新工科背景下機(jī)械電子工程專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革與探索

張征凱，溫慶國，李鵬舉

（西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710055）

在這個科技飛速發(fā)展的時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)水平的不斷提高，推動著新的產(chǎn)業(yè)變革。但是，智能制造、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域相關(guān)人才的供給存在巨大的缺口。面對世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革對工程教育提出的挑戰(zhàn)，培養(yǎng)出滿足新時(shí)代需要的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才成為我國工程教育發(fā)展的重大任務(wù)。新工科建設(shè)正是對上述社會變化和需求做出的積極回應(yīng)。從2017年以來，教育部一直在積極推進(jìn)新工科建設(shè)，取得了一系列成果，形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”[1-5]。我國教育界正在努力探索適合本國工程教育的全新模式，以此實(shí)現(xiàn)教育強(qiáng)國的建設(shè)目標(biāo)。

社會需求的變化必然推動工程教育理念的改革和轉(zhuǎn)型，從而使機(jī)械電子工程專業(yè)的“綜合課程設(shè)計(jì)”在教學(xué)上面臨新的挑戰(zhàn)，需要根據(jù)新工科改革的需要將教學(xué)內(nèi)容和相關(guān)專業(yè)知識進(jìn)行重組和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有課程設(shè)計(jì)教學(xué)過程的整體革新。

1 機(jī)械電子工程專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)方面存在的不足

機(jī)械電子工程專業(yè)也被稱為機(jī)電一體化專業(yè)，是機(jī)械工程與自動化的一種。該專業(yè)培養(yǎng)的人才需要掌握的知識涵蓋基礎(chǔ)理論知識、機(jī)械設(shè)計(jì)理論、機(jī)械制造方法以及計(jì)算機(jī)軟硬件相關(guān)的應(yīng)用知識。機(jī)械電子工程匯集了機(jī)械、電子、測控、自動化等領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)，打破了傳統(tǒng)的學(xué)科分類，因而代表了未來新技術(shù)、新思想、新產(chǎn)業(yè)革命的變革方向。

但是，機(jī)械電子工程專業(yè)的綜合性也影響了本專業(yè)學(xué)生對這個專業(yè)的理解和認(rèn)知。因此，需要在機(jī)械電子工程專業(yè)的教學(xué)過程中進(jìn)行一次綜合課程設(shè)計(jì)，從而幫助本專業(yè)學(xué)生更好地認(rèn)識和理解所學(xué)專業(yè)的內(nèi)涵及外延。

綜合課程設(shè)計(jì)是機(jī)械電子工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，它結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電子軟硬件設(shè)計(jì)、信息技術(shù)于一體，是一門具有很強(qiáng)應(yīng)用導(dǎo)向的課程，如圖1所示。從日常生活到工業(yè)生產(chǎn)中的各種自動化設(shè)備，都可看到機(jī)電一體化系統(tǒng)的身影。特別是近年來隨著智能設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用，社會急需實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、能進(jìn)行全生命周期研發(fā)的、具有多領(lǐng)域知識和能力的新工科人才。

圖1 機(jī)械電子工程專業(yè)的知識結(jié)構(gòu)

但是，機(jī)械電子工程專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)在教學(xué)過程中存在著不足：

（1）課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容還是停留在鍛煉和考察制圖、編程等基本知識的層面，這也導(dǎo)致課程設(shè)計(jì)的應(yīng)用性與實(shí)踐性不強(qiáng)。

（2）設(shè)計(jì)任務(wù)的制定往往主要考查學(xué)生對某方面知識的掌握程度，缺少對知識進(jìn)行綜合應(yīng)用的鍛煉。

（3）綜合課程設(shè)計(jì)中與當(dāng)前社會發(fā)展需求相關(guān)的內(nèi)容較少，缺乏緊跟社會發(fā)展需求的相關(guān)內(nèi)容。設(shè)計(jì)題目大多局限于比較傳統(tǒng)的機(jī)電控制設(shè)備，和當(dāng)前熱門的技術(shù)發(fā)展趨勢脫節(jié)，也難以調(diào)動學(xué)生的設(shè)計(jì)積極性。

（4）在課程設(shè)計(jì)過程中，仍然以指導(dǎo)教師為中心，學(xué)生僅根據(jù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊按照步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，因而缺乏對重要知識點(diǎn)的主動思考與分析。

為響應(yīng)我國高等教育新工科政策的提出，順應(yīng)當(dāng)前技術(shù)革命和行業(yè)變革的潮流，針對新工科人才培養(yǎng)需求和當(dāng)前課程設(shè)計(jì)的開設(shè)情況，需要對機(jī)械電子工程專業(yè)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深層次地評估和分析，對綜合課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)題目、教學(xué)過程進(jìn)行深層次的更新、整合和完善。

2 面向新工科的機(jī)械電子工程專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐內(nèi)容

2.1 結(jié)合社會需求，明確教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)工作的重中之重，是教學(xué)設(shè)計(jì)的依據(jù)[6]。因此，機(jī)械電子工程專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)的確立應(yīng)該以社會需求為指導(dǎo)方向，結(jié)合新工科理念，引導(dǎo)學(xué)生以解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問題為方向，著力培養(yǎng)學(xué)生分析問題解，決問題的能力。為此，本課程設(shè)計(jì)的目的如下：

（1）要求學(xué)生能夠綜合運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動控制等方面的知識，獨(dú)立進(jìn)行機(jī)電結(jié)合的設(shè)計(jì)。

（2）通過機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生在相關(guān)領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)能力，要求學(xué)生能夠進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的分析、擬定和比較。

（3）學(xué)生通過獨(dú)立或合作訓(xùn)練，掌握機(jī)械、控制、電路的設(shè)計(jì)、元件選型和初步設(shè)計(jì)，掌握對機(jī)電系統(tǒng)性能分析和優(yōu)化的方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力，并初步建立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想。

2.2 面向?qū)嶋H應(yīng)用，選擇設(shè)計(jì)題目

與傳統(tǒng)工科相比，新工科更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通訊、電子控制、軟件設(shè)計(jì)等新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合。為此在整個機(jī)械電子工程專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)過程中，需要明確面向新工科教育的目的，以當(dāng)前機(jī)電設(shè)備智能化、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用需求為背景、以機(jī)電系統(tǒng)綜合應(yīng)用的思想為指導(dǎo)。在課程設(shè)計(jì)的題目上要充分體現(xiàn)新工科對實(shí)用性、交叉性與綜合性的要求，更強(qiáng)調(diào)接近實(shí)際、接近生活，符合行業(yè)未來的發(fā)展方向。新工科強(qiáng)調(diào)多領(lǐng)域知識的交叉融合，因此在命題中應(yīng)滿足對機(jī)械電子工程專業(yè)中“機(jī)械”“電子”“控制”“測試測量”等方面知識的綜合應(yīng)用。在綜合課程設(shè)計(jì)過程中學(xué)生需要參與機(jī)械結(jié)構(gòu)的方案確定、總體結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算、控制系統(tǒng)的方案確定、測量電路及控制電路的設(shè)計(jì)及元件選型、測控系統(tǒng)軟件編程、液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)和元件選型以及機(jī)電一體化系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模仿真等一系列工程設(shè)計(jì)任務(wù)。并在設(shè)計(jì)過程中鍛煉自己工程圖紙繪制、計(jì)算機(jī)建模仿真和程序編寫能力。

綜合課程設(shè)計(jì)題目通常來源于指導(dǎo)教師自己的科研項(xiàng)目，經(jīng)過提煉加工形成適合學(xué)生的設(shè)計(jì)題目和任務(wù)要求，然后由學(xué)生自由選題。也可以由學(xué)生根據(jù)本人的設(shè)計(jì)能力以及興趣自主制定題目和設(shè)計(jì)任務(wù)，并由指導(dǎo)教師幫助審查后敲定。

新工科對培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力有很高要求，因此在題目分配給學(xué)生前，先編訂好設(shè)計(jì)任務(wù)書，模擬實(shí)際機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)項(xiàng)目的任務(wù)交代情況。這樣由任務(wù)目標(biāo)來驅(qū)動學(xué)生的設(shè)計(jì)行為，引導(dǎo)學(xué)生的設(shè)計(jì)實(shí)踐。

2.3 注重過程管理，強(qiáng)化創(chuàng)新能力提高

機(jī)械電子工程專業(yè)的綜合課程設(shè)計(jì)需要學(xué)生們從實(shí)際出發(fā)，通過資料檢索、方案篩選比較、可行性分析、設(shè)計(jì)校核計(jì)算、編程制圖、樣機(jī)調(diào)試等環(huán)節(jié)，最終得到滿足任務(wù)要求的理想設(shè)計(jì)方案。因此，綜合課程設(shè)計(jì)的評價(jià)體系與傳統(tǒng)理論課程的評價(jià)體系不同，對設(shè)計(jì)過程更為重視，更加強(qiáng)調(diào)以“學(xué)生為中心”來推動設(shè)計(jì)的進(jìn)行。

為了滿足新工科對培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的要求，課程設(shè)計(jì)的教學(xué)過程應(yīng)該盡可能模擬實(shí)際機(jī)電產(chǎn)品研發(fā)的工作流程，以此培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。為了引導(dǎo)學(xué)生和啟發(fā)學(xué)生的實(shí)際動手能力，讓學(xué)生親手制作或通過仿真方法演示自己的設(shè)計(jì)作品，以此激發(fā)學(xué)生的參與興趣。為了更好地模仿實(shí)際的設(shè)計(jì)工作流程，設(shè)計(jì)了綜合課程設(shè)計(jì)的開展流程，如圖2所示。

圖2 機(jī)械電子工程專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)流程圖

指導(dǎo)教師應(yīng)注意引領(lǐng)學(xué)生，對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行有效的控制，應(yīng)該在設(shè)計(jì)流程的每個階段向?qū)W生講解該階段的工作內(nèi)容和要求。學(xué)生按照自己所選的設(shè)計(jì)題目，根據(jù)該階段的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行任務(wù)分解、資料查詢、討論交流等設(shè)計(jì)過程所需的各項(xiàng)工作。通過這種模仿實(shí)際設(shè)計(jì)工作的過程，鍛煉學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

為了能夠掌握學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中的狀態(tài)，指導(dǎo)教師應(yīng)在每個設(shè)計(jì)階段組織學(xué)生進(jìn)行階段成果的匯報(bào)，以及學(xué)生之間的自評與互評活動，及時(shí)對學(xué)生設(shè)計(jì)過程中遇到的問題進(jìn)行答疑、糾錯和引導(dǎo)。

新工科要求培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才，指導(dǎo)教師應(yīng)在指導(dǎo)過程中鼓勵和啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性地解決遇到的技術(shù)問題，對學(xué)生的創(chuàng)新思維給予正面評價(jià)。通過激發(fā)學(xué)生的設(shè)計(jì)熱情，增進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新的動力，同時(shí)也幫助學(xué)生及時(shí)了解自己設(shè)計(jì)水平，幫助他們有效掌控自己的學(xué)習(xí)過程[7]。

2.4 反饋設(shè)計(jì)問題，落實(shí)教學(xué)效果

新工科要求教學(xué)中要充分利用虛擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)方式。為了學(xué)生能夠直觀地了解設(shè)計(jì)作品中存在的問題。綜合課程設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)，學(xué)生除了完成并上交設(shè)計(jì)報(bào)告和相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)圖紙外，還應(yīng)進(jìn)行基于仿真軟件或?qū)嵨锬Ｐ偷墓δ苎菔?，力圖使設(shè)計(jì)結(jié)果可視化和直觀化。指導(dǎo)教師應(yīng)當(dāng)場對仿真作品或?qū)嵨锬Ｐ瓦M(jìn)行分析和點(diǎn)評，指出設(shè)計(jì)作品的優(yōu)缺點(diǎn)和設(shè)計(jì)中存在的問題，幫助學(xué)生分析如何改進(jìn)。這樣可以讓學(xué)生通過問題的反饋直觀地了解到自己設(shè)計(jì)中存在的不足，同時(shí)讓設(shè)計(jì)工作中潛在的問題得到更為直觀的表達(dá)，提高了教學(xué)內(nèi)容的可理解性和可操作性。確保了最終教學(xué)效果的提高。

以往的綜合課程設(shè)計(jì)沒有將設(shè)計(jì)過程中學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)難度以及表達(dá)能力作為評價(jià)內(nèi)容。因此，需要構(gòu)建綜合評價(jià)體系，以真正評估學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。因此，機(jī)械電子工程專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)的評價(jià)體系采用過程和結(jié)果并重的評價(jià)方式。最終成績由以下三個部分組成：

（1）設(shè)計(jì)過程（30%），這部分成績主要來源于學(xué)生在設(shè)計(jì)過程的態(tài)度、能力以及階段性匯報(bào)時(shí)學(xué)生的表現(xiàn)情況。

（2）最終答辯（20%），這部分成績來源于學(xué)生在最終答辯中所表現(xiàn)出的對設(shè)計(jì)任務(wù)所涉及的設(shè)計(jì)背景、工程知識、設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方法的掌握情況，以及對教師的提問的反應(yīng)情況和答辯中語言的流暢性、邏輯性。

（3）設(shè)計(jì)報(bào)告（50%），這部分成績主要根據(jù)學(xué)生設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫結(jié)構(gòu)、圖表規(guī)范性、文字準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)內(nèi)容的創(chuàng)新性等方面來綜合進(jìn)行評價(jià)。

3 結(jié)語

創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力是新工科對未來人才的基本要求。機(jī)電設(shè)備綜合設(shè)計(jì)能力是機(jī)械電子工程專業(yè)培養(yǎng)人才的重要核心，也體現(xiàn)了新工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)。將機(jī)械電子工程綜合課程設(shè)計(jì)作為創(chuàng)新和實(shí)踐能力的載體，通過綜合課程設(shè)計(jì)將前期所學(xué)到的機(jī)械、電子、控制、測試測量等方面的知識進(jìn)行綜合應(yīng)用，并以自動化設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能為應(yīng)用背景，為課程設(shè)計(jì)增加了時(shí)代性的內(nèi)容。通過更接近社會需求的選題設(shè)計(jì)、鼓勵創(chuàng)新思維的過程管理以及更為直觀的評價(jià)方法，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，也為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)過程奠定了牢固的基礎(chǔ)。