面向工程教育認證的“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”課程教學(xué)改革

王麗 馮益華

摘? 要：工程教育認證是實現(xiàn)國際間專業(yè)及其培養(yǎng)人才互認的主要途徑。為了促進齊魯工業(yè)大學(xué)機械專業(yè)的長足發(fā)展，自2015年機械與汽車工程學(xué)院開始著手進行機械制造及其自動化專業(yè)工程教育認證工作準備?！皺C電一體化系統(tǒng)設(shè)計”課程團隊結(jié)合新形勢下工程教育實際需求，進行了課程改革和體系構(gòu)建。根據(jù)“機電有機結(jié)合”的教學(xué)要求，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式方面進行了相應(yīng)改革，力求知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性和教學(xué)體系完整性的統(tǒng)一。經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐和持續(xù)反饋改進，學(xué)生的多項工程能力得到綜合鍛煉，教學(xué)改革收到了良好效果。

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）14-0130-03

Abstract： Engineering education accreditation is the main way to realize mutual recognition between international majors and talents. In order to promote the rapid development of the mechanical major of Qilu University of Technology， since 2015， the School of Mechanical and Automotive Engineering began to undertake the preparation of engineering education certification for the major of Mechanical Design， Manufacturing and Automation. Combined with the actual needs of engineering education in the new situation， "mechatronics system design" course team carried out curriculum reform and system construction. According to the teaching requirements of "mechatronic combination organically"， the reform of teaching content， teaching methods and assessment methods was carried out， and the unity of the knowledge structure and the integrity of the teaching system was sought. After several years of teaching practice and continuous feedback improvement， many engineering abilities of students have been comprehensively exercised， and teaching reform has achieved good results.

Keywords： engineering education accreditation; mechatronic systems design; engineering practice; educational reform;continuous feedback improvement

我國是工程教育大國，人才質(zhì)量的保證在全球化形勢下尤為重要，工程教育認證是實現(xiàn)國際間專業(yè)及其培養(yǎng)人才互認的主要途徑之一[1，2]。為了促進齊魯工業(yè)大學(xué)機械專業(yè)的發(fā)展，自2015年機械與汽車工程學(xué)院開始著手進行機械制造及其自動化專業(yè)工程教育認證工作準備?！皺C電一體化系統(tǒng)設(shè)計”作為機械制造及其自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)方向課程，近年來本課程團隊結(jié)合新形勢下工程實際需求，不斷進行課程教學(xué)改革，多方探索理論與實踐有機結(jié)合的教學(xué)方法，經(jīng)過教學(xué)實踐和持續(xù)反饋改進，以適應(yīng)工程教育認證的要求。

一、教學(xué)現(xiàn)狀分析

“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”課程是涉及機械、電子、控制、信息等多學(xué)科交叉知識，在大學(xué)三年級第二學(xué)期開課。課程在是在“機電有機結(jié)合”的系統(tǒng)教學(xué)思路引導(dǎo)下，把信息處理、傳感檢測、自動控制、伺服傳動、精密機械和系統(tǒng)總體技術(shù)有機地結(jié)合起來，強調(diào)知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性，而不是對原有多個學(xué)科知識的機械疊加。

目前隨著工程科學(xué)的深入化和精細化，工程科學(xué)研究對從業(yè)者的要求越來越高?；诠こ炭茖W(xué)偏向應(yīng)用的特點，要求工程研究和工程實踐緊密結(jié)合，理論結(jié)合實際不斷反饋演進，這就需要大量的時間、精力和資源投入[3，4]。而且隨著工程方法的發(fā)展和應(yīng)用，“必須掌握”的知識和工具越來越多，從而引發(fā)課堂學(xué)時不夠的普遍問題。另外課堂教學(xué)大多采用以教師為主導(dǎo)通過多媒體教學(xué)平臺進行授課，實踐環(huán)節(jié)輔以少量的單一目標的實驗，在促進學(xué)生理解復(fù)雜工程問題的認識和能力上缺乏引導(dǎo)。以上情況導(dǎo)致機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程的教學(xué)，在理論和實踐之間出現(xiàn)分裂，遠不能滿足工程教育認證的工程類畢業(yè)生能力的要求。

二、課程改革及體系構(gòu)建

（一）教學(xué)內(nèi)容的改革

在課程內(nèi)容方面，“機電有機結(jié)合”的教學(xué)要求，需要做到知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性和教學(xué)體系完整性辯證統(tǒng)一。在教學(xué)過程中，需要將“機電有機結(jié)合”的教學(xué)理念貫穿始終。在各章節(jié)知識的講解中，并不嚴格根據(jù)教材的章節(jié)順序進行，而是將整個課程內(nèi)容用一些典型機電一化系統(tǒng)或產(chǎn)品把章節(jié)知識前后穿插呼應(yīng)。如在講授“機械系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計”中的“機械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立”時，可以和“機電一體化系統(tǒng)元、部件的特性分析”中自動控制理論的系統(tǒng)傳遞函數(shù)知識結(jié)合起來，在教學(xué)“機械系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計”中的“機座和機架設(shè)計”時，可以和“機電一體化系統(tǒng)元、部件的特性分析”中的“動態(tài)特性分析”結(jié)合起來。也很好的滿足了工程教育認證標準提到的理解系統(tǒng)的概念，能在機械工程領(lǐng)域內(nèi)針對復(fù)雜機械工程問題進行建模、分析和求解，并能對系統(tǒng)進行改進、優(yōu)化的指標點要求[3]。

另外，總結(jié)積累課程組教師團隊參與研究的具體工程案例，如“搪瓷內(nèi)膽缺陷檢測系統(tǒng)的開發(fā)”，“控水閥性能測試系統(tǒng)的研發(fā)”，“機場快調(diào)車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計”，“陶瓷潔具噴釉機器人”等。根據(jù)這些案例的特點，將所涉及到的知識點和現(xiàn)代工具的使用有機結(jié)合，具體講解工程案例中采用的分析方法和工具，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，如常用的工程分析軟件的種類和使用、工程測試軟硬件工具、加工制造方式等。以上措施很好的切合了工程教育認證標準提到的使用現(xiàn)代工具，能夠針對機械產(chǎn)品和裝備設(shè)計、開發(fā)和制造中復(fù)雜工程問題，選擇與使用現(xiàn)代計算、設(shè)計、測試、制造和仿真分析等軟硬件工具的指標點要求[4]。

（二）教學(xué)方法的改革

教學(xué)過程是教師、學(xué)生、教學(xué)媒介多方互動過程。傳統(tǒng)的教學(xué)方法以教師為中心、以課堂講授為主，存在學(xué)生被動接受灌輸?shù)闹R，學(xué)習狀態(tài)和教學(xué)效果不佳的問題。因此不斷增加可以反映本學(xué)科最新科技成果和實踐動態(tài)等相關(guān)教學(xué)內(nèi)容顯得尤為必要[5]。為了適應(yīng)新形勢的工科教育，有效提高學(xué)生主動參與積極性，本課程將課堂講授、答辯互動、項目研究和現(xiàn)場教學(xué)結(jié)合起來，及時轉(zhuǎn)換教師和學(xué)生的主體角色，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣、培養(yǎng)學(xué)生的解決問題的綜合能力。

理論教學(xué)把信息處理、傳感檢測、自動控制、伺服傳動、精密機械和系統(tǒng)總體技術(shù)有機地結(jié)合起來，強調(diào)知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性和教學(xué)體系完整性辯證統(tǒng)一;基于團隊的主題報告項目，可以引導(dǎo)學(xué)生深入掌握課程的理論知識體系，提高綜合運用現(xiàn)代工具研究工程問題的能力，而且可以鍛煉學(xué)生論文寫作和表達能力，提高其分析問題和解決實際工程問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念;答辯互動充分激發(fā)學(xué)生的團隊協(xié)作能力，提高學(xué)生的參與興趣;現(xiàn)場教學(xué)結(jié)合我校特色實驗室的機電一體化裝備實物，如山東省精益生產(chǎn)物流自動化工程技術(shù)研究中心的物流裝備、中國輕工業(yè)裝備制造與智能測控重點實驗室的瓷磚包裝機生產(chǎn)線等，通過實地解析各系統(tǒng)的工作原理，引發(fā)學(xué)生的討論和思考，將課堂教學(xué)內(nèi)容真正有機整合，進一步加強學(xué)生深入理解機電一體化的系統(tǒng)概念和工程實踐面臨的各種挑戰(zhàn)。

（三）考核方式的改革

由于本課程所涉及的內(nèi)容較多，知識廣泛，理論性和實踐性都較強，因此采用常規(guī)的考試方式對考核學(xué)生在知識的應(yīng)用與實踐能力方面稍顯不足。本課程針對以上特點改進考核方式，引導(dǎo)學(xué)生把學(xué)習的重點放在知識的應(yīng)用和解決實際問題的能力訓(xùn)練上。具體的考核方式采用試卷（開卷）、團隊主題報告演講、個人專題報告等多種形式，從理論基礎(chǔ)、創(chuàng)新意識和工程實踐能力等多方面評價學(xué)生的工程素養(yǎng)。

三、教學(xué)改革實施實例

（一）統(tǒng)籌規(guī)劃

系統(tǒng)規(guī)劃機電一體化系統(tǒng)設(shè)計理論課程和實踐環(huán)節(jié)過程，提煉各環(huán)節(jié)的相關(guān)理論和技術(shù)問題，以工程教育認證的考核標準和培養(yǎng)工程素養(yǎng)的角度，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習。用理解機電一體化的系統(tǒng)概念和解決復(fù)雜工程問題為契機，促使學(xué)生使用現(xiàn)代信息技術(shù)，了解和獲取工業(yè)領(lǐng)域的前沿動態(tài)和科技最新進展，選取典型機電系統(tǒng)構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)為實踐環(huán)節(jié)主題，以達到綜合訓(xùn)練學(xué)生能力，提高學(xué)生綜合運用專業(yè)知識、現(xiàn)代工具分析、理解和解決理論和實踐問題的能力。

（二）團隊分組

根據(jù)本課程的教學(xué)大綱的要求，進行課時分配和選課學(xué)生人數(shù)的統(tǒng)籌規(guī)劃。在上課之前對課程進行總體規(guī)劃，由于選修課會遇到個別學(xué)生棄選的情況，所以在開課后第2個學(xué)時進行小組分配方案的調(diào)整，開課第4個學(xué)時即確定最終的分組名單。

本課程總學(xué)時32學(xué)時，第一階段的16個學(xué)時為理論教學(xué)環(huán)節(jié)，第二階段為現(xiàn)場教學(xué)環(huán)節(jié)，第三個階段為基于團隊的主題研究環(huán)節(jié)，第二第三階段為實踐環(huán)節(jié)，隨著每個學(xué)期選課學(xué)生的變動進行靈活分配調(diào)整。

以培養(yǎng)學(xué)生團隊合作意識為宗旨，根據(jù)選課人數(shù)和課時安排靈活分組。具體操作大致采取打亂班級界限、打亂學(xué)號順序的方式進行編組，避免出現(xiàn)學(xué)生能力強弱不均、部分學(xué)生抱團排外的弊端，力求公正公平、充分激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，調(diào)動每個成員的團隊意識。

這期間部分學(xué)生對團隊成員之間的溝通交流存在畏難情緒，以各種借口申請調(diào)整團隊分組方案，此時需要堅持分組原則，并且依托各班干部進行情況調(diào)查，排除學(xué)生心理的顧慮，鼓勵學(xué)生之間建立良好的同學(xué)友誼。

一旦團隊分組名單確定完成，開始對學(xué)生以團隊為單位安排座次，并要求后續(xù)上課時按照團隊分組座次落座，貫徹課堂紀律，如此一方面可以加深同專業(yè)不同班級學(xué)生之間的相互了解，另一方面方便考勤，以小組集體協(xié)作的方式督促同組學(xué)生學(xué)習進步。

（三）課堂教學(xué)

教學(xué)第一階段以講授法教學(xué)方法為主，輔以案例、討論、情景教學(xué)等方法，對本課程所要教授的理論知識進行教授。

在此過程中，進行第二階段教學(xué)的準備工作，設(shè)計考核任務(wù)清單，包括報告內(nèi)容、宣講時長、答辯表現(xiàn)等考核要求。在第一階段課程進行過程中制定如下教學(xué)計劃和節(jié)點控制：1. 團隊分組;2. 團隊任務(wù)下達;3. 在小組成員充分熟悉和交流的情況下，初步?jīng)Q定團隊報告主題;4. 引導(dǎo)學(xué)生進行團隊報告主題的調(diào)整和確定;5. 由團隊代表抽簽選擇報告順序;6. 團隊報告的準備;7. 團隊主題報告;8. 團隊分組答辯;9. 教師點評，小組互評;10. 提交個人報告材料、團隊報告材料、報告ppt。

（四）主題報告

教學(xué)第二階段以學(xué)生為主體，在團隊任務(wù)的驅(qū)動下，按照計劃方案實施，教師引導(dǎo)各團隊小組成員分工合作，共同完成主題報告演講和報告材料的提交。

為了增加課堂的趣味性，主題報告后的團隊分組答辯、小組互評的環(huán)節(jié)，答辯小組的同學(xué)集思廣益，互動場面熱烈，使學(xué)生們能夠充分感受和參與教學(xué)。

教師根據(jù)團隊演講報告情況，除了提問，還按照團隊主題報告任務(wù)的要點進行多方面點評，包括報告時長控制、內(nèi)容組織、報告形式、ppt制作、主題講述效果、答辯效果等，幫助學(xué)生了解學(xué)習學(xué)術(shù)報告和主題宣講的規(guī)范，拓展學(xué)生多方面能力。最后按照考核要點給出個人的最終成績。

（五）教學(xué)調(diào)研

課程結(jié)束后，對學(xué)生進行教學(xué)方法的調(diào)研，包括以團隊為單位提交課程評價和建議，包括課后感想，教學(xué)形式的優(yōu)點、缺點及改良建議。針對每一輪教學(xué)過程中學(xué)生集中反饋的問題，教師通過學(xué)習教學(xué)技巧、增強專業(yè)知識和咨詢資深教師等多種方法，不斷改進，以期持續(xù)改進課程教學(xué)方案和效果。

四、教學(xué)改革效果反饋

根據(jù)本課程近年來積累的教學(xué)資料進行統(tǒng)計分析，從多方面總結(jié)教學(xué)改革效果，對持續(xù)改進課程教學(xué)方案提供支撐。

（一）對2015-2018年度的報告主題進行統(tǒng)計（見表1）

通過比較和分析，每學(xué)年團隊報告主題覆蓋面廣，緊跟工業(yè)領(lǐng)域的前沿動態(tài)和科技最新成果。

在進行團隊報告主題確定時，鼓勵團隊成員選擇自己的參加實踐類比賽的優(yōu)秀成果作為報告內(nèi)容，如2015年的主題“硬幣分揀機”、“智能點滴報警系統(tǒng)”、“甘薯秧苗移栽機”;2016年的主題“公交車新型投幣箱”;2017年的主題“智能小花匠”、“硬幣分揀裝置”;2018年的主題“多功能搜救機器人”均是各年級學(xué)生參加全國機器人大賽、山東省機電創(chuàng)新大賽、山東省機器人大賽等比賽的獲獎作品。

合適的選題極大的激發(fā)了學(xué)生的參與性和主動性，同時也起到了引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識和實踐成果緊密結(jié)合的作用。從報告效果來看，學(xué)生的講解精彩紛呈，能夠展現(xiàn)出綜合運用專業(yè)知識、現(xiàn)代工具，分析、理解和解決問題的能力，聽講學(xué)生聚精會神、熱烈回應(yīng)。

（二）對學(xué)生提交的課程評價進行統(tǒng)計分析

課程結(jié)束后，對學(xué)生進行教學(xué)方法的調(diào)研，包括以團隊為單位提交課程評價和建議，提交課程學(xué)習總結(jié)。主要內(nèi)容包括三個方面：課程的評價、對課程的建議、學(xué)習本課程的收獲。

通過統(tǒng)計和總結(jié)，課程中存在的問題集中體現(xiàn)在：1. 由于隨機分組，團隊成員之間缺乏了解，需要教師在課堂上鼓勵大家互動、交流;2. 團隊報告經(jīng)驗缺乏，希望增加展示的機會;3. 在團隊報告過程中，增加不同團隊之間的互動和交流。

學(xué)習本課程收獲集中體現(xiàn)在：1. 鞏固了先修課程，加深了專業(yè)知識了解;2. 通過大量不同類型的主題報告，掌握了機電有機結(jié)合的特點，并開拓了視野;3. 體會到團隊合作的重要性，鍛煉了團隊分工協(xié)作的能力;4. 鍛煉了演講和表達的能力。

針對上述問題，在后續(xù)的課程實踐中，分別采取了相應(yīng)的措施，除了在課堂理論教學(xué)過程中鼓勵團隊成員互動，而且在現(xiàn)場教學(xué)的過程中，以團隊為單位進行，在團隊代表抽簽選擇報告順序環(huán)節(jié)，增強團隊成員之間和不同團隊間的互動交流。針對學(xué)生希望增加團隊和個人展示機會的問題，采取全班表決的方式，爭取團隊進行第二次主題報告的機會。針對報告過程中的團隊間互動缺乏的問題，采取鼓勵同主題或相近主題團隊互相提問、答辯，以及鼓勵團隊采用多種展示方式，引發(fā)全體同學(xué)的關(guān)注和討論，更進一步鍛煉學(xué)生團隊協(xié)作和表達能力。

五、教學(xué)改革總結(jié)

綜上所述，教學(xué)改革取得以下效果：

1. 從平時上課情況來看，學(xué)生到課率高，上課認真，學(xué)習主動，鞏固了先修課程，增強了機電專業(yè)的基礎(chǔ)知識和實踐能力的培養(yǎng);2. 從學(xué)生評學(xué)來看，通過主題報告、合作，同學(xué)們對團隊分組方式表示贊成，對這種課程改革方式反響熱烈。以完成團隊任務(wù)為導(dǎo)向，充分鍛煉和提高了學(xué)生的溝通能力、團隊協(xié)作能力和個人口頭表達能力，并增進了同學(xué)間的友誼;3. 通過團隊主題報告的廣泛選題，一方面學(xué)生能夠主動把課堂理論知識和工業(yè)領(lǐng)域的前沿動態(tài)和科技最新進展相結(jié)合，掌握文獻檢索、資料查詢、調(diào)研及運用現(xiàn)代信息技術(shù)工具的能力;一方面合適的選題極大的激發(fā)了學(xué)生的參與性和主動性，教師也從學(xué)生的匯報討論中獲益匪淺，教學(xué)效果良好。

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