面向新工科的《機(jī)電傳動(dòng)與控制》課程多維立體教學(xué)模式改革研究

呂曉玲 高春艷 張明路 李慨

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300130)

當(dāng)前，國家推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，實(shí)施“一帶一路”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展。新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，要靠工程教育來提供人才支撐。反過來講，工程教育改革如果滯后，對(duì)產(chǎn)業(yè)升級(jí)進(jìn)程，不僅不能支撐、服務(wù)，而且還會(huì)拖后腿。

新工科建設(shè)既是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的迫切需要，也是國家應(yīng)對(duì)科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的迫切需要，更是高等教育改革創(chuàng)新的迫切需要。對(duì)高校來說，新工科專業(yè)是以智能制造、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器人等用于傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)更新的理念、更好的模式、更高的教育質(zhì)量。相對(duì)于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。

由此可知，在新經(jīng)濟(jì)背景下，新工科的提出，為發(fā)展我國工程學(xué)科提供了全新的視角，也為我國工程教育發(fā)展、人才培養(yǎng)提出了新的要求：不單要求高校培養(yǎng)具有扎實(shí)的基礎(chǔ)能力，更需要有跨學(xué)科思維、創(chuàng)新意識(shí)的人才，才能夠應(yīng)對(duì)未來的挑戰(zhàn)[1-2]。

新工科背景下，高校的專業(yè)課程教育模式要有能夠深入一線師生的理念，因此，必須在充分理解新工科理念的基礎(chǔ)上，持續(xù)深化課程教學(xué)模式的改革和探索，為人才培養(yǎng)提供有力的保障。

1 新工科形式下《機(jī)電傳動(dòng)與控制》課程教學(xué)模式改革的必要性

智能時(shí)代，是世界大勢(shì)所驅(qū)，諸國爭(zhēng)鋒。智能制造業(yè)是實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要行動(dòng)。新工科，為中國的智能制造業(yè)提供源源不斷的動(dòng)力。《機(jī)電傳動(dòng)與控制》課程作為機(jī)械電子工程專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中專業(yè)基礎(chǔ)課，是專業(yè)核心課程之一，是機(jī)電一體化人才所需電知識(shí)結(jié)構(gòu)的驅(qū)體。

目前，《機(jī)電傳動(dòng)與控制》課程教學(xué)與新工科的要求有一定的距離，該文對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行改革，以期達(dá)到提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的目的，與新工科的人才需求相匹配。

多維立體教學(xué)模式[3-4]是由多教學(xué)因素組合而成的一種多維性立體結(jié)構(gòu)，是一種新型的、全面的、在理論和應(yīng)用上都具普遍性的課堂教學(xué)模式，多因素有機(jī)地統(tǒng)一起來，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

面向新工科的《機(jī)電傳動(dòng)與控制》課程采用多維立體教學(xué)模式，以立體教材為基礎(chǔ)，采用多學(xué)科交叉融合、以工程項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)、融入課程思政的多維教學(xué)方法，多種教學(xué)方法和手段充分整合各種教學(xué)資源，使教學(xué)充滿生機(jī)和活力。多維教學(xué)模式有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，工程項(xiàng)目鍛煉了學(xué)生自己獨(dú)立思考問題的能力、知識(shí)運(yùn)用的能力，使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解更深刻，大大提高學(xué)生解決復(fù)雜工程技術(shù)問題的能力。同時(shí)，融入課程思政能激發(fā)學(xué)生的愛國情懷、責(zé)任感及使命感。以新工科為背景的多維立體教學(xué)模式的實(shí)施，對(duì)提高學(xué)生素質(zhì)、提高課堂教學(xué)質(zhì)量有重要意義。

2 課程改革實(shí)施方案

面向新工科的《機(jī)電傳動(dòng)與控制》課程多維教學(xué)模式，具體實(shí)施方式如圖1所示。

圖1 多維立體教學(xué)模式

2.1 新的立體教材建設(shè)

新工科有兩個(gè)內(nèi)涵：一是新的工科專業(yè)；二是傳統(tǒng)工科專業(yè)的新需求[5]。新工科建設(shè)，都需要適用于新工科教育的教材作為支撐。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前開設(shè)《機(jī)電傳動(dòng)與控制》的高校，教師用的教材內(nèi)容幾乎都是清一色的理論知識(shí)，現(xiàn)代工業(yè)背景下的實(shí)際應(yīng)用案例少，與新工科培養(yǎng)人才的理念相比較，教材的內(nèi)容是缺失的。

因此，積極推動(dòng)補(bǔ)充教材的編寫，擬加入電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù)及其在不同前沿行業(yè)中的應(yīng)用案例，結(jié)合前沿?zé)狳c(diǎn)知識(shí)更新教學(xué)內(nèi)容。補(bǔ)充教材以“重視理論，加強(qiáng)工程思維培養(yǎng)，突出案例和實(shí)踐應(yīng)用”為主要目標(biāo)，處理好理論與技能培養(yǎng)的關(guān)系。

做好立體化教材建設(shè)，配備微課、微視頻及仿真模型的交互操作等擴(kuò)展資源，立體地展現(xiàn)課程中的重難點(diǎn)，可為學(xué)生帶來完美的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

2.2 多學(xué)科交叉融合教學(xué)

科研是探索未知世界或者解決實(shí)際問題，而未知世界和實(shí)際問題是不分學(xué)科的，科研的突破點(diǎn)往往就是學(xué)科學(xué)交叉，而學(xué)科交叉，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力、科學(xué)思維能力的培養(yǎng)[6]。

專業(yè)基礎(chǔ)課程相對(duì)獨(dú)立，學(xué)生在單門課程學(xué)習(xí)過程中不清楚學(xué)習(xí)和訓(xùn)練目的，導(dǎo)致多門課程之間脫節(jié)，培養(yǎng)的學(xué)生綜合能力不夠全面。新工科建設(shè)的本質(zhì)是新技術(shù)的融合、新學(xué)科的交叉，在學(xué)生的培養(yǎng)過程中需要給他們不斷樹立學(xué)科交叉融合的理念。

跨學(xué)科課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施已是“新工科”發(fā)展的必然要求，《機(jī)電傳動(dòng)與控制》課程擬采用“多課同堂”的教學(xué)組織形式，以促進(jìn)跨學(xué)科專業(yè)主干課程有機(jī)融合，形成新型跨學(xué)科教學(xué)模式。

例如：《機(jī)電傳動(dòng)與控制》與《機(jī)器人技術(shù)》課程的有機(jī)結(jié)合：電機(jī)可以用于機(jī)器人的控制中，以機(jī)器人為應(yīng)用實(shí)例，引入電機(jī)控制，有機(jī)地把兩門課結(jié)合起來，有效地調(diào)動(dòng)起學(xué)生的積極性。這不僅僅是形式上的交叉，而是要有融合發(fā)展、育人的思路，真正地把學(xué)科交叉融合落實(shí)到人才培養(yǎng)上。多學(xué)科交叉教學(xué)模式，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的理解和認(rèn)知。

2.3 前沿項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

以前的課程應(yīng)用導(dǎo)向不明確，授課的方式是傳授理論，在PPT、板書上傳授知識(shí)，然后再進(jìn)行案例的講解和實(shí)驗(yàn)。事實(shí)上，學(xué)習(xí)的目的在于應(yīng)用，學(xué)以致用，“用”明確了，學(xué)的才有動(dòng)力，所以導(dǎo)向性的重要性不言而喻。

將該學(xué)科的新思想、國際前沿學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)以及教師的科研成果引入教學(xué)。將教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)與科研實(shí)踐相結(jié)合、與實(shí)際生活及工程問題相聯(lián)系。教學(xué)內(nèi)容要根據(jù)學(xué)科發(fā)展不斷迭代更新，通過查閱、研討該領(lǐng)域的新案例、新成果，培養(yǎng)學(xué)生跟蹤前沿、不斷創(chuàng)新的能力。新的課程教學(xué)方法能更好地結(jié)合工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，課程以引入工業(yè)應(yīng)用中的案例為起點(diǎn)，以需求導(dǎo)向、引入“項(xiàng)目制”教學(xué)，教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椋阂越鉀Q工程問題的工程實(shí)踐為學(xué)習(xí)訓(xùn)練載體，實(shí)現(xiàn)科學(xué)知識(shí)、工程知識(shí)和工程技能的融會(huì)貫通，學(xué)生實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”，這種模式更加貼近人類學(xué)習(xí)的本能。

教學(xué)過程中，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和選擇尤為關(guān)鍵，緊跟前沿技術(shù)，把企業(yè)的痛點(diǎn)需求設(shè)定為驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目。因此，建立新型人才的培養(yǎng)模式，勢(shì)必需要企業(yè)的加入，針對(duì)企業(yè)提出的項(xiàng)目需求，引導(dǎo)學(xué)生去解決，學(xué)生需要在參與項(xiàng)目的過程中自主學(xué)習(xí)所需要的知識(shí)，在任課教師的指導(dǎo)下完成需求調(diào)研和產(chǎn)品模型制作等，撰寫項(xiàng)目工作報(bào)告以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)說明書，最后利用PPT 進(jìn)行成果展示。

這樣培養(yǎng)出來的學(xué)生也會(huì)更接地氣，符合企業(yè)的需求，鍛煉了學(xué)生的面向復(fù)雜工程項(xiàng)目獨(dú)立思考的能力、實(shí)踐動(dòng)手能力及自主學(xué)習(xí)力。

2.4 考核評(píng)價(jià)方式的優(yōu)化

評(píng)價(jià)方式突破期末考試模式限制，實(shí)現(xiàn)課內(nèi)、課程與論文環(huán)節(jié)、課程與工程項(xiàng)目的融合貫通。

期末考試采用傳統(tǒng)方法，衡量基本理論知識(shí)的掌握情況。工程實(shí)踐環(huán)節(jié)根據(jù)設(shè)計(jì)思想的正確性，設(shè)計(jì)方案的合理性，利用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力及成果的創(chuàng)新性、自主學(xué)習(xí)能力等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。論文環(huán)節(jié)根據(jù)文獻(xiàn)研究、資料收集與信息分析情況，論文的規(guī)范性、正確性等因素進(jìn)行考核。多類型綜合的考核評(píng)價(jià)方式既能充分激勵(lì)學(xué)生，又能體現(xiàn)考核評(píng)價(jià)的客觀性。

3 課程改革實(shí)施過程及效果

課程組依據(jù)實(shí)施方案，對(duì)《機(jī)電傳動(dòng)與控制》的教學(xué)過程進(jìn)行改革，取得了一定的效果。

3.1 新的立體教材建設(shè)

設(shè)計(jì)仿真模型，將前沿實(shí)例引入《機(jī)電傳動(dòng)與控制》課程中，同時(shí)也進(jìn)行了補(bǔ)充教材的編寫。微課將課堂教學(xué)內(nèi)容的精華部分進(jìn)行提取，并打破傳統(tǒng)課堂教學(xué)時(shí)間和空間的限制，將《機(jī)電傳動(dòng)與控制》課程課堂教學(xué)中多個(gè)知識(shí)點(diǎn)(教學(xué)中重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容，如三相異步電動(dòng)機(jī)工作特性等)的教學(xué)過程錄制下來，制作成微課發(fā)給學(xué)生。這樣可以彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足，學(xué)生可以隨時(shí)隨地、反復(fù)地進(jìn)行學(xué)習(xí)，受到學(xué)生好評(píng)。

3.2 多學(xué)科交叉融合教學(xué)

《機(jī)電傳動(dòng)與控制》與《機(jī)器人技術(shù)》課程的有機(jī)結(jié)合：以機(jī)器人為應(yīng)用實(shí)例，引入電機(jī)控制，有機(jī)地把兩門課結(jié)合起來，這不僅僅是形式上的交叉，而是要有融合發(fā)展、育人的思路。能實(shí)實(shí)在在學(xué)到知識(shí)，且能夠有效融合應(yīng)用，體現(xiàn)自我價(jià)值，是每一位同學(xué)的心愿。學(xué)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)，學(xué)生樂在其中，積極性大大提高。圖2是機(jī)器人-機(jī)電技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)

3.3 前沿項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

3.3.1 前沿講座

針對(duì)以前普遍存在企業(yè)需求不能有效傳導(dǎo)至教學(xué)環(huán)節(jié)的現(xiàn)象，對(duì)行業(yè)需求的思考不夠及課程內(nèi)容的時(shí)效性滯后于企業(yè)對(duì)專業(yè)人才的需求等問題，緊跟前沿技術(shù)，圍繞學(xué)生興趣點(diǎn)濃厚的機(jī)器人，結(jié)合企業(yè)的痛點(diǎn)需求，在教學(xué)前期開展兩次講座，重點(diǎn)講述機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)，激發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并推動(dòng)形成學(xué)習(xí)機(jī)電傳動(dòng)控制的熱情。

3.3.2 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目改革，利用原教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

鍛煉學(xué)生的基本操作能力，包括進(jìn)行電機(jī)基本控制、調(diào)試實(shí)驗(yàn)等，側(cè)重講解電機(jī)和控制元件的安裝使用方法。如電機(jī)的接線、控制元件的接線、如何使用等?；究刂凭€路實(shí)驗(yàn)則側(cè)重鍛煉學(xué)生元件選用安裝能力、組建控制線路的能力和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作能力。重點(diǎn)學(xué)習(xí)電機(jī)實(shí)驗(yàn)基本要求和安全操作注意事項(xiàng)；練習(xí)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的接線，驗(yàn)證、掌握啟動(dòng)、調(diào)速方法。

3.3.3 增加科學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

以需求為牽引，使學(xué)生從外部要求轉(zhuǎn)變到內(nèi)部驅(qū)動(dòng)式的學(xué)習(xí)。從對(duì)具體題目和問題的方案探求中，自主學(xué)習(xí)解決問題相應(yīng)的知識(shí)和手段，充分啟發(fā)學(xué)生的求知熱情。

針對(duì)當(dāng)前機(jī)電系統(tǒng)（含智能化裝備、自動(dòng)化生產(chǎn)線、智能化生產(chǎn)線等）的主流控制形式，結(jié)合科研案例，開發(fā)并組建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，題目舉例如下。

例1：面向3C 產(chǎn)業(yè)的工業(yè)機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝。

例2：特種機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝。

綜合性項(xiàng)目環(huán)節(jié)采用啟發(fā)式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題和解決問題的能力，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)通過實(shí)踐和自學(xué)獲得自己想學(xué)的知識(shí)。圖3是學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人工程項(xiàng)目圖。

圖3 學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人工程項(xiàng)目

3.3.4 創(chuàng)新性作業(yè)的布置

創(chuàng)新性作業(yè)的布置，拓展學(xué)生的知識(shí)面。教師根據(jù)科研實(shí)際，給出應(yīng)用工程背景，布置創(chuàng)新性作業(yè)，讓學(xué)生了解在工程實(shí)際中應(yīng)該解決的問題，調(diào)動(dòng)并形成強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，使學(xué)生增加學(xué)習(xí)興趣，解決原來存在的厭學(xué)的問題。在要求學(xué)生掌握機(jī)電傳動(dòng)與控制的基本理論的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)通過實(shí)踐和自學(xué)獲得知識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己的特長、興趣查閱文獻(xiàn)，提出案例參與課堂討論、分析，并充分利用實(shí)驗(yàn)室開放資源，將自己的案例進(jìn)行實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

4 結(jié)語

任何一門課程都有其最基本的培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生具備一定的知識(shí)、能力、素質(zhì)，應(yīng)對(duì)課時(shí)壓縮、知識(shí)量增大的課程改革，無論教學(xué)方式怎么改，課程的基本培養(yǎng)目標(biāo)不能變，這是改革的前提和成功的保證。

多維立體教學(xué)模式的實(shí)施，學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦，主動(dòng)思考及解決問題的意識(shí)大大提高，結(jié)合工程項(xiàng)目，讓學(xué)習(xí)有用武之地，學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力提高了，很多問題迎刃而解了。作為教師，最高興的事莫過于，所教課程學(xué)生愿意聽、愿意學(xué)，學(xué)有所成。

面向新工科的《機(jī)電傳動(dòng)與控制》課程多維教學(xué)模式采用多種教學(xué)方法和手段，以立體教材為基礎(chǔ)，融合多學(xué)科交叉及工程項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)，充分整合各種教學(xué)資源，融入課程思政，形成有理論、有實(shí)踐、有思想的多維特色教學(xué)模式。

以新工科為背景的《機(jī)電傳動(dòng)與控制》課程多維立體教學(xué)模式改革，使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解更深刻，對(duì)工程項(xiàng)目更感興趣，學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐能力都得到了提升。