng)大學生的工程素質(zhì)和綜合應(yīng)用能力是我國工科高校目前亟待解決的關(guān)鍵問題。機電工程類專業(yè)集“機械、電氣、控制”為一體，需要學生對機電裝備的設(shè)計、制造與控制基礎(chǔ)進行系統(tǒng)的學習和實踐，與工程實際結(jié)合非常緊密，涉及面廣，尤其需要理論聯(lián)系實際，摒棄高校長期以來“重理論，輕實踐”的弊端。

工程素質(zhì)是指人們在考慮問題、從事某項工作時所表現(xiàn)出的內(nèi)在品質(zhì)和作風，它是工程技術(shù)人員應(yīng)該而且必須具備的基本素質(zhì)，包括工程知識、工程意識和工程實踐能力。建設(shè)創(chuàng)新型國家的歷史使命呼喚創(chuàng)新性工程技術(shù)人才，創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是工程應(yīng)用型本科學校義不容辭的責任。注重未來工程技術(shù)人才工程素質(zhì)和工程實踐能力的培養(yǎng)，強化實踐教學，形成專業(yè)特色，是我們開展機電實踐教學改革的奮斗目標[1，2]。

二、機電實踐教學存在的問題

機電工程類專業(yè)開設(shè)的機電方面的課程較多，有《工程測試技術(shù)》、《機電傳動控制》、《機械控制工程基礎(chǔ)》、《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》、《微機接口技術(shù)》、《PLC控制技術(shù)》等，是量大面廣的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，構(gòu)成機電課程群。通過機電課程的教學，使學生系統(tǒng)性的獲得機電綜合應(yīng)用知識，能將機電知識有機融合，用于新型機電產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。因此，學生的工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在綜合應(yīng)用機電知識的能力、創(chuàng)新設(shè)計的能力。教學實踐表明，機電實踐教學在學生機電綜合知識的掌握、工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)中至關(guān)重要。但是，目前機電實踐教學不能適應(yīng)機電人才培養(yǎng)的需要，不能適應(yīng)學生工程素質(zhì)的培養(yǎng)、綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，存在的主要問題有：

1.實踐教學體系和課堂教學內(nèi)容優(yōu)化整合不夠，機電特色不明顯。

2.實驗設(shè)備開發(fā)利用不夠，內(nèi)在潛力沒有得到充分發(fā)揮，與工程實際結(jié)合緊密的實踐條件有待加強。

3.實踐教學環(huán)節(jié)缺乏系統(tǒng)性、綜合性的整體設(shè)計與創(chuàng)新，應(yīng)付教學的多、單一服務(wù)課程的多，突出機電知識有機融合、綜合應(yīng)用的少，研究與創(chuàng)新性實驗項目缺乏。

4.開放式、網(wǎng)路化程度低，優(yōu)質(zhì)教學資源建設(shè)欠缺，沒有實現(xiàn)資源共享機制。

隨著現(xiàn)代制造業(yè)機電技術(shù)的飛速發(fā)展，社會對高素質(zhì)工程應(yīng)用型人才需求的提高，機電實踐教學改革勢在必行。在機電實踐教學中突出工程實踐、綜合應(yīng)用，加強實踐項目的整體設(shè)計與創(chuàng)新，研究開放式、網(wǎng)絡(luò)化教學方法和手段，突出機電特色，構(gòu)建工程化、綜合性、創(chuàng)新型的機電實踐教學新模式，對于“卓越計劃”的實施，機電工程類應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)、教學質(zhì)量的提高都具有重要意義。

三、加強工程素質(zhì)培養(yǎng)，探索機電實踐教學改革新途徑

1.建立與工程實際接軌的實踐教學環(huán)境。機電實驗室建設(shè)是機電實踐教學的物質(zhì)基礎(chǔ)，在選擇實驗設(shè)備時，著重考慮與工程實際接軌，有利于綜合創(chuàng)新實踐項目的開設(shè)，有利于學生工程實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，創(chuàng)建良好的實踐教學環(huán)境。新進實驗設(shè)備強調(diào)模塊化設(shè)計、工程化對象、實物化運行、網(wǎng)絡(luò)化管理。用技術(shù)先進、機電結(jié)合好、綜合應(yīng)用性強的實驗設(shè)備代替原理性實驗設(shè)備。經(jīng)過幾年的建設(shè)，機電實驗室不斷壯大，不斷更新提高，先后建立了機電接口技術(shù)實驗室、機電傳動控制實驗室、智能檢測與故障診斷實驗室、機電一體化實驗室。隨著實驗室建設(shè)的開展，大量新的實驗項目不斷開發(fā)，滿足了機電教學改革發(fā)展的需要[3]。

如機電接口實驗設(shè)備綜合了基礎(chǔ)接口控制與小型步進電機控制、直流電機控制、溫度控制于一個平臺上，方便開展綜合性的實驗。工程檢測技術(shù)實驗設(shè)備由基礎(chǔ)平臺+測控模塊組成，配備的測控模塊多樣化，有多功能轉(zhuǎn)子實驗臺，環(huán)形輸送線、無損檢測對象、環(huán)境檢測模塊等。而且測控對象采用工業(yè)級傳感器和工程設(shè)備小型化產(chǎn)品，既方便在實驗室環(huán)境展示實驗，又與工程實際接軌。具體實驗時可以自由選擇模塊開展實驗、組成不同的測控系統(tǒng)，可以通過網(wǎng)絡(luò)進行實驗和分析處理，輸出結(jié)果。機電傳動控制實驗設(shè)備設(shè)計為電氣控制、PLC控制平臺+數(shù)控加工對象，其中數(shù)控加工對象有多軸小型數(shù)控機床、微型加工中心，使電氣控制、PLC控制與數(shù)控加工有機結(jié)合，融運動控制、位置控制、聯(lián)動控制、刀庫管理于一體，是一個對象工程化、實物化結(jié)合，機電融合好的實驗設(shè)備。機電一體化實驗室采用現(xiàn)代裝備制造業(yè)最典型的機電一體化環(huán)形生產(chǎn)線實驗實訓設(shè)備，各工位模塊化設(shè)計，可重構(gòu)工業(yè)生產(chǎn)線，模擬自動化生產(chǎn)的上料、沖壓、加工、搬運、落料、噴涂烘干、檢測、加蓋、穿銷、分揀、入庫、搬運等工藝過程。該實驗設(shè)備融機、光、電、氣、液于一體，綜合應(yīng)用了傳感檢測、氣壓傳動、機械傳動、計算機控制、PLC控制等多種工程技術(shù)，很好的實現(xiàn)了機電知識的綜合應(yīng)用與交叉融合。汽車電子實驗臺全部采用實物，可實際運行操作，能通過設(shè)置故障、觀察現(xiàn)象、分析排除故障，真實感強。

2.優(yōu)化實驗項目，注重實踐教學內(nèi)容的整體設(shè)計。采用“以電為用，機電融合”的原則，構(gòu)建機電實踐教學新模式。不斷優(yōu)化實驗項目、注重實驗項目和內(nèi)容的整體設(shè)計與創(chuàng)新，淘汰一批、合并一批、新開一批、加強調(diào)整一批，不斷提高設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性實驗的比重。同時，實踐教學環(huán)節(jié)設(shè)置上注意循序漸進、形成梯度，有基礎(chǔ)性的、有提高綜合性的，切忌拔苗促長。實施多樣化實踐教學，采用多實驗?zāi)K、實驗?zāi)K的多功能化，豐富及創(chuàng)新實踐教學內(nèi)容。endprint

如在工程檢測技術(shù)實驗教學中，隨著實驗設(shè)備的更新?lián)Q代，淘汰了原有的傳感器原理性實驗，用現(xiàn)代的測控系統(tǒng)實驗代替，加強了多傳感器的綜合應(yīng)用。微機接口實驗將認知操作與基本程序合并，加強接口實驗項目，設(shè)計一定的選做實驗和思考題變形實驗，讓學有余力的學生有更多的學習提高機會。機電傳動控制實驗，一部分在機電接口技術(shù)實驗室進行（如直流電機轉(zhuǎn)速測量、步進電機控制），一部分在機電傳動控制實驗室進行（如步進電機、交流伺服電機單軸定位控制），以充分發(fā)揮不同實驗設(shè)備在實踐教學環(huán)節(jié)中的優(yōu)勢互補作用。機電一體化實驗改演示參觀性實驗為模擬工業(yè)生產(chǎn)綜合性實驗。將機械控制工程基礎(chǔ)實驗與部分工程測試技術(shù)實驗結(jié)合，利用工程檢測技術(shù)實驗平臺和多樣化的工程對象，開發(fā)新的機械控制工程實驗項目，使機械控制工程基礎(chǔ)實驗有了具體的工程應(yīng)用對象，拓寬了實驗領(lǐng)域。

多功能轉(zhuǎn)子試驗臺是工程檢測技術(shù)課程重要的綜合性實驗?zāi)K，是典型的實驗?zāi)K多功能化代表，如圖1所示。該模塊配上不同的工業(yè)化傳感器可以構(gòu)成不同的測試系統(tǒng)，開展多種實驗項目。如加速度傳感器/速度傳感器振動測量實驗、磁電傳感器/光電傳感器轉(zhuǎn)速測量實驗、三點加重法轉(zhuǎn)子動平衡實驗、轉(zhuǎn)子軸心軌跡測量實驗、噪聲測量實驗等。除了多功能轉(zhuǎn)子實驗?zāi)K，測試技術(shù)其他實驗?zāi)K如環(huán)形輸送線、無損檢測對象、環(huán)境檢測模塊等都具有多傳感器綜合應(yīng)用功能，學生可以自主選擇實驗?zāi)K開展實驗，使實踐教學多樣化、多模塊化。

3.引入現(xiàn)代化的實驗教學思想。網(wǎng)絡(luò)化實驗教學可以充分共享資源，最大限度的發(fā)揮現(xiàn)有實驗條件的功能，加強網(wǎng)絡(luò)、計算機控制在機電實踐教學中的作用。在智能檢測與故障診斷實驗室，將實驗?zāi)K和工程化實驗對象通過聯(lián)網(wǎng)進行實驗，共享實驗資源、共享實驗對象，構(gòu)建開放式網(wǎng)路化實踐教學模式。用Labview等能“虛實結(jié)合”的優(yōu)秀仿真軟件搭建機電測控系統(tǒng)，仿真后在實物機電系統(tǒng)上調(diào)試、分析處理，將虛擬仿真與實物機電系統(tǒng)有機結(jié)合，創(chuàng)新實踐教學方法和手段。

檢測技術(shù)實驗設(shè)備配置了工程測試和信號檢測與分析平臺——虛擬儀器，引入現(xiàn)代化的實驗教學思想，以軟件代替硬件、軟硬件結(jié)合，可實現(xiàn)快速重組，構(gòu)成新的測控儀器。通過虛擬儀器與實驗臺的數(shù)據(jù)采集卡等硬件結(jié)合，使我們以前沒有辦法開設(shè)的實驗（如波形的合成和分解、信號幅度調(diào)制與解調(diào)等）現(xiàn)在可以順利實現(xiàn)了。這種既有傳統(tǒng)儀器的特征，又有一般儀器所不具備的特殊功能的虛擬儀器技術(shù)引入實驗教學，豐富了教學內(nèi)涵，也促進了課堂教學。

4.加強工程應(yīng)用與教學內(nèi)容的優(yōu)化整合。機電課堂教學要注重工程素質(zhì)培養(yǎng)，加強教學內(nèi)容的優(yōu)化整合，加強課堂教學與實踐教學內(nèi)容的融合，突出工程應(yīng)用，將工程實例引入教材、引入課堂，積極推進實例、案例教學。通過分析機電課程的內(nèi)在聯(lián)系與交叉，理順課程的前后關(guān)系，注重機電知識的交叉與融合。不斷更新教學內(nèi)容，將新技術(shù)、新知識、新成果引入課堂，確保教學內(nèi)容的先進性、工程化，理論與工程實際結(jié)合緊密[4]。

如在機械卓越班的課程教學改革中，將原來獨立開設(shè)的《機電傳動控制》與《PLC控制技術(shù)》整合為一門課，在教學中將各電機控制與PLC控制結(jié)合起來，使PLC控制的工程應(yīng)用具體化。在機械電子工程專業(yè)的PLC控制技術(shù)課堂教學中，適當補充機床電器控制的繼電器接觸器控制部分的內(nèi)容，使后面PLC控制的教學有類比和具體的工程應(yīng)用基礎(chǔ)。同時在課堂教學中用具有典型代表的實物繼電器、接觸器講解具體接線方法、觸點類型和動作方式，并配合大量其他電器實物照片多媒體展示，強化學生的工程意識。

5.依托機電大平臺，強化個性化培養(yǎng)。機設(shè)專業(yè)“卓越計劃”班按人才培養(yǎng)要求，對機電課程教學內(nèi)容優(yōu)化整合幅度大，強化了工程實踐、綜合素質(zhì)、能力培養(yǎng)。因此機電實踐教學環(huán)節(jié)主要從工程、綜合的角度出發(fā)，緊密圍繞機、電、液、氣、控制有機結(jié)合開展，更好的突出綜合應(yīng)用，構(gòu)建更具機設(shè)專業(yè)特色的機電實踐教學。機械電子工程專業(yè)向“大專業(yè)、小方向、多特色”人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變，在實踐教學環(huán)節(jié)設(shè)置上，“機電系統(tǒng)方向”面向先進裝備制造業(yè)，主要以機電一體化環(huán)形生產(chǎn)線實驗設(shè)備為依托;“汽車電器方向”面向汽車制造業(yè)，主要以汽車電器與電子實訓實驗設(shè)備為依托，注重具有專業(yè)方向特色實踐項目的開設(shè)。采用“大平臺、個性化、實用性”的原則，為卓越班及機類其他專業(yè)設(shè)計個性化實踐項目，做到實踐項目與專業(yè)相結(jié)合，實驗內(nèi)容與工程應(yīng)用相結(jié)合，強化機電工程特色，實現(xiàn)人才培養(yǎng)多樣化，如圖2所示。

6.實施機電綜合課程設(shè)計，加強不同課程知識的交叉融合。綜合課程設(shè)計依托綜合性強的機電實驗室，以綜合應(yīng)用為主，進行包括機械、液壓、氣動、控制為一體的機電系統(tǒng)設(shè)計，引入多方案創(chuàng)新設(shè)計機制。我們先后在機械電子工程專業(yè)實施了機電一體化綜合課程設(shè)計，在機械卓越班實施了機電液氣綜合課程設(shè)計，通過綜合課程設(shè)計，有利于建立不同課程知識的聯(lián)系、交叉融合，有利于系統(tǒng)性的靈活應(yīng)用機電知識。如機械設(shè)計卓越班將原來各兩周單獨服務(wù)課程的液壓氣動課程設(shè)計、PLC課程設(shè)計進行整合，設(shè)置為3周的機電液氣綜合課程設(shè)計。綜合課程設(shè)計的課題和內(nèi)容不是原來兩個課程設(shè)計的簡單拼接，而是進行了重新設(shè)計、有機融合。學生以某個液壓氣動系統(tǒng)為對象，先開展液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計，時間大約為1.5周，然后以自己設(shè)計的液壓氣動系統(tǒng)為對象開展控制系統(tǒng)設(shè)計。這樣學生對控制對象非常了解，工藝流程非常熟悉，設(shè)計的控制系統(tǒng)針對性強、真實感強。液壓氣動部分設(shè)計主要內(nèi)容包括兩部分，一部分是液壓缸等純機械設(shè)計，另一部分是液壓氣動控制原理圖設(shè)計，后一部分的設(shè)計與PLC控制聯(lián)系非常緊密，包括元器件選擇、電磁閥動作、工藝流程等都是PLC設(shè)計的基礎(chǔ)和依據(jù)，只有將兩部分設(shè)計和知識有機融合，才能設(shè)計出合理的控制系統(tǒng)。

綜合課程設(shè)計一般由兩位教師共同指導，一位是精通和擔任液壓氣動設(shè)計的教師，另一位是精通和擔任PLC控制設(shè)計的教師。而這兩門課程的老師分屬不同的教研室，一方面需要加強協(xié)調(diào)合作，另一方面也需要專業(yè)知識有一定的交叉互補。搞PLC設(shè)計的老師需要懂一些液壓氣動的知識，搞液壓氣動的老師需要懂一些PLC控制的知識，這樣才能更好的合作指導好綜合課程設(shè)計。

在課程設(shè)計指導過程中，進行PLC設(shè)計時，首先要求學生說清楚液壓氣動原理、電磁閥動作過程、工藝流程，以檢驗學生前段的設(shè)計成果，并為后續(xù)設(shè)計鋪平道路。有些功能在PLC設(shè)計過程中為了控制的需要反過來還要對液壓氣動進行適當?shù)男薷?，教師在指導時機電液氣必須聯(lián)動，綜合解決。這體現(xiàn)了綜合課程設(shè)計與單獨課程設(shè)計重要的差別，也是綜合課程設(shè)計的優(yōu)勢所在。有時在進行PLC設(shè)計時還能發(fā)現(xiàn)液壓氣動設(shè)計中的錯誤，或者矛盾的地方。有些功能（如卸荷）既可以用液壓完成又可以用PLC控制完成，指導時必須讓學生自己決定設(shè)計方法，給其獨立思考學習、綜合實現(xiàn)的空間，培養(yǎng)學生綜合應(yīng)用機電知識、獨立分析問題解決問題的能力。

四、結(jié)束語

機電實踐教學改革緊緊圍繞學生工程素質(zhì)及工程實踐能力培養(yǎng)，將綜合、應(yīng)用、創(chuàng)新理念貫穿于實踐教學全過程，構(gòu)建了工程化、綜合性、創(chuàng)新型的機電實踐教學模式，為機電工程類應(yīng)用型人才培養(yǎng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻：

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