基于 CDIO的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程改革探索

王曉云 李夢

【摘 要】《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》是大機械類專業(yè)的一門主干課程，該門課程的教學(xué)效果極大影響學(xué)生未來的創(chuàng)造力。本文針對目前該門課程教學(xué)中出現(xiàn)的理論授課枯燥，脫離實際應(yīng)用等問題，提出基于CDIO的項目化教學(xué)改革，從教學(xué)思維到教學(xué)方式都提出了大膽的嘗試。通過課程改革，不僅增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，且提高了學(xué)生的實踐能力。

【關(guān)鍵詞】CDIO；項目教學(xué)；教學(xué)改革

【中圖分類號】G642.0 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】2095-3089（2018）31-0004-02

一、引言

《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》是機械設(shè)計制造及其自動化、測控技術(shù)與儀器、機械電子工程專業(yè)的主干課程和平臺課程，該課程將機構(gòu)學(xué)、機械設(shè)計、電氣及電子技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)、信號處理技術(shù)等多學(xué)科不同領(lǐng)域的技術(shù)融于一體，是對相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程所授知識的補充和綜合應(yīng)用。課程最終目的要求學(xué)生具備能夠綜合運用機電系統(tǒng)相關(guān)的各類知識完成從分析、設(shè)計到優(yōu)化等實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程的能力。

近幾年來，隨著信息化與工業(yè)化融合，機電一體化技術(shù)也隨著網(wǎng)絡(luò)化的融入邁入智能化階段，其在各個工業(yè)行業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用的同時，催生了相關(guān)技術(shù)的更新?lián)Q代及升級。比如工業(yè)4.0強調(diào)了“信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)”，以信息驅(qū)動機電系統(tǒng)的運行，除了傳統(tǒng)的制造過程外，傳感器提供原始數(shù)據(jù)以及控制系統(tǒng)所需的反饋，智能嵌入式設(shè)備進行判斷并通過無線互連以協(xié)同工作。機電行業(yè)正在歷經(jīng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化帶來的升級，與之相應(yīng)，本門課程也應(yīng)順應(yīng)對市場巨變下對人才規(guī)格的需求，進行相應(yīng)的改革，以期適應(yīng)市場的要求。

二、教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前，多數(shù)高校中該門課程采用理論教學(xué)方式，按照機電一體化相關(guān)概念、執(zhí)行與驅(qū)動裝置、測量與傳感裝置、嵌入式控制系統(tǒng)以及系統(tǒng)集成及應(yīng)用等幾大模塊進行授課，每個模塊細(xì)分為對應(yīng)相關(guān)基礎(chǔ)課程的若干個篇章，與該門課程配套的教材通常也按照上述模塊編排，知識點較為分散，系統(tǒng)集成及應(yīng)用部分仍停留在傳統(tǒng)機電技術(shù)的講解上，已不適應(yīng)現(xiàn)階段應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。

該課程應(yīng)著眼于學(xué)生系統(tǒng)工程意識和機電綜合能力的培養(yǎng)，對學(xué)生的動手能力要求很高，縱觀我國高?！稒C電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程的教學(xué)模式，普遍存在以下不足：

1.教學(xué)內(nèi)容。

本課程通常于三年級開設(shè)，在課程開設(shè)之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了機械原理、控制理論、檢測技術(shù)等相關(guān)課程，課程教學(xué)中只是各部分知識的簡單重復(fù)和回顧。且課堂教學(xué)內(nèi)容為對知識點的講述雖覆蓋面廣，但知識點零散，互聯(lián)性差，知識模塊之間無法銜接融合，不利于學(xué)生掌握實際產(chǎn)品的開發(fā)過程中應(yīng)用到的多學(xué)科知識的交叉和互聯(lián)。本門課程教材注重基礎(chǔ)知識的冗長理論推理，技術(shù)不能及時更新，時效性差，原理性內(nèi)容介紹與實際工業(yè)應(yīng)用相差甚遠(yuǎn)，與當(dāng)前機電系統(tǒng)的發(fā)展脫節(jié)，且不符合地域性機電類綜合人才的培養(yǎng)。課程應(yīng)用實際操作性差，學(xué)生對系統(tǒng)的概念較為模糊，在實例講解過程中，學(xué)生知識被動接受，對方案設(shè)計的優(yōu)化并無實質(zhì)性的理解，主動性的系統(tǒng)設(shè)計與分析更少之又少。

2.教學(xué)方式。

理論授課以單方面的講授為主，往往是知識的灌輸，教學(xué)方式單一，學(xué)生被動的學(xué)習(xí)和記憶。實踐教學(xué)課時偏少，缺乏開放性、綜合性、設(shè)計性實驗。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)往往采用PLC等成品實訓(xùn)設(shè)備，并不符合該課程實訓(xùn)要求和特點，學(xué)生依照實驗指導(dǎo)書模仿，談不上系統(tǒng)集成和創(chuàng)新設(shè)計。且目前采用的合班上課形式難以兼顧實踐教學(xué)分離，使其與理論教學(xué)分離，教學(xué)效果大大減弱。

3.教學(xué)管理。

考核方式單一，以一張試卷來決定學(xué)生是否合格無法體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新和應(yīng)用能力。常規(guī)性書面作業(yè)無法提升學(xué)生的系統(tǒng)應(yīng)用能力，若日常無反饋，無法掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的實時動態(tài)，學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)也就無從談起。如果能轉(zhuǎn)換教學(xué)方式，以學(xué)生為主體，主動的學(xué)習(xí)，這樣在教學(xué)效果上會有很大提高

三、基于CDIO的項目化課程實施方案

在高等教育進入大眾化階段后，應(yīng)用型本科教育逐步被世界各國所提倡和推廣。應(yīng)用型人才通常定義為復(fù)合性人才，即，學(xué)生具有以深厚專業(yè)理論和可供廣泛遷移的知識平臺，且具備利用知識和技術(shù)解決生產(chǎn)、服務(wù)、管理等方面的實際應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力及社會適應(yīng)能力。簡單的說，即具有解決實際問題能力的人。

以應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求為導(dǎo)向的本科教育，特別針對適應(yīng)當(dāng)前工業(yè)發(fā)展需求的新型機電類人才培養(yǎng)，提出基于CDIO的項目主動體驗式教學(xué)改革[1，2]，即利用CDIO工程教育模式（構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）），以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，將工程和產(chǎn)品的概念融入實際教學(xué)中，以實際機電系統(tǒng)開發(fā)項目的課程實例，探索一種新型的學(xué)生體驗式主動學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，讓學(xué)生真正的以自主、實踐、交互的方式學(xué)習(xí)本課程，掌握課程的精髓并應(yīng)用于工程實踐中，培養(yǎng)真正的機電類產(chǎn)業(yè)工程師和應(yīng)用型本科人才。

CDIO理念強調(diào)了學(xué)生以主動實踐建立在真實世界的產(chǎn)品和系統(tǒng)來學(xué)習(xí)和領(lǐng)會交叉學(xué)科間的有機聯(lián)系，《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程涵蓋了多領(lǐng)域技術(shù)，恰恰為開展以CDIO為主線的教學(xué)提供了課程改革的土壤。本課程與生產(chǎn)、生活實際緊密聯(lián)系，以實際項目為載體，結(jié)合案例分析、討論與互動、實踐教學(xué)等多種方式開展教學(xué)活動。

1.教學(xué)思想改革。

《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程不死板的照搬傳統(tǒng)的教學(xué)模式和教學(xué)方式，教學(xué)過程中，滲透CDIO教學(xué)理念，激發(fā)學(xué)生主動式學(xué)習(xí)體驗。

課程以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為導(dǎo)向和原則，以提高學(xué)生綜合運用各領(lǐng)域知識分析和解決實際問題的能力為目的，盡可能地互聯(lián)并貫通課程中的知識點，穿插入與課程相關(guān)的研究項目和實際技術(shù)問題中，讓學(xué)生深入學(xué)習(xí)項目實施過程中各個階段所涉及的專業(yè)技術(shù)知識以及具體問題解決方法，在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，提出可能出現(xiàn)的問題和相應(yīng)的解決方案，從而提高學(xué)生綜合運用本專業(yè)知識分析、理解和解決實踐問題的能力。

2.教學(xué)內(nèi)容建設(shè)。

（1）教學(xué)規(guī)劃重新設(shè)置。

從教學(xué)規(guī)劃始，依照CDIO教學(xué)理念重新編寫教學(xué)大綱、教學(xué)和課程規(guī)劃；編寫適應(yīng)本地域的機電類人才的教材，制作多媒體課件，完善課程的教學(xué)和課程設(shè)計題目的編寫，精選實際案例進行編寫和項目流程設(shè)計。課時分配方面，傳統(tǒng)的課堂講授比例減小，加入實驗、實踐訓(xùn)練及項目環(huán)節(jié)。

（2）知識精講。

學(xué)生在本門課程開設(shè)之前學(xué)習(xí)了機電一體化系統(tǒng)各組成部分的原理，理論授課時則以知識體系為主線，重點是課程內(nèi)容中知識模塊之間的銜接融合部分，而多學(xué)科知識點間的交叉往往是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點，通過點的精講，以點帶面，達到知識的融會貫通。

（3）介紹最新的技術(shù)。

從機電結(jié)合的角度介紹機電一體化系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容及應(yīng)用領(lǐng)域、典型機電一體化產(chǎn)品的分析與設(shè)計等內(nèi)容。結(jié)合最新的研究成果，介紹當(dāng)前行業(yè)動態(tài)，避免教學(xué)與生產(chǎn)實際脫離。增加反映學(xué)科發(fā)展的新系統(tǒng)、新案例，明確機械、電子、測控等各部分內(nèi)容的相互聯(lián)系和結(jié)合，體現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)的系統(tǒng)性及實用性。

3.教學(xué)模式建設(shè)。

完善“基于CDIO的項目主動體驗式教學(xué)”的《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程教學(xué)模式。以項目訓(xùn)練為應(yīng)用型人才培養(yǎng)的主要方式，推進以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的基于探索和實踐的教學(xué)改革。按照實際項目任務(wù)驅(qū)動來進行《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程教學(xué)規(guī)劃和組織教學(xué)活。探索與研究應(yīng)用性人才培養(yǎng)相適應(yīng)的教學(xué)方法與手段，形成具有專業(yè)特色的一流教學(xué)內(nèi)容和方法。

（1）討論與互動教學(xué)模式。

教學(xué)過程本身應(yīng)為教師和學(xué)生以信息為載體的互動過程。為了使學(xué)生積極加入到課堂教學(xué)，形成從被動聽課到主動參與的轉(zhuǎn)變，課程將設(shè)計理論和研究項目的教學(xué)過程存在的相關(guān)理論和技術(shù)問題融于討論。以實例為引線，從系統(tǒng)觀點出發(fā)引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生思考并發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計時的精髓，并以學(xué)生上臺講演和討論互動為教學(xué)方式，以具體問題的理論基礎(chǔ)和提出解決問題的方法為討論內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生聽課的熱情和參與討論的積極性，引導(dǎo)學(xué)生形成解決實際工程問題的思考過程，實現(xiàn)主動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的綜合能力[3]。

（2）增設(shè)實踐教學(xué)項目環(huán)節(jié)，與工程實踐相結(jié)合，與科研活動相結(jié)合。

實驗、實訓(xùn)及項目教學(xué)是本課程教學(xué)改革的重中之重，在實際技術(shù)問題解決的過程中秉承CDIO教學(xué)理念，提高應(yīng)用機電一體化理論知識、分析和設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的工程實踐能力。因此需要建立多層次的實驗體系，并積極探索面向解決問題綜合性實驗和面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的開放性、創(chuàng)新性實驗等多種實踐形式[4]。

增加實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，在課堂教學(xué)之外利用已有的教學(xué)和實驗條件讓學(xué)生接觸實際的機電系統(tǒng)。比如，使用（光）機電一體化實訓(xùn)設(shè)備開設(shè)綜合性實驗。此類實驗設(shè)備涵蓋了課程習(xí)中涉及的各類驅(qū)動、傳感器等多種技術(shù)，為學(xué)生營造了典型的機電產(chǎn)品學(xué)習(xí)認(rèn)知環(huán)境。通過綜合性實驗設(shè)置，完成系統(tǒng)故障檢測、站點間聯(lián)網(wǎng)程序控制等，學(xué)生能夠獲得綜合性機電一體化技術(shù)的初步認(rèn)識和提升。

在教學(xué)中利用各類競賽的契機和氛圍，帶領(lǐng)學(xué)生開發(fā)小型機電一體化系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生初步的動手能力和創(chuàng)新意識。例如開設(shè)慧魚機器人的組裝和調(diào)試環(huán)節(jié)，不僅能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，亦可鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)能力，鍛煉其實踐能力和創(chuàng)新能力。

為了提高學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計能力和工程意識，在本課程的實踐環(huán)節(jié)中開設(shè)項目任務(wù)教學(xué)模式。項目教學(xué)以工程實踐為導(dǎo)向，通過完成一個完整的“項目”工作而進行的實踐教學(xué)活動。通過將一個明確的“項目任務(wù)”布置給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求進行資料整理—系統(tǒng)方案設(shè)計—子系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)—系統(tǒng)方案優(yōu)化，實現(xiàn)多類知識點的綜合應(yīng)用。

項目任務(wù)加強學(xué)生系統(tǒng)分析的訓(xùn)練，有助于提升學(xué)生分析解決實際工程問題的能力的同時，教學(xué)方式的改進也提高了對教師本身科研和教學(xué)能力的要求。項目任務(wù)源自工程實踐，要求教師不斷地參與科研項目，追蹤學(xué)科前沿，積累的科研成果才可以不斷地充實教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)水平，從而更好的將工程經(jīng)驗服務(wù)于教學(xué)。

4.評價體系建設(shè)。

教學(xué)方式的變革要有與之配套的考核方式[5]。改革后的課程評價已無法適用傳統(tǒng)的閉卷考核方式，考核方式中加大過程性考核，即對學(xué)生查找資料、知識應(yīng)用、知識遷移、分析創(chuàng)新、表達綜述能力的考察。因此采用理論知識隨堂考察，實踐環(huán)節(jié)階段考察、項目任務(wù)附加考察三位一體的考核方式。理論和課程實驗占總成績不超過40%，其余為項目任務(wù)所占比例。項目任務(wù)的完成是團隊協(xié)作和綜合能力的體現(xiàn)，包括資料的查閱、知識的運用；方案設(shè)計情況；討論課講解及回答問題情況；實際設(shè)計情況；實際動手能力的評價；總結(jié)報告質(zhì)量。完善各項目的考核辦法，設(shè)計項目各環(huán)節(jié)的考核標(biāo)準(zhǔn)，形成對工程素質(zhì)、實踐技能、合作能力等綜合評價體系。

四、總結(jié)

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計這門課程涉及到的技術(shù)領(lǐng)域?qū)挘R體量大，使用的方法和實施的實際案例及產(chǎn)品始終處于發(fā)展之中，課題組針對課程存在問題，將CDIO理念引入課程教學(xué)中，在教學(xué)內(nèi)容、方式上提出相應(yīng)的改進方式，以理論為基礎(chǔ)，以實際應(yīng)用為導(dǎo)向，著重培養(yǎng)學(xué)生的思維方式和實踐能力，使學(xué)生能易于地掌握機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的基本概念和原理，更深刻透徹地掌握相關(guān)知識點及其應(yīng)用，并能熟練地運用課程知識解決工程實際問題。

參考文獻

[1]張榮沂，付彥虹，王蕊，須瑩，and孫婧.“基于CDIO的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)模式研究與實踐”黑龍江工程學(xué)院學(xué)報，pp.77-80，2015.

[2]周媛and 麥云飛. “基于CDIO的“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”課程教學(xué)模式探索”科教文匯， pp. 81-82， 2015.

[3]趙永生， 鄭魁敬， and 姚建濤.“主動體驗型互動教學(xué)模式探討——《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》討論課改革”教學(xué)研究， vol. 33， pp. 47-49，59， 2010.

[4]李衛(wèi)， 張軍昌， 黃玉祥， 侯俊才， 石復(fù)習(xí)， and 陳軍.“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 實踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革”，實驗技術(shù)與管理， vol. 33， pp. 216-218， 2016.

[5]袁健 and 朱龍英.基于CDIO的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 課程考核方法改革的探索，中國地質(zhì)教育， vol. 19， pp. 18-20， 2010.

基金項目：安徽省教育廳質(zhì)量工程教學(xué)研究重點項目2016jyxm0494；安徽信息工程學(xué)院2017年度專業(yè)核心課程建設(shè)項目2017xjkcjs14。