新工科與智能制造背景下的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計實踐教學新模式探討

譚海艷，江卓達，李清香，彭曉玲

（九江學院機械與智能制造學院，江西九江 332005）

2017年2月，教育部提出推進“新工科”建設(shè)，“新工科”是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、人才培養(yǎng)新模式的背景下提出的，是未來我國高等教育發(fā)展的新思維、新方式、新舉措[1-3]。機械制造及自動化專業(yè)跨越機械、信息、材料和控制等學科，具有明顯的交叉特征，自然為新工科領(lǐng)域改革的主流專業(yè)。而《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》是機械專業(yè)一門很重要的專業(yè)綜合課程，它重點培養(yǎng)機電系統(tǒng)方面的基本理論、方法和應用的能力，是一門綜合性很強的課程。

智能制造是先進制造技術(shù)和新一代信息技術(shù)的深度融合[4,5]?！吨袊圃?025》從國家戰(zhàn)略層面提出了智能制造的發(fā)展目標，其關(guān)鍵在于：面對新形勢、新要求，培養(yǎng)能夠突破智能制造關(guān)鍵技術(shù)的高層次人才、能夠開發(fā)和改進智能制造技術(shù)的專業(yè)人才、愛崗敬業(yè)和技術(shù)精湛的高技能人才，國內(nèi)高校迫切需要結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求，深化教學改革。在人才培養(yǎng)方面，探索新工科+智能制造模式背景下的人才培養(yǎng)新模式，其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是相關(guān)核心課程的教學改革和創(chuàng)新。

然而，傳統(tǒng)的《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》實踐教學所選項目往往陳舊或與現(xiàn)實脫節(jié)，越來越顯現(xiàn)出諸多弊端。傳統(tǒng)的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計實踐教學依附于理論課程的教學體系，這種實踐教學方法存在如下問題：（1）實踐課程僅僅是對理論知識的簡單驗證。（2）實驗內(nèi)容重復，完整性不足。（3）實驗內(nèi)容陳舊，不能很好地體現(xiàn)出現(xiàn)代科技發(fā)展水平。（4）缺乏對學生的綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。（5）在實踐教學過程中，缺少對學生思想和行動進行引導，讓學生增強使命感，更好地服務于社會主義發(fā)展的環(huán)節(jié)。

一、明確實踐課程目標

《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》作為一門獨立開設(shè)的課程開設(shè)于第7學期，64學時，其中實踐課程有32學時，開設(shè)的目的是將《單片機原理及應用》《機電傳動控制》《液壓與氣動傳動》《工程控制基礎(chǔ)》《電氣控制與PLC》《傳感檢測技術(shù)》等前期學習的課程知識融會貫通，并借助具體的實驗對象，構(gòu)建現(xiàn)代機械系統(tǒng)的整體概念，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力，增強學生動手實踐能力和獨立思考能力，鍛煉學生團隊合作能力，最終讓學生能夠解決復雜的工程問題。

針對這種綜合多門課程且有工程應用背景的實踐課程，如何學習理論知識，培養(yǎng)學生對機電一體化系統(tǒng)的分析設(shè)計能力、具備對現(xiàn)代機電產(chǎn)品的創(chuàng)新能力，是教師和學生在教學過程中面臨的主要問題[6，7]。本文以《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》實踐課程為研究對象，就如何加強實踐課程建設(shè)，以及新工科人才培養(yǎng)問題的探索，對實踐課程的教學內(nèi)容、教學方法和教學模式進行改革。

二、實踐課程內(nèi)容調(diào)整

根據(jù)我院目前所開設(shè)的機械設(shè)計及自動化專業(yè)教育的實際情況，淘汰滯后的內(nèi)容，按照學生的認知規(guī)律，科學合理地設(shè)置課程項目；結(jié)合國內(nèi)外本學科最先進的成果，將新技術(shù)、新知識、新成果納入實踐課程的教學，這要求教師與時俱進，不斷掌握新技術(shù)、新知識再傳授給學生；推動多學科交叉融合，增加“跨學科”項目等，強調(diào)專業(yè)課程的廣度。新工科不僅要求教師不斷更新自己儲存的知識，還要充分發(fā)揮學生的自主性，調(diào)動學生的積極性，師生互動提高教與學的質(zhì)量。積極探討產(chǎn)教研融合、成果導向以及混合式等多種教學模式的運用。打破傳統(tǒng)的實踐實驗演示教學模式，建立不同層次的實驗項目，加強項目開發(fā)，提高學生的實踐能力。以倡導學生自主性學習為目的，精選實驗內(nèi)容，將實踐課程優(yōu)化整合為專業(yè)基礎(chǔ)實驗、綜合設(shè)計實驗、開放性實驗三個層次，根據(jù)這三個層次，重新組建實驗項目，制定新的實踐教學計劃和大綱。

三、實踐課程改革策略

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計是微電子學和計算機技術(shù)滲透到機械工業(yè)的過程中形成和發(fā)展起來的一門綜合學科，這門技術(shù)的應用不僅改善和擴展了機電產(chǎn)品的性能，也使機械行業(yè)在技術(shù)和結(jié)構(gòu)方面，生產(chǎn)方式和管理制度等發(fā)生了很大變化，提高了制造設(shè)備的工作質(zhì)量。學習本課程對于培養(yǎng)學生綜合應用基礎(chǔ)和專業(yè)知識，掌握以系統(tǒng)論、信息論和控制論為核心的機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計基本原理和方法，掌握機電一體化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)有著重要意義。結(jié)合本實踐課程特點和學生課程學習緊湊的特點，我們借鑒翻轉(zhuǎn)教學思想，教學模式圖見圖1。提出課前預習，課中教學探究，課后合作完成小項目的教學模式及過程。構(gòu)建了層次化實踐教學的方案，主要分為專業(yè)基礎(chǔ)實驗、綜合設(shè)計實驗、開放性工程創(chuàng)新實驗三個層次。

圖1 翻轉(zhuǎn)式課堂教學模式圖

（一）翻轉(zhuǎn)教學模式及過程

首先，課前預習，以自學為主。分為：復習課本相關(guān)知識或上節(jié)課的知識點→輸入新知→新舊知識沖突→初步理解實踐課程等四個環(huán)節(jié)，鞏固學生的基礎(chǔ)知識。具體實施方案為：教師設(shè)計課前學習資料，通過網(wǎng)絡學習平臺將相關(guān)實踐內(nèi)容和實踐要求等資料發(fā)給同學們學習，復習理論知識，激發(fā)學生的學習動機；學生觀看實踐教學視頻，獲得新知識，對比新知識和已有知識，找到切入點、平衡點和關(guān)聯(lián)點；在網(wǎng)絡學習平臺上，學生和學生之間、學生和老師之間可以交流學習所遇到的問題和想法，在交流中克服認知障礙，獲得新認知；課前進行檢測，及時反饋學生課前學習情況，教師實時掌握學生的學習情況。

其次，課中教學探究。課堂上，每個班級分成若干個學習小組，以探究和協(xié)作為主。課中的具體任務是：教師根據(jù)課前檢測和本節(jié)課的具體實踐內(nèi)容，選擇針對性的問題和課程核心知識點進行講解；引導學生將所學的內(nèi)容與實際問題聯(lián)系起來，激發(fā)學生的求知欲，主動去探究，學生之間互相探討，達成對課程的問題理解；不同學生有不同的認知結(jié)構(gòu)，用不同的思維方式共同構(gòu)思每節(jié)課的小項目方案，讓學生在群體討論和認知中形成新的智慧，完成項目最終方案的確定；小組成員分工合作，將設(shè)計方案轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H作品，在完成作品過程中，教師隨堂指導，學生不斷克服困難，將知識轉(zhuǎn)化為解決實際問題的能力。

最后，課后合作完成小項目。各小組將完成的作品提交到網(wǎng)絡平臺，展示成品，分享創(chuàng)作過程，總結(jié)經(jīng)驗教訓，同時開展互評，提取容易接受的顯性知識，提出優(yōu)化方案；各小組對作品進行完善，教師評價作品，進行總結(jié)補充知識點。

通過課前預習和測試，課中探究學習和分工合作、課后評估總結(jié)的翻轉(zhuǎn)教學模式，體現(xiàn)了深度學習的素養(yǎng)領(lǐng)域：認知領(lǐng)域、自我領(lǐng)域和人際領(lǐng)域。課前預習和測驗，讓學生了解即將學習的知識，能夠喚醒學生的學習激情，能夠反饋課前預習情況。課堂上對項目進行探究學習，然后分工協(xié)作，完成實際作品，將知識和實踐能力統(tǒng)一，這是翻轉(zhuǎn)教學模式的核心，學生在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程中，實現(xiàn)知識遷移，提高應用所學知識解決實際問題的能力，同時，學生能夠得到良好的成就感。課后作品展示和互評，能夠升華所學知識，不斷完善作品，總結(jié)知識點為后期的教與學提供參考。該教學過程融合線上預習、評價與線下實踐探究，采用網(wǎng)絡平臺視頻教學、課堂探究及協(xié)作和互評等方式完成該課程的實踐教學。

圖2 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計實踐課程建設(shè)方案

（二）層次化實踐教學方案

第一層次為專業(yè)基礎(chǔ)實驗。此層次主要包含液壓與氣動傳動、電氣控制與PLC、機電傳動控制、傳感檢測技術(shù)等基礎(chǔ)理論課程的實驗實踐。以演示性和驗證性實驗為主。主要是對學生機電一體化產(chǎn)品的基本知識和基本實踐能力的培養(yǎng)。

專業(yè)基礎(chǔ)實驗方案采用機電一體化物理模型，我校實驗室已經(jīng)購買某公司開發(fā)的材料分揀和機械手物理模型。該模型包括機電一體化的五大組成部分：機械本體部分為系統(tǒng)的所有功能要素的機械支持結(jié)構(gòu)，一般包括有機身、框架、支撐、滑桿和連接等；執(zhí)行部分有同步帶傳動、滾珠絲杠傳動、氣缸、電磁閥和氣動三聯(lián)件等；控制及信息處理部分有可編程控制器PLC；傳感檢測部分有光電碼盤，電感傳感器、電容傳感器、顏色傳感器和限位開關(guān)等；動力驅(qū)動部分有步進電機及步進電機驅(qū)動器、直流穩(wěn)壓電源和直流電機及電機驅(qū)動模塊等。利用該系列物理實驗模型，可滿足液壓與氣動傳動、電氣控制與PLC、機電傳動控制、傳感檢測技術(shù)等課程實驗需求，加強學生對機電一體化系統(tǒng)的理解和認知。

第二層次為綜合設(shè)計實驗。該層次的實驗教學我們采用自動生產(chǎn)線實訓裝置，該實訓裝置主要對學生進行綜合設(shè)計能力的培養(yǎng)，讓學生自己根據(jù)綜合實訓平臺設(shè)計實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學生機電一體化技術(shù)綜合運用的能力和素質(zhì)。該綜合實訓平臺面向綜合類課程《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》，給學生提供綜合設(shè)計實驗平臺。

該實訓裝置采用單元模塊化方式設(shè)計，由輥道上料單元、加工沖壓單元、搬運裝配單元、雙工位上料單元和堆垛搬運單元五大模塊組成。該裝置采用型材結(jié)構(gòu)，其上安裝有觸摸屏、井式供料、沖壓加工、多工位上料、氣動機械手搬運、皮帶傳送等工作站及相應的電源模塊、按鈕模塊、PLC模塊、變頻器及交流電機模塊、步進電機驅(qū)動模塊、伺服電機驅(qū)動模塊和各種工業(yè)傳感器等控制檢測單元。自動生產(chǎn)線的工作流程為：黑、白色大工件安放在井式工件架中，設(shè)備啟動后，大工件進入輥道上料單元，通過傳送帶傳送到自動擺臺，并完成視覺傳感器識別；通過搬運機械手將大工件搬運到加工沖壓單元的加工臺上進行沖壓加工，沖壓完成后，工作臺移到初始位置等待裝配；雙工位井式上料單元的推料氣缸推出小工件；搬運裝配單元吸盤機械手吸取小工件，搬運到帶裝配的大工件處進行裝配；完成裝配后，堆垛搬運單元的機械手將裝配好的工件放置到倉庫。通過自動生產(chǎn)線實驗平臺的各個模塊和PLC工業(yè)網(wǎng)絡通信技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動，真實再現(xiàn)工業(yè)自動生產(chǎn)線中的供料、檢測、搬運、沖壓加工、裝配、輸送、分揀過程。

在該實驗平臺上，學生以組為單位進行實驗方案設(shè)計，完成實驗內(nèi)容包括氣動控制回路安裝與調(diào)試、電氣控制電路的安裝和PLC程序編寫和PLC工業(yè)通信網(wǎng)絡的安裝及調(diào)試等。在該實訓裝置上，可以充分鍛煉學生的自動生產(chǎn)線拆裝、調(diào)試、設(shè)計和工程實施能力以及團隊協(xié)作能力和安全意識，是解決機電一體化設(shè)備實際工程問題的基礎(chǔ)。

第三層次為開放性創(chuàng)新實驗，主要完成對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。該層次實驗主要以本校學生參加創(chuàng)新大賽的作品為實驗對象，通過讓學生參與產(chǎn)品構(gòu)思、設(shè)計、實施到運行全過程，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和解決機電一體化產(chǎn)品領(lǐng)域復雜工程問題的能力，以便走向社會就業(yè)后能盡快適應社會需求。

基于新工科和智能制造背景下的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的創(chuàng)新訓練實踐。開放性創(chuàng)新實驗這一層次，對學生能力的培養(yǎng)提出了更高的要求，不僅要求學生對本學科知識的熟練運用，更注重學生在設(shè)計產(chǎn)品時所表現(xiàn)的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。我們提出了以本校學生參加創(chuàng)新大賽的作品為實踐項目的設(shè)想，學生3-4人組成創(chuàng)新項目小組，提供必要的設(shè)計工具、元器件和場地。以我校獲得全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽一等獎作品智慧搖臂式避雨晾衣架為例，進行開放性創(chuàng)新實驗項目設(shè)計。通過構(gòu)思階段、設(shè)計階段和實施階段，完成開放性實驗項目。

（三）立德樹人與專業(yè)實踐結(jié)合

工程教育的關(guān)鍵是對人才的培養(yǎng)。因此，在教學改革中，必須培養(yǎng)學生正確的人生觀，價值觀[8]。引導學生養(yǎng)成認真負責的工作態(tài)度，增強學生的責任擔當，有大局意識和核心意識。培養(yǎng)學生善于鉆研、不畏困難的工匠精神。只有具有工匠精神，學生才會熱愛自己的職業(yè)，才能更好地做好本職工作，發(fā)揮出最大的創(chuàng)造力。在教學的過程中，通過播放《我和我的祖國》等視頻的片段，展現(xiàn)國家的成就以及大國工匠精神，以此增強學生的民族自豪感與文化認同感。

四、結(jié)束語

新工科和智能制造背景下，要求高校以新理念、新模式培養(yǎng)具有可持續(xù)競爭力的創(chuàng)新型卓越工程人才。而傳統(tǒng)的實踐課程教學內(nèi)容和方法，多數(shù)以知識傳授和專業(yè)能力培養(yǎng)為主，學生缺少各種創(chuàng)作機會，學生的主觀能動性和創(chuàng)新性不能充分發(fā)揮。為滿足對高?！靶鹿た啤比瞬排囵B(yǎng)的迫切要求，本文根據(jù)目前機械制造及自動化專業(yè)方向和學生的實際情況，提出采用翻轉(zhuǎn)教學模式對該實踐課程進行改革，并對目前的實踐課程內(nèi)容進行調(diào)整，增加開放性創(chuàng)新實踐項目，讓學生在實踐中拓寬視野，增長能力，具有一定的分析、研究、解決問題的能力。除此之外，還要確立“立德樹人”的人才觀，培養(yǎng)德才兼?zhèn)?、勇于擔當?shù)慕ㄔO(shè)者。今后工作中，我們要不斷改革實踐，探索新工科和智能制造背景下的高校實踐課程教學新模式，構(gòu)建具有可持續(xù)競爭力的實踐教學體系，培養(yǎng)符合未來經(jīng)濟與社會發(fā)展需求的新型技能型人才和新工科創(chuàng)新人才。