案例教學(xué)法在“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)” 課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

張志強(qiáng)　汪文津　趙堅(jiān)　李建軍

摘 要 針對傳教學(xué)模式中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力方面有所欠缺的問題，將案例教學(xué)法引入“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中，提高學(xué)生在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。以插管焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)為案例的教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明引入案例教學(xué)法在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程興趣、提高學(xué)生在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力方面是有效的。

關(guān)鍵詞 案例教學(xué)法 機(jī)電一體化 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 創(chuàng)新意識

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.04.056

Abstract The students' innovation consciousness and innovation ability in mechatronics system design were improved by introducing the case teaching method into the course of "mechatronics system design" for solving the question in cultivating students' innovation consciousness and innovation ability in the traditional teaching mode. It is proved that case teaching method was introduced into the curriculum was effective to stimulate students' learning interest and improve students' in the design of mechatronic system innovation consciousness and innovation ability by the result of teaching practice case of the development of branch pipe welding system.

Key words Case teaching method； mechatronics； system design； innovation consciousness

0 前言

“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”是機(jī)械制造專業(yè)的一門主要專業(yè)課程，其任務(wù)是通過機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、控制原理、伺服系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)等諸方面基本知識的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟、過程和方法，它是機(jī)械專業(yè)中總結(jié)性較強(qiáng)的課程，對提高機(jī)電專業(yè)類畢業(yè)生的綜合專業(yè)素養(yǎng)及專業(yè)創(chuàng)新能力十分重要。在教學(xué)過程中，傳統(tǒng)教學(xué)存在難以對學(xué)生機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力進(jìn)行有針對性的培養(yǎng)的問題。

1 將案例式教學(xué)法引入“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)的可行性

高等學(xué)校應(yīng)面向國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才。在機(jī)電一體化設(shè)備地位愈來愈重要的今天，培養(yǎng)具有設(shè)計(jì)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力高校畢業(yè)生是高等學(xué)校教育任務(wù)的必然要求。

案例教學(xué)，是一種開放性、互動(dòng)性較強(qiáng)的教學(xué)方式。在課堂教學(xué)前要進(jìn)行周密的策劃和準(zhǔn)備，選擇特定的案例并指導(dǎo)學(xué)生提前閱讀；課堂上要組織學(xué)生開展討論或爭論，形成反復(fù)的互動(dòng)、交流、辯論，通過各種信息、知識、經(jīng)驗(yàn)、觀點(diǎn)的碰撞來達(dá)到啟示理論和啟迪思維的目的。案例教學(xué)法的主要優(yōu)勢在于給予學(xué)生較大程度的自主發(fā)揮、自由創(chuàng)造的空間，能夠有效實(shí)現(xiàn)學(xué)生由注重知識向注重能力方向的轉(zhuǎn)變，適用于有一定的專業(yè)基礎(chǔ)背景知識學(xué)生。案例教學(xué)的不足主要是相關(guān)課程知識不易有效地、系統(tǒng)地進(jìn)行傳授，如何保證學(xué)生學(xué)習(xí)效果考核的客觀性存在一定程度的困難等。

而傳統(tǒng)教學(xué)模式中注重知識系統(tǒng)傳授、考核明確客觀是其突出的優(yōu)點(diǎn)，但在培養(yǎng)學(xué)生的當(dāng)前所必備的創(chuàng)新能力方面有一定程度的欠缺。兩種教學(xué)模式存在一定程度的互補(bǔ)性。如何在有限的課時(shí)內(nèi)既實(shí)現(xiàn)知識的系統(tǒng)傳授，又實(shí)現(xiàn)案例教學(xué)的各個(gè)過程，有著相當(dāng)?shù)睦щy。但在機(jī)電一體系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程中，將此兩種方式進(jìn)行有機(jī)融合有一定的有利條件：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程通常是安排在機(jī)械、機(jī)電專業(yè)類學(xué)生在大學(xué)生四年級上半期進(jìn)行，學(xué)生的基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課均已修完，具有一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識。當(dāng)然，有些學(xué)生課程欠帳較多，基礎(chǔ)知識較弱，需要教師運(yùn)用相當(dāng)?shù)姆椒ㄈス膭?lì)、激勵(lì)他們補(bǔ)上欠賬并完成新任務(wù)，在大四學(xué)生心思相對較散的情況下，這是有較大難度的。

2 案例式教學(xué)法在“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)的具體實(shí)施

2.1 教學(xué)案例的選取

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的是機(jī)電專業(yè)知識在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的綜合運(yùn)用，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)者站在機(jī)電一體化的全局角度去設(shè)計(jì)和優(yōu)化機(jī)電一體化的系統(tǒng)。同時(shí)，也要考慮教學(xué)主體學(xué)生的理解和接受能力。因而所選擇的案例要兼顧知識的綜合性、實(shí)用性、創(chuàng)新性與系統(tǒng)的復(fù)雜程度適中相結(jié)合。經(jīng)考慮，選用便攜式插管焊接設(shè)備開發(fā)作為案例教學(xué)的基本案例。

確定此案例作為機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的主講案例是基于以下幾點(diǎn)考慮：插接管道焊接系統(tǒng)的便攜化、工作現(xiàn)場化、價(jià)格低廉化、操作便利化是插管焊接相關(guān)各行業(yè)的迫切要求，因而此案例為較強(qiáng)的工程實(shí)踐背景；此案例在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，包括控制電機(jī)選擇、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇與設(shè)計(jì)等內(nèi)容；在電氣方面包括基本電路設(shè)計(jì)、電氣元器件選擇與搭配，傳感器的選擇等；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，包括硬件平臺的搭建，也包括軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其內(nèi)容涵蓋了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的絕大部分內(nèi)容；難度適中且有一定的基礎(chǔ)，先期已通過大學(xué)生創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“便攜式插接管道焊接系統(tǒng)開發(fā)”對此案例內(nèi)容進(jìn)行研究，從項(xiàng)目完成過程看，學(xué)生通過努力可以較好地完成此案例的全部工作。

2.2 教學(xué)案例與傳統(tǒng)教學(xué)具體內(nèi)容融合步驟

在課堂教學(xué)前，要進(jìn)行如下準(zhǔn)備工作：由于機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的提出有其自身的特點(diǎn)，它總是在一定的基礎(chǔ)上提出然后不斷改進(jìn)形成的，所以針對每個(gè)子案例，教師都要準(zhǔn)備一至兩套簡要技術(shù)方案路線來為學(xué)生作為參考，使得學(xué)生能夠按時(shí)提出較為合理的技術(shù)方案；根據(jù)五個(gè)子案例內(nèi)容做好學(xué)生的分組工作，共十組，每兩組負(fù)責(zé)一個(gè)子案例，對每個(gè)子案例給出幾種技術(shù)可能實(shí)現(xiàn)方案，由各組學(xué)生在課下完成相關(guān)方案選擇與細(xì)化，并完成相應(yīng)的辯論預(yù)案。

在課堂進(jìn)行中，一次課堂教學(xué)完成一個(gè)子案例的教學(xué)任務(wù)。教師只是負(fù)責(zé)情景導(dǎo)入及必要的啟發(fā)工作，由負(fù)責(zé)此子案例的兩組學(xué)生自主完成案例完成方案設(shè)計(jì)、討論與辯論任務(wù)。經(jīng)試驗(yàn)，課堂上比較合適的安排如下：

（1）設(shè)計(jì)方案講述：每次由負(fù)責(zé)同一個(gè)子案例兩個(gè)小組根據(jù)各自預(yù)先完成的PPT闡述各自的設(shè)計(jì)方案，每個(gè)小組講5-10分鐘，共需要10-20分鐘。

（2）兩小組成員相互辯論環(huán)節(jié)，先就A組方案進(jìn)行討論， 由B組同學(xué)主要指出其方案的不足，A組同學(xué)就本組方案進(jìn)行辯論，此過程安排15～20分鐘。然后按同樣方法就B組方案進(jìn)行討論，兩種方案的討論共需30～40分鐘。

（3）班內(nèi)其他同學(xué)對兩種方案評論環(huán)節(jié)：由班內(nèi)同學(xué)自由發(fā)言對兩種方案進(jìn)行評論，最后選擇出最優(yōu)方案或提出其他設(shè)計(jì)思路，對于各小組方案的不足可提出補(bǔ)救或改進(jìn)意見。此過程安排20分鐘左右。

（4）教師評論啟發(fā)環(huán)節(jié)：教師應(yīng)從以下幾個(gè)方面對本節(jié)案例課程進(jìn)行總結(jié)，首先對兩組學(xué)生準(zhǔn)備方案的態(tài)度、由所設(shè)計(jì)方案和答辯過程中所體現(xiàn)的專業(yè)素質(zhì)進(jìn)行評價(jià)；然后對學(xué)生所提出方案的本身優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行評價(jià)，并根據(jù)情況對已經(jīng)提出設(shè)計(jì)方案改進(jìn)或補(bǔ)救意見進(jìn)行總結(jié)；最后根據(jù)具體情況對學(xué)生設(shè)計(jì)思路進(jìn)行啟發(fā)，如可以提出其他設(shè)計(jì)思路等。

3 兩種教學(xué)模式下學(xué)生的教學(xué)效果對比

在兩屆學(xué)生中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過學(xué)生問卷和試卷成績測評來比較不同教學(xué)模式下的教學(xué)效果。分別對兩屆學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，統(tǒng)計(jì)結(jié)果對比如見表1，其中2015屆是按傳統(tǒng)教學(xué)法講授課程，2016屆學(xué)生引入案例教學(xué)法講授本課程，同時(shí)將課程成績統(tǒng)計(jì)結(jié)果也列入表1中。

在表1中：

F1：機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論掌握程度（%）

F2：機(jī)械結(jié)構(gòu)選擇掌握程度（%）

F3：電氣元件選擇掌握程度（%）

F4：硬件平臺選擇掌握程度（%）

F5：對軟件編程的掌握程度（%）

F6：對于案例與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合的滿意度（%）

注：對于F1至F5，0%為完全不能掌握，100%為完全掌握。對于F6，0%為完全不能滿意，100%為完全滿意。

從表1可以看出，學(xué)生在對于新的教學(xué)模式是比較認(rèn)可的，且從客觀上看，其成績也有較大的提高，因而此種方式對于專業(yè)綜合類課程是比較適合的。從學(xué)生進(jìn)行案例各部分的內(nèi)容制作來看，學(xué)生熱情很高，同時(shí)確實(shí)涌現(xiàn)了許多較新想法，其中有些想法已經(jīng)成功申請了國家專利。通過兩屆學(xué)生的對比教學(xué)，可以看出，在“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程中引入案例教學(xué)法能夠提高學(xué)生對于本課程的學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)學(xué)生對機(jī)電一體系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行較深入的思考，提高了其對機(jī)電一體化系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

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