我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)特征和趨勢(shì)—基于CiteSpace的可視化分析

馬雪亭，張 涵，李傳峰，王旭峰

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引言

機(jī)電一體化技術(shù)是一門(mén)多技術(shù)高度融合的課程，涉及信息、機(jī)械、控制、伺服、傳感檢測(cè)等技術(shù)，講授知識(shí)面廣，難度大，部分內(nèi)容過(guò)于抽象。通過(guò)學(xué)習(xí)這門(mén)課程，力求讓學(xué)生掌握機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)并為設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)做好知識(shí)儲(chǔ)備。隨著新一輪科技革命來(lái)臨與新型工業(yè)蓬勃發(fā)展，對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)課程的教學(xué)提出了新要求。因此，我國(guó)教育工作者在該課程教學(xué)改革方面進(jìn)行了一系列研究，提出了各種教學(xué)模式，如翻轉(zhuǎn)課堂、啟發(fā)式教學(xué)、模型演示教學(xué)和雨課堂教學(xué)等，并針對(duì)各個(gè)教學(xué)模式進(jìn)行了一定研究，取得了相關(guān)成果。

為明晰我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)研究發(fā)展脈絡(luò)，探究機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)與改革思路，本研究基于CiteSpace通過(guò)對(duì)該領(lǐng)域研究的作者、機(jī)構(gòu)、文獻(xiàn)來(lái)源以及關(guān)鍵詞等進(jìn)行共現(xiàn)分析，綜合審視我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)歷程、發(fā)展動(dòng)態(tài)與趨勢(shì)，為在新時(shí)代背景下完成機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)任務(wù)與更好地對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)改革研究提供一定參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

文獻(xiàn)數(shù)據(jù)樣取自于中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)(CNKI），采用高級(jí)檢索以“機(jī)電一體化技術(shù)+教學(xué)”為關(guān)鍵詞或篇名進(jìn)行檢索，文獻(xiàn)來(lái)源類(lèi)別為期刊，檢索時(shí)間不限。將檢索到的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)一步篩選，剔除會(huì)議和與機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)無(wú)關(guān)的文獻(xiàn)，整理后文獻(xiàn)共計(jì)92篇（發(fā)表年限最早為1997年），并將文獻(xiàn)信息導(dǎo)入CiteSpace中，以便后續(xù)分析。

1.2 研究方法

CiteSpace是一款應(yīng)用于科學(xué)文獻(xiàn)中識(shí)別科學(xué)發(fā)展動(dòng)態(tài)的可視化知識(shí)圖譜軟件，通過(guò)深入的可視化分析能夠?qū)⒁粋€(gè)知識(shí)領(lǐng)域的演進(jìn)歷程集中展現(xiàn)在圖譜上，揭示某研究領(lǐng)域的演變歷史、研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)等[1]。本研究采用CiteSpace5.8 R2軟件作為研究工具，時(shí)間跨度設(shè)置為1997~2021年，時(shí)間分區(qū)設(shè)為1年，閾值設(shè)置TopN=50，對(duì)關(guān)鍵詞、作者、研究機(jī)構(gòu)和文獻(xiàn)來(lái)源作共現(xiàn)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 年發(fā)文量分析

機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)類(lèi)文獻(xiàn)發(fā)文量統(tǒng)計(jì)（圖1）表明，機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)相關(guān)論文可追溯到1992年，發(fā)文量自1992~2021年總計(jì)發(fā)文為92篇，整體發(fā)文量有上升趨勢(shì)，但總計(jì)數(shù)量較少，高質(zhì)量期刊更是少之又少，說(shuō)明針對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)的教學(xué)課程改革尚需更多研究。1997~2007年間年均發(fā)文量不足1篇，2007年以后發(fā)文量顯著增加，2014年發(fā)文量最多達(dá)10篇，此后至2021年整體有下降趨勢(shì)。這在一定程度上從側(cè)面反映了高校對(duì)該課程重視程度有所下降。而機(jī)電一體化技術(shù)是眾多高精端機(jī)電一體化系統(tǒng)研制的技術(shù)基礎(chǔ)，我國(guó)工業(yè)機(jī)械手、仿人機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域均需要該技術(shù)的強(qiáng)大支持，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚有差距，應(yīng)大力推動(dòng)機(jī)電一體化技術(shù)的學(xué)習(xí)，以趕超他國(guó)。

2.2 作者群體分析

發(fā)文作者共現(xiàn)圖譜能夠反映該研究領(lǐng)域的核心作者以及他們之間的合作關(guān)系（圖2），機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)研究方面發(fā)文作者共現(xiàn)圖譜中有160個(gè)節(jié)點(diǎn)，116條連線，網(wǎng)絡(luò)密度為0.0091，聯(lián)系不緊密。圖中節(jié)點(diǎn)大小反映作者發(fā)文量的多少，節(jié)點(diǎn)連線反映作者合作關(guān)系。在該領(lǐng)域發(fā)文量相對(duì)較多的作者是王增勝、何偉、任敏、江慶，發(fā)文量分別為4、3、3、2，占總發(fā)文量的13.04%。眾多作者單位基本來(lái)自高校，總體上機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)研究作者群較為分散且發(fā)文量不集中，且尚未形成較為成熟的研究團(tuán)隊(duì)。

2.3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

關(guān)鍵詞是論文中選出表示全文主題內(nèi)容信息的單詞或術(shù)語(yǔ)，是論文研究?jī)?nèi)容的高度概括與凝練，通過(guò)關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析能夠挖掘該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與發(fā)展動(dòng)態(tài)。機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)研究方面關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜如圖3，該圖譜中有156個(gè)節(jié)點(diǎn)，325條連線，網(wǎng)絡(luò)密度為0.0269，圖中節(jié)點(diǎn)大小反映關(guān)鍵詞發(fā)文量的多少，節(jié)點(diǎn)連線反映合作關(guān)系。由關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)數(shù)據(jù)可知，研究機(jī)電一體化技術(shù)前幾項(xiàng)關(guān)鍵詞為：機(jī)電一體化技術(shù)、機(jī)電一體化、教學(xué)改革、實(shí)踐教學(xué)、機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)、課程改革和教學(xué)內(nèi)容等。說(shuō)明機(jī)電一體化技術(shù)這門(mén)課程在發(fā)展過(guò)程中不斷有課程改革措施，尤其是將“實(shí)踐”應(yīng)用于教學(xué)中。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前許多高校在該課程教學(xué)中逐漸引入實(shí)訓(xùn)操作、學(xué)科競(jìng)賽等實(shí)操內(nèi)容[2]。以作者所在高校為例，近幾年學(xué)校加大了對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)的投入，積極開(kāi)展各類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽，如機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、挑戰(zhàn)杯、全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽等比賽以反哺教學(xué)。

2.4 發(fā)文機(jī)構(gòu)分布

機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)研究發(fā)文量≥2的機(jī)構(gòu)情況如表1，共5所高校，其中電子科技大學(xué)中山學(xué)院發(fā)文量最多，為3篇。整體發(fā)文量顯著偏低，再次表明我國(guó)高校對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)方面的教學(xué)重視程度欠缺。從高校屬性看，發(fā)文量較多的為職業(yè)技術(shù)學(xué)院，這應(yīng)該與該技術(shù)與實(shí)踐操作技能提升密切相關(guān)。但側(cè)面說(shuō)明，本科高校在實(shí)踐操作技能方面相對(duì)欠缺，需適當(dāng)加大這方面的投入。

表1 機(jī)電一體化研究發(fā)文量排前5名機(jī)構(gòu)情況

3 討論

我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)課程教學(xué)研究發(fā)文量整體較少，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)分析與調(diào)研，按教學(xué)方法主要集中在教學(xué)理論內(nèi)容的改革、競(jìng)賽反哺教學(xué)、實(shí)物制作與演示教學(xué)、課堂授課形式改革等方面。

3.1 理論內(nèi)容改革

近幾年，機(jī)電一體化技術(shù)高度融合了當(dāng)前較為先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)、傳感器技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等，以系統(tǒng)整體最優(yōu)為出發(fā)點(diǎn)，力求空間小，成本低，性能理想[3,4]。另外，適當(dāng)融入了數(shù)值分析（如Matlab、Abaqus等軟件分析）和課程設(shè)計(jì)等內(nèi)容，提高了學(xué)生獨(dú)立思考與創(chuàng)新水平[5,6,7]。同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究更加深入，以我校機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)驗(yàn)為例，針對(duì)本校學(xué)生學(xué)習(xí)能力與現(xiàn)有硬件實(shí)際情況，自行編寫(xiě)了具有一定地方特色的機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)驗(yàn)教材，融入了PLC、單片機(jī)和Arduino控制器的機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)。

3.2 競(jìng)賽反哺教學(xué)

理論課的學(xué)習(xí)是學(xué)科競(jìng)賽的基礎(chǔ)，同時(shí)學(xué)科競(jìng)賽也可鍛煉實(shí)踐創(chuàng)新能力和理論知識(shí)的運(yùn)用，對(duì)理論課的學(xué)習(xí)起到鞏固與深入作用。在學(xué)科競(jìng)賽準(zhǔn)備和競(jìng)賽過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)查閱資料、集體討論與指導(dǎo)老師的輔導(dǎo)獲取所需知識(shí)，在制作實(shí)物過(guò)程中遇到問(wèn)題時(shí)，學(xué)生獨(dú)立思考、團(tuán)結(jié)協(xié)作、克服困難完成比賽項(xiàng)目，對(duì)所用知識(shí)印象深刻，經(jīng)久不忘。由作品或獲獎(jiǎng)榮譽(yù)帶來(lái)的成就感也可激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)課程的學(xué)習(xí)熱情。此外，可將學(xué)科競(jìng)賽積累和總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)以及競(jìng)賽中遇到的科學(xué)問(wèn)題融入課件和教材內(nèi)容，這樣既可讓學(xué)生感受該課程的實(shí)際應(yīng)用，又可增強(qiáng)學(xué)生自信心，提高學(xué)生參加各類(lèi)競(jìng)賽的積極性。

3.3 課堂授課方式改革

近幾年，教學(xué)方式不再是單一的“灌輸式”方式，該教學(xué)方式雖然效率高，教師容易把握課堂進(jìn)展與授課邏輯性，但與學(xué)生互動(dòng)較少，以至不能及時(shí)獲取準(zhǔn)確的學(xué)生反饋，聽(tīng)課效果較難判識(shí)[8]。故“翻轉(zhuǎn)課堂”和“Seminar”等授課形式出現(xiàn)，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)性，鍛煉了學(xué)生心理素質(zhì)和表達(dá)能力。隨著科技發(fā)展，尤其是現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，借助授課平臺(tái)的授課形式逐漸產(chǎn)生，教師通過(guò)相關(guān)授課平臺(tái)能迅速獲取學(xué)生簽到和答題等情況，衍生出諸如“慕課”和“雨課堂”等授課方式。尤其在新冠疫情期間，各種平臺(tái)的線上授課充當(dāng)了重要角色。以作者授課為例，使用智慧樹(shù)授課平臺(tái)可較為方便地與學(xué)生在線上互動(dòng)，通過(guò)上傳的題庫(kù)可隨機(jī)提問(wèn)學(xué)生問(wèn)題、進(jìn)行課堂小測(cè)驗(yàn)，及時(shí)獲知聽(tīng)課效果。

3.4 實(shí)物制作與課堂演示教學(xué)

“翻轉(zhuǎn)課堂”、“競(jìng)賽反哺”等雖可提高學(xué)生能動(dòng)性實(shí)現(xiàn)，學(xué)以致用，但較難做到對(duì)學(xué)生的全覆蓋，只能針對(duì)部分章節(jié)內(nèi)容有選擇地實(shí)施，故“灌輸式”授課水平的提高較為重要。由于機(jī)電一體化技術(shù)課程涉及較多抽象知識(shí)，實(shí)物制作與課堂演示是一種較好的輔助手段。該手段在課下可調(diào)動(dòng)學(xué)生制作或組裝實(shí)物的積極性，課上邊演示邊講解，可將抽象的問(wèn)題具體化和形象化，便于學(xué)生理解及加深印象。以作者所在學(xué)校為例，學(xué)校開(kāi)展了實(shí)物制作與課堂演示的教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生分小組自行制作或購(gòu)買(mǎi)相關(guān)配件完成難易得當(dāng)?shù)臋C(jī)電一體化作品，用于課堂演示，力求做到將課堂內(nèi)容通俗易懂化，便于全員理解，圖4與圖5為部分用于課堂演示的小型實(shí)物。

鑒于機(jī)電一體化技術(shù)課程教學(xué)研究力度不足，還需加強(qiáng)教師隊(duì)伍的團(tuán)隊(duì)合作以及高校之間的合作。另外，對(duì)于機(jī)電一體化技術(shù)課程的教研人員而言，需在教育學(xué)研究方法、課程研究方法、論文寫(xiě)作規(guī)范和社會(huì)調(diào)查方法等方面加強(qiáng)對(duì)教研人員的培訓(xùn)，提高教研能力。加強(qiáng)教研課題管理，對(duì)課題立項(xiàng)、中期檢查、結(jié)題和評(píng)審等環(huán)節(jié)加強(qiáng)管控和檢查，避免結(jié)題流于形式和唯論文評(píng)價(jià)的問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)方面力求結(jié)合各個(gè)學(xué)校本土硬件開(kāi)發(fā)難易得當(dāng)?shù)南嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)教材，做到因材施教。

4 結(jié)論

本文基于CiteSpace軟件對(duì)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中有關(guān)機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)研究的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了可視化分析，探究了其研究現(xiàn)狀、熱點(diǎn)及趨勢(shì)。分析結(jié)果表明：（1）目前機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)的發(fā)文量整體較少，研究水平有待提高；（2）該課程教學(xué)方法體現(xiàn)了多元化和信息化的特點(diǎn)；（3）研究機(jī)構(gòu)與研究個(gè)體緊密性不強(qiáng)，沒(méi)有龐大的核心群體，未來(lái)需加強(qiáng)合作。