國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化教育的對(duì)比分析

蔡蕓

摘 要：為了借鑒國(guó)外機(jī)電一體化教育研究成果，做好機(jī)電一體化教學(xué)改革工作，對(duì)比分析了我國(guó)以及美國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)、土耳其等國(guó)的機(jī)電一體化教育研究文獻(xiàn)，從培養(yǎng)目標(biāo)、課程內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)資源的角度，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外教育的特點(diǎn)，得出了在教育對(duì)象擴(kuò)展、課程內(nèi)容設(shè)置、專(zhuān)業(yè)外語(yǔ)教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源開(kāi)發(fā)和共享、教師培養(yǎng)等方面，國(guó)內(nèi)教研還存在不足的結(jié)論，并提出了針對(duì)性改革的工作內(nèi)容。對(duì)培養(yǎng)適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)的機(jī)電一體化的高層次人才有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械電子工程；機(jī)電一體化；教學(xué)改革；教育

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）20-0020-03

Abstract： In order to draw lessons from research results of foreign mechatronics education and do well in mechatronics teaching reform， this paper analyzes the mechatronics education research literature in China and the United States， Russia， Korea， Turkey and so on. With a view to training objectives， curriculum content， teaching methods and teaching resources， the characteristics of domestic and foreign education are summarized， and the result shows that there are some defects in domestic teaching research， such as the expansion of educational objects， the selection of curriculum content， the teaching of professional foreign language， the development and sharing of network teaching resources， teacher training and so on. The contents of the corresponding reform are put forward. It has certain reference significance of training high-level talents who adapt to the characteristics of China's economic development.

Keywords： mechatronics engineering； mechatronics； teaching reform； education

機(jī)電一體化是集機(jī)械制造技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、信號(hào)變換與接口技術(shù)、信息通訊等多門(mén)技術(shù)發(fā)展與融合的成果。目前，國(guó)內(nèi)機(jī)電一體化教研文獻(xiàn)多是涉及專(zhuān)業(yè)課程體系、教學(xué)模式、實(shí)踐教學(xué)改革的，鮮有文獻(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化教學(xué)進(jìn)行對(duì)比分析，找出我國(guó)機(jī)電一體化相關(guān)教學(xué)研究的不足之處。為此，作者查閱了國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化教育的相關(guān)文獻(xiàn)，從培養(yǎng)目標(biāo)、課程內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)資源、考核方式等幾方面，進(jìn)行了對(duì)比分析。

一、培養(yǎng)目標(biāo)及對(duì)象

機(jī)電一體化教育培養(yǎng)出的學(xué)生必須掌握機(jī)電專(zhuān)業(yè)的基本理論知識(shí)，具有一定的分析能力以及解決問(wèn)題的動(dòng)手能力，能綜合運(yùn)用機(jī)電一體化知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題。我國(guó)機(jī)電一體化教育主要分為高等職業(yè)教育、本科教育、研究生教育三個(gè)層次，各層次教育的培養(yǎng)目標(biāo)側(cè)重點(diǎn)不同，高等職業(yè)教育旨在培養(yǎng)具備某一特定職業(yè)或職業(yè)群所需綜合職業(yè)能力的，為生產(chǎn)和管理第一線服務(wù)的應(yīng)用型、技術(shù)型人才[1]。隨著我國(guó)科技發(fā)展和人才市場(chǎng)需求的學(xué)科復(fù)合型人才培養(yǎng)等多元化發(fā)展[2][3]。研究生教育除了強(qiáng)調(diào)研究生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，更強(qiáng)調(diào)教學(xué)與科研的結(jié)合，以及對(duì)學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)和前沿的了解[4]。

國(guó)外人才培養(yǎng)目標(biāo)與我國(guó)類(lèi)似，但教育對(duì)象更廣泛，不僅僅局限于工科學(xué)生，還包括高中生、預(yù)科學(xué)生，甚至是接觸傳感器和執(zhí)行元件相關(guān)實(shí)踐的新人和婦女等社會(huì)群體[14-22]。

二、課程內(nèi)容

（一）理論教學(xué)內(nèi)容

機(jī)電一體化課程作為多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，其內(nèi)容會(huì)與機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器檢測(cè)技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)控制基礎(chǔ)等課程內(nèi)容交叉，我國(guó)大多院校都按照構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的機(jī)械、電氣、控制等幾大模塊順序講解，或者按照“系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹-系統(tǒng)組成模塊-典型系統(tǒng)舉例與評(píng)價(jià)”進(jìn)行講解[6]。為了適應(yīng)科技和企業(yè)發(fā)展需求，增強(qiáng)理論的實(shí)用性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，部分院校進(jìn)行了如下改革：

1. 削減與先修課程相重復(fù)的教學(xué)內(nèi)容，增加新型元器件內(nèi)容[1][2]；

2. 教師負(fù)責(zé)課內(nèi)介紹相關(guān)前沿技術(shù)及發(fā)展，學(xué)生被要求在課外閱讀專(zhuān)業(yè)期刊，以增長(zhǎng)其學(xué)習(xí)興趣和學(xué)術(shù)眼界[5]；

3. 彌補(bǔ)學(xué)生在知識(shí)體系中的漏洞和弱點(diǎn)，如系統(tǒng)建模和可靠性[7]。

機(jī)電一體化課程內(nèi)容的設(shè)置和地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有一定的聯(lián)系，美國(guó)理論教學(xué)的內(nèi)容主要包括：機(jī)電一體化系統(tǒng)概念、機(jī)械系統(tǒng)建模、執(zhí)行元件、機(jī)械裝置、微機(jī)控制、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集、傳感器、控制原理[14-21]。歐美國(guó)家更側(cè)重微處理器及控制的教學(xué)，此外，在土耳其、約旦、臺(tái)灣、韓國(guó)，更重視與自動(dòng)化相關(guān)的內(nèi)容[18-21]。

（二）實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

為了使學(xué)生初步掌握科學(xué)研究的基本過(guò)程和基本方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析、解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。加大實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)投入力度，增加綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)[8]，進(jìn)行開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生參加科研項(xiàng)目，成為國(guó)內(nèi)各校課程改革的首選手段。此外，我國(guó)部分院校還注意因材施教，在課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中，改進(jìn)選題方式和題目?jī)?nèi)容，分類(lèi)培養(yǎng)機(jī)電一體化應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才[9]。

國(guó)外院校在實(shí)踐教學(xué)中常采用項(xiàng)目教學(xué)法，例如某校利用智能小車(chē)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生建設(shè)團(tuán)隊(duì)、使用虛擬儀器、仿真建模工具和算法控制的實(shí)時(shí)編程技術(shù)。但是，項(xiàng)目教學(xué)法掌握的知識(shí)較零散，為此，該校通過(guò)模塊化系統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行了彌補(bǔ)，教學(xué)內(nèi)容包括機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模與仿真模塊（含電液系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、電熱力系統(tǒng)）、機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳感器和執(zhí)行元件模塊（含基本原理、數(shù)據(jù)采集、通訊、LabVIEW軟件應(yīng)用）[14]。

（三）專(zhuān)業(yè)外語(yǔ)教學(xué)

我國(guó)高校雖然開(kāi)設(shè)了專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)課程，但內(nèi)容并不針對(duì)機(jī)電一體化單一課程。隨著專(zhuān)業(yè)技術(shù)和經(jīng)貿(mào)交流的發(fā)展，英語(yǔ)閱讀已成為獲取新信息的必要手段。在國(guó)內(nèi)機(jī)電一體化教研改革中，無(wú)人重視機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)教學(xué)。但是，該問(wèn)題已經(jīng)引起俄羅斯教育工作者的重視，他們采取了專(zhuān)業(yè)外語(yǔ)選修課教學(xué)，或最后兩年培訓(xùn)必修專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)的方法[15]。

三、教學(xué)方法及教學(xué)模式

機(jī)電一體化課程是學(xué)科交叉的產(chǎn)物，涉及到各學(xué)科的理論知識(shí)，故而知識(shí)點(diǎn)很多，理論性很強(qiáng)。在有限課堂時(shí)間內(nèi)，將如此大量信息交由教師口述講解，會(huì)顯得教學(xué)內(nèi)容比較抽象和枯燥。為了提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，令其理解掌握知識(shí)，培養(yǎng)其科學(xué)思維、工程意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)，我國(guó)在機(jī)電一體化教學(xué)中，引入了國(guó)外先進(jìn)教學(xué)設(shè)備（如多媒體[5]、虛擬實(shí)驗(yàn)室[10]）和教學(xué)方法（如開(kāi)放式教學(xué)方法[7]和項(xiàng)目教學(xué)法[11][12]）。

我國(guó)課程教學(xué)模式通常采用“理論學(xué)習(xí)+驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)+課程設(shè)計(jì)”的模式，比較重視理論聯(lián)系實(shí)際的教育，結(jié)合日常生活、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、科研成果教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生快速掌握知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念[5]。

國(guó)外課程教學(xué)多采用“理論模塊+項(xiàng)目實(shí)踐”的方法[16]，也有學(xué)校采用“理論學(xué)習(xí)+實(shí)驗(yàn)+項(xiàng)目實(shí)踐”的方法[17]。國(guó)外項(xiàng)目教學(xué)常選擇智能小車(chē)和機(jī)器人項(xiàng)目[14-21]，國(guó)內(nèi)的題目還會(huì)來(lái)自校企聯(lián)合項(xiàng)目、科研項(xiàng)目、技能大賽項(xiàng)目[11-12]。 可見(jiàn)，國(guó)外教學(xué)更加重視學(xué)生的動(dòng)手能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目掌握相關(guān)理論知識(shí)。

四、教學(xué)資源

（一）教學(xué)軟件及設(shè)備

國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，常用的教學(xué)軟件有MATLAB、LabVIEW、 PROTEUS等。常用的教學(xué)設(shè)備有：創(chuàng)意機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)[21]、氣動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、數(shù)控加工機(jī)床或測(cè)量?jī)x、虛擬實(shí)驗(yàn)室[3-10]。還有學(xué)校為進(jìn)行集成設(shè)計(jì)和仿真項(xiàng)目教學(xué)，研發(fā)了機(jī)電一體化系統(tǒng)[19]。此外，我國(guó)院校還常利用企業(yè)資源，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)習(xí)、校企聯(lián)合項(xiàng)目，培養(yǎng)應(yīng)用型人才[5]。

（二）信息化教學(xué)平臺(tái)

機(jī)電一體化教學(xué)資源還包括課程網(wǎng)站、多媒體課件[4]和校內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和共享平臺(tái)[13]等數(shù)字化資源。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和機(jī)電一體化系統(tǒng)軟硬件的發(fā)展（如可編程邏輯控制器、可人機(jī)交互的傳感器和執(zhí)行元件），國(guó)外一些學(xué)者開(kāi)發(fā)了面向機(jī)電一體化教學(xué)的遠(yuǎn)程可控實(shí)驗(yàn)室[23]以及適應(yīng)職業(yè)教育培訓(xùn)的云學(xué)習(xí)平臺(tái)[20]（云設(shè)施可為教師和學(xué)員，構(gòu)建一個(gè)由多個(gè)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室組成的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境）。

（三）師資培養(yǎng)

機(jī)電一體化系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與方式的變革提高了對(duì)教師的要求，教師在參與科研項(xiàng)目同時(shí)，還要學(xué)習(xí)使用相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和軟件，隨時(shí)準(zhǔn)備回答學(xué)生遇到的各種問(wèn)題，指導(dǎo)學(xué)生完成設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)或參加創(chuàng)新大賽。這對(duì)國(guó)內(nèi)外的教師來(lái)說(shuō)，都是一個(gè)對(duì)自我的挑戰(zhàn)。目前，這類(lèi)“雙師型”教師仍然很缺乏。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化教學(xué)的對(duì)比分析可知，雖然我國(guó)的相關(guān)教育取得了部分令人可喜的進(jìn)步，但是在教育對(duì)象擴(kuò)展、課程內(nèi)容設(shè)置、專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源開(kāi)發(fā)和共享、教師培養(yǎng)等方面，相比國(guó)外某些國(guó)家還存在著差距，故而教研改革還需做好以下工作：

1. 擴(kuò)大培養(yǎng)對(duì)象。向土耳其和美國(guó)學(xué)習(xí)，通過(guò)高校的網(wǎng)絡(luò)教育或培訓(xùn)中心，向社會(huì)傳播機(jī)電一體化知識(shí)，提高國(guó)民素質(zhì)，利用社會(huì)力量，促進(jìn)我國(guó)機(jī)電一體化產(chǎn)品的自主創(chuàng)新發(fā)展；

2. 改革教學(xué)內(nèi)容。隨著網(wǎng)絡(luò)及其安全技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)已經(jīng)從面向機(jī)電一體化產(chǎn)品組成要素設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向面向產(chǎn)品的編程，例如智能家居產(chǎn)品，包含了大量的信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。這就要求在教學(xué)中，均衡配置課本中舊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)和新的信息技術(shù)知識(shí)，合理選擇交叉學(xué)科的新知識(shí)，減少由于知識(shí)爆炸而給學(xué)生帶來(lái)的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)；

3. 為了便于學(xué)生工作后學(xué)習(xí)外國(guó)先進(jìn)技術(shù)，還要逐步開(kāi)展雙語(yǔ)教學(xué)，引入世界著名大學(xué)英文教材，對(duì)學(xué)生進(jìn)行英語(yǔ)教學(xué)；

4. 增強(qiáng)教學(xué)資源。我國(guó)高校網(wǎng)絡(luò)教育資源通常僅限于校內(nèi)共享或遠(yuǎn)程收費(fèi)教育，校外網(wǎng)無(wú)法免費(fèi)下載或訪問(wèn)，不利于全民機(jī)電一體化知識(shí)的普及。高校需要循序漸進(jìn)地開(kāi)放教學(xué)資源，開(kāi)發(fā)云教學(xué)平臺(tái)，共享網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，進(jìn)行聯(lián)合教學(xué)；

5. 應(yīng)加大“雙師型”教師培養(yǎng)資金的投入，采用教師培訓(xùn)或校企聯(lián)合的方式，提升教師“雙師”能力，使教學(xué)中師資水平能更上一個(gè)臺(tái)階。