項目式教學過程中對機電專業(yè)學生工程能力培養(yǎng)的探索與研究

張紅勇 鄭勐 張曉暉 黃軍勤 劉瑋 徐瑾

摘要：工程教育認證通用標準明確要求工科畢業(yè)生具備“設計復雜工程問題解決方案”的工程能力。工程能力體現(xiàn)在解決工程問題的技術(shù)方案佳、成本低、性能強、操控清晰、運行安全可靠、布局規(guī)劃合理等方面。文章以項目式教學過程中的機電項目為例，對如何培養(yǎng)機電專業(yè)學生具備綜合工程能力進行探索與研究。

關(guān)鍵詞：工程教育認證；復雜工程問題；工程能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）31-0088-02

一、教學項目規(guī)劃

項目式教學讓學生真實體驗工程項目的整個實施過程，以小見大。針對工程人才實際需求和學生專業(yè)知識參差不齊的情況，不同專業(yè)的教師團隊設計和規(guī)劃切合工程實際、覆蓋專業(yè)寬的多層次、高質(zhì)量綜合項目，將工程能力涉及的方方面面滲透到項目教學實施過程中的各個環(huán)節(jié)：（1）設計、測試環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的自主學習意識，查閱資料，了解專業(yè)知識及相關(guān)工程實際現(xiàn)狀、不足、迫切需要解決的問題等；設計技術(shù)方案，測試可行性，確保運行安全可靠，核算成本。（2）加工生產(chǎn)、組裝調(diào)試階段，引導學生仔細觀察、發(fā)現(xiàn)問題，用理論分析解決問題，提出改進思路。（3）激發(fā)學生敢于想象，靈活思維，對項目整體性能進行優(yōu)化、提升和創(chuàng)新。

二、教學過程具體實施

教學過程中，教師根據(jù)學生的專業(yè)知識層次將學生分組，以項目團隊形式在規(guī)定學時完成項目選擇、方案設計、測試驗證、裝配調(diào)試、撰寫報告的整個實踐過程。方案佳、成本低、性能強、操控清晰、運行安全可靠、布局規(guī)劃合理的項目，是工程設計人員綜合工程能力強的真實體現(xiàn)。如何使學生初步具備上述解決復雜工程問題的能力，是一個值得探索的課題。

1.引導學生了解項目多樣化的實際需求，通過對比論證不同技術(shù)方案，培養(yǎng)學生具有設計方案佳、成本低、性能強的工程能力。復雜的機電項目，由若干相互獨立的子功能項目或相互耦合的子功能項目構(gòu)成，對相互耦合的子功能項目，某一子功能項目調(diào)整，不僅其自己獨立的部分性能狀態(tài)發(fā)生變化，而且與其耦合的其他子功能項目性能狀態(tài)也會受影響，發(fā)生變化。因此，方案設計時，把項目拆解成相互獨立或耦合程度盡可能弱的多項子功能項目，是順利完成整個項目至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

對拆解的每一子功能項目，查閱資料，在掌握了解類似項目技術(shù)現(xiàn)狀、存在問題的基礎上，精心研究，設計方案，保持或改變?nèi)魏胃信d趣的可調(diào)變量，應變量隨之相應改變，項目性能狀態(tài)調(diào)整，達到期望的要求。以機電項目為例，機械專業(yè)學生提出各自的想法，有不同的結(jié)構(gòu)、傳動及鏈接；電氣控制專業(yè)的學生根據(jù)不同機械結(jié)構(gòu)、傳動提出多種控制方案。以基礎的電機驅(qū)動為例，選擇不同的控制元件、控制方式、驅(qū)動電機（如圖1），達到同一目標。

項目拆解、設計方案過程中，項目成員探索討論，相互協(xié)作，對負責設計內(nèi)容進行調(diào)整時，必須顧及對其他隊友負責設計部分可能帶來的影響，培養(yǎng)良好的團隊意識。多種想法思路的碰撞，不同專業(yè)知識的滲透制約，促動探求欲強學生持續(xù)性、自主性學習能力的不斷提升。預算不同方案的各種成本，包括元件、加工生產(chǎn)及后期運行維護成本等，將實際成本控制在課程項目計劃的范圍，培養(yǎng)學生的綜合成本控制意識。衡量性能、成本之比，作為選擇項目最佳控制方案的主要條件，達到鍛煉學生選擇低成本、強功能方案的工程意識和能力。

2.引導學生了解項目使用背景，培養(yǎng)學生設計操作系統(tǒng)清晰易懂、符合使用人員習慣的工程能力。HMI（Human Machine Interface）是系統(tǒng)和使用者之間交換信息的窗口。要讓學生明確：HMI必須全面展示項目的各種功能，各功能間的制約、聯(lián)動及重要監(jiān)控參數(shù)、報警信息等，這要依靠條理清晰易懂的HMI可操作信息和提示信息。培養(yǎng)學生具有下列品質(zhì)：（1）按照項目對象的應用場合及各子功能項目類型、使用頻率高低，合理劃分功能區(qū)域，提高操作效率；（2）通過不同顏色的窗口、字體等信息區(qū)分不同功能，減少誤操作；（3）思考顧及使用人員的背景?；谏鲜鲆蛩?，培養(yǎng)學生設計適合操作人員背景的友好、易懂的HMI操作界面的工程能力。

3.引導學生了解項目的使用環(huán)境，培養(yǎng)學生設計項目運行穩(wěn)定、可靠安全，實物布局、規(guī)劃合理的工程能力。穩(wěn)定、可靠、安全的意識貫穿項目教學整個過程。（1）工程項目保護部分比主控部分更重要，設計階段全面考慮常見的傳動超行程、電機拖動過載、短路，溫度超溫等，以及各功能單元的制約互鎖等，從技術(shù)方案源頭確保安全；（2）加工裝配階段，學生動手操作，涉及各種設備、工具的規(guī)范使用，安全操作；（3）調(diào)試階段，盡力減少可以避免的損失，規(guī)范操作，打開電源開關(guān)之前進行電源檢測，避免由于電源類型、幅值不正確造成元件的損壞；通電以后，仔細觀察是否有怪聲、過熱等異常現(xiàn)象，隨時做好斷電的準備；如有異常，立刻斷電，查明故障，未查明原因，不得通電。項目教學過程中要將工程安全、可靠意識印在每一個學生心里。

復雜工程項目，分為三大單元，即執(zhí)行單元、本地操作控制單元和遠程操作控制單元。本地操作控制單元為項目的檢測調(diào)試、現(xiàn)場維護提供方便；遠程操作控制單元改善工作環(huán)境，自動化、智能化程度提高。項目合理布局、規(guī)劃體現(xiàn)在：（1）分析工程項目的實際運行狀況，遠程和本地操作控制的功能分類合理，避免冗余重復；（2）執(zhí)行單元內(nèi)部工程件布局合理，保證工程件安裝方便，確保足夠的運轉(zhuǎn)空間，拆裝維護空間、散熱空間；操作控制單元，保證物理空間，確?？刂圃骷牟季趾侠恚B線方便，避免電磁感應的干擾；（3）各單元間布局合理，符合規(guī)范標準。保護不同單元間傳輸信號的連接部分，對運動單元的連接，確保在運動過程中不會出現(xiàn)擰絞、長度不夠、拉斷等損壞現(xiàn)象。

三、教學項目實例展示

圖2是教學項目帶傳動運送物件實例：機械結(jié)構(gòu)設計了運送物件和推物件兩套運動系統(tǒng)；電控功能，兩套電機驅(qū)動控制；推物件電機驅(qū)動根據(jù)是否有物件運送到位的檢測信號周期性啟動、停止；對物件計數(shù)，達到設定數(shù)量，傳送電機驅(qū)動停止，發(fā)出提示信息。整個項目達到模擬實際工程應用的效果。

四、結(jié)束語

在新形勢、新需求下，加強工科生工程綜合能力培養(yǎng)，是對新工科學生培養(yǎng)方式、內(nèi)容的探索，是對工科學科建設的優(yōu)化和內(nèi)容升級的基礎。我們在工程技術(shù)綜合實踐項目式教學過程中，將不斷探索、總結(jié)、改進，使其成為我校各專業(yè)學生理論學習的延伸、實踐學習的依托，真正發(fā)揮其跨學科、綜合性的教學優(yōu)勢。

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