新工科與工程認證背景下《機電一體化產(chǎn)品設(shè)計》的教學(xué)改革探索

楊依領(lǐng)，崔玉國

(寧波大學(xué) 機械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波)

一 引言

《機電一體化產(chǎn)品設(shè)計》是高等工科院校機械制造及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)必修課，主要向?qū)W生介紹機電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)理論和設(shè)計方法，提升學(xué)生對機電一體化產(chǎn)品進行分析設(shè)計的能力[1-3]。通過學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生科學(xué)的思維觀以及工程師嚴謹細致的工作作風(fēng)得到培養(yǎng)，專業(yè)理論知識轉(zhuǎn)化為實際工程產(chǎn)品設(shè)計的能力得到相應(yīng)提升，也有益于學(xué)生進行專業(yè)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計以及畢業(yè)后進行相關(guān)專業(yè)技術(shù)工作。經(jīng)過課堂教學(xué)、平時作業(yè)、期末考試和實驗操作等環(huán)節(jié)，學(xué)生對專業(yè)理論知識的掌握得到增強，理論應(yīng)用于工程、多人團隊協(xié)作以及自主學(xué)習(xí)的能力也得到極大培養(yǎng)。

然而分析機電一體化課程教學(xué)現(xiàn)狀以及機械專業(yè)學(xué)生就業(yè)狀況，可以發(fā)現(xiàn)課程理論與實踐弱關(guān)聯(lián)、學(xué)生能動性不足且缺乏工程思維以及存在就業(yè)困境。究其根本原因，相當(dāng)程度上源于機電一體化實踐訓(xùn)練不足以及學(xué)生缺乏將專業(yè)理論轉(zhuǎn)化為工程實踐的能力。近年來，在國家科技革命和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新等戰(zhàn)略方針政策指導(dǎo)下，教育部及高等院校大力推進新工科建設(shè)及專業(yè)工程認證，對高校課程教學(xué)提出了更多要求以及基本改革理念[4-6]。因此，探索《機電一體化產(chǎn)品設(shè)計》課程教學(xué)改革，并培養(yǎng)學(xué)生將專業(yè)理論知識轉(zhuǎn)化工程實踐的能力，是極其重要的，值得以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的機械專業(yè)和高校進行深入研究。

二 制定課程目標(biāo)

專業(yè)基礎(chǔ)課程目標(biāo)的設(shè)定，需結(jié)合機械專業(yè)學(xué)生的情況及人才培養(yǎng)的具體要求，仔細描述課程學(xué)習(xí)后應(yīng)掌握的理論知識及應(yīng)具備的素質(zhì)能力。課程目標(biāo)的制定會直接影響理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)的組織與實施，也會影響對學(xué)生學(xué)習(xí)達成度評判及后續(xù)教學(xué)的持續(xù)改進[7]。根據(jù)工程教育專業(yè)認證標(biāo)準，課題組以機械專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)為基礎(chǔ)，結(jié)合圖1中本課程對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系以及相應(yīng)達成環(huán)節(jié)，確定了圖2所示的《機電一體化產(chǎn)品設(shè)計》課程目標(biāo)，其中課程目標(biāo)1和課程目標(biāo)2分別在課程達成度中占據(jù)0.8和0.2的權(quán)重。

圖1 課程目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系

圖2 課程目標(biāo)

三 優(yōu)化理論教學(xué)

鑒于學(xué)生所掌握的課程學(xué)科內(nèi)容較為有限，課程內(nèi)容需嚴格、精心地選擇，并保證基本原理、原則和知識在邏輯上的連貫性[8]。分析教材關(guān)鍵性知識以及學(xué)生易誤解和難理解部分可知，本課程重點內(nèi)容為精密機械技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、計算機控制技術(shù)、建模與仿真方法、接口技術(shù)以及設(shè)計準則。為了使授課邏輯清晰，并凸顯課程重點，課題組對理論教學(xué)內(nèi)容及目標(biāo)進行了整合優(yōu)化，確立表1所示的理論教學(xué)安排。

表1 理論教學(xué)安排

四 改進實踐環(huán)節(jié)

提升學(xué)生在機電一體化系統(tǒng)方面的實踐性是機械專業(yè)最核心的建設(shè)內(nèi)容，這是由機械專業(yè)面向?qū)嵺`、面向應(yīng)用的自身特點決定的。所以，充足的實踐訓(xùn)練是機械專業(yè)人才成才的必備條件。另一方面，也符合國家發(fā)展規(guī)劃及教育方針導(dǎo)向。本課程教育的精髓在于實踐與應(yīng)用，培養(yǎng)的機械專業(yè)人才最終歸宿也是服務(wù)于機電一體化產(chǎn)品設(shè)計實踐。因此，課程實驗設(shè)置需圍繞理論教學(xué)主線，且覆蓋重點內(nèi)容。為了使課程理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)有機結(jié)合，課程實踐環(huán)節(jié)安排如表2所示。

表2 實踐環(huán)節(jié)安排

五 加強考核評價

為了評定和分析學(xué)生學(xué)習(xí)效果，也為了后續(xù)教學(xué)改進，課題組對課程成績考核和達成度評價進行了設(shè)計。具體地，課程采用課堂討論和表現(xiàn)(10分)、平時作業(yè)(20分)、期末考試(50分)和實驗操作(20分)相結(jié)合的方式，對學(xué)生進行考核。

在課堂討論和表現(xiàn)部分，如果學(xué)生交流態(tài)度積極，條理清晰，方案論述正確、可行，且方案方式多樣化，可給予8-10分；若學(xué)生交流態(tài)度積極，條理清晰，方案論述正確、可行，可給予5-7分；若學(xué)生交流態(tài)度尚可，條理基本清晰，方案論述基本正確，可給予3-5分；若學(xué)生交流態(tài)度敷衍，方案論述錯誤多、不可行，則給予0-2分。在平時作業(yè)部分，若學(xué)生平時作業(yè)嚴格按要求并及時完成，正確率95%以上，沒有抄襲情況，可給予18-20分；若作業(yè)按要求并及時完成，正確率80%至95%，沒有抄襲情況，可給予12-17分；若不能按照作業(yè)要求，未及時完成次數(shù)少于三次，但改正及時，態(tài)度端正，可給予9-11分；若不能按照作業(yè)要求，未及時完成，未及時完成次數(shù)大于三次，老師指出后改正態(tài)度端正并補充完成，可給予6-8分；若不能按照作業(yè)要求，未及時完成，老師指出仍不改正次數(shù)達三次以上，則給予0-5分。實驗操作的評分標(biāo)準見表3，實驗操作和期末考試可按百分制評分，總評后折算成相應(yīng)分數(shù)。

表3 實驗評分標(biāo)準表

最后，課程目標(biāo)達成度的具體計算方法描述為：

表4則給出了課程目標(biāo)達成度計算的詳細依據(jù)。

表4 課程達成度計算比例

六 實際應(yīng)用案例

本課程結(jié)合課堂教學(xué)、平時作業(yè)、期末考試和實驗操作等形式，綜合地對學(xué)生課程目標(biāo)達成進行考核，利用平時、實驗和期末成績等來考查學(xué)生們課程目標(biāo)的達成情況。以我校2017級機械制造及其自動化專業(yè)學(xué)生為例，采用上述評價方式對《機電一體化產(chǎn)品設(shè)計》課程目標(biāo)1和課程目標(biāo)2的達成度進行了計算，如表5所示。

表5 課程達成度計算

2017級機械專業(yè)學(xué)生的2個課程目標(biāo)達成度分別為0.81及0.85。2017級和2016級學(xué)生《機電一體化產(chǎn)品設(shè)計》課程目標(biāo)達成度評價值的柱狀圖如圖3所示。通過分析表5和圖3可知：

圖3 課程目標(biāo)達成度

（1） 2017級學(xué)生的課程目標(biāo)1達成度為0.81，較上一屆0.74的達成度有所上升。課程目標(biāo)1主要考查學(xué)生分析及設(shè)計機電一體化產(chǎn)品的能力，主要教學(xué)內(nèi)容是機電一體化產(chǎn)品的機械部分、電氣部分和接口技術(shù)，學(xué)生對這一指標(biāo)點的掌握基本達到期望值。

（2）課程目標(biāo)2的達成度為0.85，較上一屆0.84的達成度略有提升。課程目標(biāo)2主要通過實驗操作環(huán)節(jié)考查學(xué)生綜合利用所學(xué)專業(yè)理論知識的能力，主要內(nèi)容是機器人及其運動控制實驗、齒輪傳動系統(tǒng)的動力學(xué)建模及特性仿真實驗、直流伺服電動機閉環(huán)控制實驗、矩陣鍵盤編程實驗和步進電機驅(qū)動控制實驗，學(xué)生對這一指標(biāo)點的掌握較好。

針對課程目標(biāo)的達成情況，后續(xù)持續(xù)改進措施為：

（1）學(xué)生在掌握課程目標(biāo)1，存在不能很好地理解系統(tǒng)參數(shù)如何影響機電一體化系統(tǒng)靜動態(tài)特性、接口原理等方面問題，對此，需要在今后的教學(xué)中，加強學(xué)生對這些方面的理解和掌握，增強學(xué)生對PWM調(diào)速原理及硬件實現(xiàn)方面的相關(guān)知識的掌握程度。

（2）學(xué)生在掌握課程目標(biāo)2，存在不能有效地利用專業(yè)軟件對機電一體化系統(tǒng)模型進行仿真分析等問題，對此，需要在今后的教學(xué)中，加強學(xué)生對專業(yè)軟件相關(guān)指令代碼的熟悉及運用程度。

七 結(jié)語

本文結(jié)合《機電一體化產(chǎn)品設(shè)計》課程對學(xué)生畢業(yè)要求的支撐關(guān)系以及相應(yīng)達成環(huán)節(jié)，并考慮機械專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，以新工科及工程認證指導(dǎo)理念為基礎(chǔ)，從制定課程目標(biāo)、優(yōu)化理論教學(xué)、改進實踐環(huán)節(jié)和加強考核評價方面進行了教學(xué)改革與探索。該教學(xué)改革不僅增強了學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，也利于課程目標(biāo)達成度的分析評價以及后續(xù)教學(xué)的持續(xù)改進。