基于工程教育認證要求初探機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程教學改革

曹陽+楊桃月+張大斌+蔡家斌+楊綠

摘 要 為了應(yīng)對工程教育認證的需要，從工程實際需求出發(fā)，分析和討論機電一體化系統(tǒng)設(shè)計教學現(xiàn)狀和存在的問題，圍繞課堂教學內(nèi)容、實驗、考核和教學方法進行教學改革探究。

關(guān)鍵詞 工程教育；專業(yè)認證；機電一體化系統(tǒng)設(shè)計；教學改革

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）03-0080-02

1 前言

為了促進機械專業(yè)的跨越式發(fā)展和國際化進程，進一步提升機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的教學質(zhì)量、社會聲譽和國際視野，促進本科畢業(yè)生的國際交流，為工程師執(zhí)業(yè)資格認證奠定基礎(chǔ)[1]，從2013年下半年開始，貴州大學機械工程學院機械制造及其自動化專業(yè)開始著手準備進行工程教育認證，于2014年順利通過該認證。在以“認證”為目標，不斷促進教學改革的過程中，全院教師始終堅持以能力為導向，重在加強學生的培養(yǎng)質(zhì)量和利用學科知識分析解決工程實際問題的能力[2]；同時以學生為中心，以不斷優(yōu)化和改進的培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，建立、建設(shè)優(yōu)質(zhì)的課程體系和師資隊伍，配備必要的教研設(shè)備。

在“迎接認證”、不斷改進的過程中發(fā)現(xiàn)一些專業(yè)課程存在的問題，以培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求的工程性不強為代表，主要體現(xiàn)有教學內(nèi)容缺乏實際工程拓展，課程教學方法有待拓寬，特別是工程實踐能力的培養(yǎng)還需要進一步加強。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計作為機械電子工程方向一門重要的專業(yè)課，亟待相關(guān)教學改革，以適應(yīng)工程教育認證的要求。

2 現(xiàn)狀與問題

基本現(xiàn)狀 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計是機械制造及其自動化專業(yè)機械電子工程方向的一門重要的專業(yè)課程，目的是培養(yǎng)學生對機電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用和設(shè)計能力，掌握機械系統(tǒng)元部件設(shè)計和微機控制系統(tǒng)及其接口設(shè)計方法，培養(yǎng)機電結(jié)合的專門人才。本課程的基本任務(wù)是使學生掌握對機電一體化系統(tǒng)的分析應(yīng)用和設(shè)計基本方法。該課程涉及的機械傳動部件、電機、微機接口技術(shù)和機電一體化設(shè)計思路等，可以說是對本專業(yè)前期所學專業(yè)課程進行融合、需要實踐深入消化和提高認識的一個重要環(huán)節(jié)。并且貴州大學機械工程學院不僅是機械電子工程方向開設(shè)本課程，機械制造和農(nóng)業(yè)機械化專業(yè)方向也開設(shè)了本課程，學生普遍反映教學枯燥，工程實踐性不強，部分知識無法理解。

為了使機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程與“工程教育認證”要求相適應(yīng)，更好地幫助學生掌握本門課程知識內(nèi)容和加強工程實踐能力培養(yǎng)，達到學以致用的目的，需要對機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程的教學內(nèi)容和方法進行改革研究。

主要存在的問題 貴州大學機械工程學院于21世紀初開始在機械電子工程專業(yè)方向的本科班開設(shè)機電一體化系統(tǒng)設(shè)計，隨著十多年教學經(jīng)驗的積累，已形成一套較為完善的教學方案和體系。但是隨著技術(shù)的不斷革新，社會和工作崗位對學生要求的不斷提升，越發(fā)覺得本課程的傳統(tǒng)教學中存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1）教學內(nèi)容陳舊，過于側(cè)重機械結(jié)構(gòu)的講解。通過工程教育認證評估，充分和企業(yè)溝通后，發(fā)現(xiàn)一些課程所教授的內(nèi)容和技術(shù)已經(jīng)在當下機電產(chǎn)品中被新技術(shù)所取代。另外，由于在教授本課程前有單片機原理、接口技術(shù)和機械控制工程等課程，在機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的教學中都會以典型機電系統(tǒng)的傳動結(jié)構(gòu)為主，使“機”和“電”在教學過程中不能充分結(jié)合。

2）實驗教學設(shè)施不足，實驗內(nèi)容受到限制。本專業(yè)擁有的機電一體化教學設(shè)備較少，有的僅僅停留在十字工作臺、單片機和傳感器方面，對于機電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和優(yōu)化部分的實驗暫時空缺，這不利于學生提高感官認識。

3）教學方法單一，缺乏與工程實際的聯(lián)系?，F(xiàn)有教學基本上是以課堂教學為主，輔以少量實驗，大多采用講授法通過多媒體教學平臺進行授課，而且大多是紙上談兵，課程教學與實驗教學同工程實踐聯(lián)系甚少，與“工程教育認證”的要求存在差距。

4）學生反映學習難度大，應(yīng)用能力不強。在教學過程中，一些學生反映部分知識點難以理解，不清楚這些知識能“干什么”，能解決什么問題。另外，從考試反饋來看，學生對綜合應(yīng)用機電技術(shù)的能力還有待提高，特別是不能將一些來自工程實際的問題和書本知識結(jié)合起來分析。

3 教學改革

教學內(nèi)容的改革

1）樹立“機電結(jié)合”的系統(tǒng)教學思路。機電一體化的目的是提高產(chǎn)品或系統(tǒng)的附加價值，實現(xiàn)多功能、高效率、高可靠性、省材料、省能源，并使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向輕、薄、短、小化方向發(fā)展。因此，機電一體化的研究方法不能只是簡單拼湊，應(yīng)該從系統(tǒng)設(shè)計方案開始到各元部件選擇到系統(tǒng)最終成形的全過程，都要貫徹系統(tǒng)設(shè)計的思想 [3]。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程的教學也是如此。在課程講述過程中，如果只是根據(jù)教材的章節(jié)順序進行講解，會在學生腦海中形成一個個的知識孤島。因此需要將整個課程用幾個典型案例把所有章節(jié)貫穿起來，做到前后呼應(yīng)。如在教學“機械結(jié)構(gòu)”中的“機架和支撐穩(wěn)定性”時，可以和“元部件特性分析”中的“靜、動態(tài)特性分析”結(jié)合起來，在講機械結(jié)構(gòu)時就引入控制工程中的一些知識點。

另外，教材的最后一章有很多案例，可以根據(jù)這些案例的特點，將其穿插進前面的章節(jié)講解，在講授每一部分內(nèi)容時都結(jié)合案例，并將系統(tǒng)設(shè)計方法融于其中，不僅利于學生對知識的掌握，還可以舉一反三、加深理解。

2）選擇性地介紹章節(jié)重點。要有選擇性地介紹機電一體化各組成部分。對于機械系統(tǒng)部件，要重點講解傳動原理和典型結(jié)構(gòu)，一些特殊的部件可以留給學生自學。對于執(zhí)行元件和控制器由于在先修課程中有所學習，因此對其基礎(chǔ)知識不做詳細介紹，重點內(nèi)容放在典型元件特性及其驅(qū)動和接口部分。這樣既可以避免使學員因重復學習而失去興趣，又可以有更多的時間放在牢固樹立系統(tǒng)的觀點，深入理解組成機電一體化系統(tǒng)的各構(gòu)成要素之間的關(guān)系。

3）以“看得見、摸得著”的機電產(chǎn)品為突破口。要更多地從教學團隊科研真題和本地企業(yè)合作項目尋找典型案例，讓更多的案例“看得見，摸得著”。一方面可以帶領(lǐng)學生參觀企業(yè)，另一方面要鼓勵一些教師展示機電一體化方面的科研樣機，讓學生可以直接參與教師科研課題。同時要及時更新案例，給學生展示最新的技術(shù)和產(chǎn)品，了解機電一體化產(chǎn)品的前沿；還要充分給予成績較好者學習空間，特別是對于一些比較復雜或精度要求高的運動定位控制和智能控制，可以讓學生結(jié)合學過的自動控制理論知識設(shè)計運動控制算法，為研究生階段的學習做準備。

教學方法的改革 教學方法是教學過程的核心，教師的教學方法一定程度上決定了教學質(zhì)量和學生對知識的吸收情況。傳統(tǒng)的教學方法是教師根據(jù)課程教學大綱的要求，在課堂上為學生講解教學大綱上規(guī)定的教學內(nèi)容，按部就班地向?qū)W生灌輸知識，學生完全處于被動學習狀態(tài)，教學效果大打折扣。為了有效提高學生積極性和學習主動性，可以將課堂講授、討論、開放性實驗和實地參觀結(jié)合起來，激發(fā)學生的學習興趣、學習主動性和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和能力。

例如：在介紹“滾珠絲杠”和“導軌副”時可以將實物拿到課堂上，先拋出問題并讓學生進行拆裝，再讓學生分組討論結(jié)構(gòu)特點和問題，最后有針對性地講解難點和強調(diào)重點內(nèi)容；“單片機與接口技術(shù)”的講授可以開設(shè)開放性實驗，提供單片機平臺，讓學生自行設(shè)計開發(fā)單片機控制系統(tǒng)，并要求演示；在講解“機電一體化系統(tǒng)的元、部件的特性分析”時可以開展上機實驗，結(jié)合MATLAB軟件仿真模塊，讓學生產(chǎn)生直觀認識。

課程實驗的開設(shè) “工程教育認證”的核心就是要確保畢業(yè)生達到全球行業(yè)認可的機械工程從業(yè)人員基本要求。因此，為了讓學生更好地掌握機電一體化系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)基礎(chǔ)理論和提高學生的創(chuàng)新意識與工程實踐能力，提升畢業(yè)生的機械行業(yè)從業(yè)能力，需加強本課程的課程實驗建設(shè)。首先，要整合現(xiàn)有校內(nèi)實驗資源。本課程綜合性強，很多實驗需要和其他課程實驗結(jié)合起來，如與機械傳動、微機原理和控制工程等課程。其次，要積極構(gòu)建新實驗平臺。特別是機電一體化典型系統(tǒng)的實驗平臺方面，亟待購置新設(shè)備，開發(fā)新實驗。最后，可以整合校外合作單位實驗資源，開設(shè)一些與工程實踐緊密結(jié)合的課程實驗和基于仿真軟件的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析實驗。

考核方式的改革 本課程各章節(jié)具有一定獨立性，涉及機械和電子技術(shù)各個方面。針對此特點，考核方法應(yīng)該重在應(yīng)用與綜合，不應(yīng)以識記為主，所以考試形式由原來閉卷改為開卷。這樣可以減輕學生考試壓力，把學習的重點放在知識的應(yīng)用和解決實際問題的能力訓練上?？己丝梢圆捎迷嚲恚ㄩ_卷）、實驗、報告或者作品（機電一體化系統(tǒng)）等多種形式，加大實驗環(huán)節(jié)和平時表現(xiàn)的成績占比，解決了實際問題或提出了創(chuàng)新方法就可以獲得高分。

4 結(jié)束語

隨著科技的發(fā)展，機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程所涉及的知識和技術(shù)發(fā)展尤為迅猛，而且所涉及的知識面非常廣，因此要滿足工程教育的認證要求，就必須從教學內(nèi)容、教學方式、教學方法等方面都進行改革創(chuàng)新。在教學內(nèi)容上強調(diào)以系統(tǒng)設(shè)計方法為主線，在教學方式中重視培養(yǎng)學生的學習興趣，努力拓展課程實驗，不拘泥于考核形式。這些變革將會更進一步激發(fā)學生的學習興趣，最大限度地提高學生解決實際問題的能力，達到工程教育認證的要求。

參考文獻

[1]蒲彧.美國工程學士能力培養(yǎng)研究[D].大連：大連理工大學，2010.

[2]崔軍.回歸工程實踐：我國高等工程教育課程改革研究[D].南京：南京大學，2011.

[3]郝娟，肖定國，賈玉平.《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程教學改革探討[J].教育教學論壇，2012（36）：29-30.

*教改項目：貴州大學教育教學改革研究項目（No.JGYB201509）；貴州大學教育教學改革重點研究項目（No.JG2013010）。

作者：曹陽，貴州大學機械工程學院，博士，主要從事機械電子工程與摩擦磨損方面的研究和教學工作；楊桃月，通訊作者，貴州廣播電視大學實訓中心實驗師，主要從事機械電子工程方面的研究和教學工作（550023）；張大斌、蔡家斌、楊綠，貴州大學機械工程學院（550025）。