新工科視野下機(jī)電子專業(yè)綜合實(shí)踐課程探索

蒙志強(qiáng) 孫世政 董紹江

摘?要：針對新工科對學(xué)生工程實(shí)踐能力要求，需要對傳統(tǒng)實(shí)驗實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革。本文以重慶交通大學(xué)機(jī)電子專業(yè)綜合實(shí)踐課程改革為案例，探索實(shí)踐課程體系、實(shí)踐教學(xué)模式、實(shí)踐教學(xué)平臺、實(shí)踐教學(xué)評價體系，對機(jī)電類高等人才的培養(yǎng)，提升人才的綜合實(shí)力，滿足企業(yè)的實(shí)際需求，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：新工科；機(jī)電子；實(shí)踐課程；課程改革

中圖分類號：G642??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

Abstract：In?view?of?the?requirements?of?new?engineering?courses?on?students'?engineering?practice?ability，the?traditional?experimental?practice?links?need?to?be?reformed.This?paper?takes?the?comprehensive?practical?curriculum?reform?of?mechanical?and?electronic?specialty?of?Chongqing?Jiaotong?University?as?a?case?to?explore?the?practical?curriculum?system，practical?teaching?mode，practical?teaching?platform，and?practical?teaching?evaluation?system，which?has?important?theoretical?and?practical?significance?for?the?training?of?electromechanical?higher?talents，improving?the?comprehensive?strength?of?talents，and?meeting?the?actual?needs?of?enterprises.

Keywords：new?engineering；Mechatronics；Practical?courses；Curriculum?reform

目前，我國工科教育存在重課堂、輕課外，重理論、輕實(shí)踐，重灌輸、輕自學(xué)，重精深、輕綜合等諸多問題，忽視了工程實(shí)際背景的重要性，培養(yǎng)的人才與社會需求不太適應(yīng)［1］。

隨著時代發(fā)展，社會對高校人才需求發(fā)生了深刻變革。在這種趨勢下，對高等教育的培養(yǎng)目標(biāo)提出了新的要求，即所培養(yǎng)的人才必須具備寬厚的科學(xué)知識基礎(chǔ)、較高的專業(yè)水準(zhǔn)、較強(qiáng)的創(chuàng)造力、較好的工程實(shí)踐能力［2］。

能否把新工科人才培養(yǎng)要求落到實(shí)處，關(guān)鍵在于高校實(shí)踐環(huán)節(jié)人才培養(yǎng)［3］。傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容陳舊，與技術(shù)發(fā)展相脫節(jié)，實(shí)踐教學(xué)手段單一滯后，無法適應(yīng)社會企業(yè)發(fā)展要求。而新工科建設(shè)要求，高校必須緊緊圍繞當(dāng)下核心技術(shù)，利用企業(yè)優(yōu)質(zhì)資源協(xié)同培養(yǎng)人才，讓實(shí)踐內(nèi)容和手段更加貼合企業(yè)發(fā)展［4］。

機(jī)電子專業(yè)隸屬機(jī)械和電子兩個交叉學(xué)科，學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容多。重慶交通大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)屬于機(jī)械專業(yè)大類，按照“1+3”模式實(shí)行大類招生分流培養(yǎng)。2015年獲批重慶市“機(jī)械工程”特色學(xué)科專業(yè)群支撐專業(yè)，2018年獲批重慶市本科高校大數(shù)據(jù)智能化類特色專業(yè)，2019年機(jī)械電子工程專業(yè)成為重慶市一流本科專業(yè)立項建設(shè)項目。本專業(yè)在交通應(yīng)用機(jī)器人集成與控制和交通機(jī)電裝備監(jiān)測與運(yùn)維等方面的人才培養(yǎng)具有鮮明的特色和優(yōu)勢，專業(yè)學(xué)科支撐厚實(shí)，擁有重慶市高等學(xué)?！皺C(jī)械工程”重點(diǎn)學(xué)科、“機(jī)械工程”一級學(xué)科碩士點(diǎn)、“交通工程應(yīng)用機(jī)器人重慶市工程實(shí)驗室”“城市軌道交通系統(tǒng)集成與控制重慶市重點(diǎn)實(shí)驗室”等6個省部級科研平臺和2個重慶市級高校人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新試驗區(qū)。

1?綜合實(shí)踐課程體系改革

1.1?綜合實(shí)踐課程目標(biāo)定位

根據(jù)普通高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)和工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)新工科建設(shè)要求，面向國家、區(qū)域和行業(yè)重大需求，開設(shè)有交通機(jī)電裝備監(jiān)測與運(yùn)維、交通應(yīng)用機(jī)器人集成與控制兩個專業(yè)實(shí)踐模塊。學(xué)生通過專業(yè)綜合實(shí)踐培養(yǎng)工程能力，能夠在現(xiàn)代交通裝備領(lǐng)域，從事機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計、技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)制造、運(yùn)營管理等工作。

1.2?綜合實(shí)踐課程內(nèi)容及教學(xué)模式改革

根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證要求和新工科教學(xué)理念，圍繞本專業(yè)定位和特色，機(jī)電系和實(shí)驗室經(jīng)過多次研討，對實(shí)踐課程體系進(jìn)行了全方位、深度改革。

根據(jù)學(xué)生專業(yè)知識水平積累程度，將實(shí)踐課程體系劃分三個模塊，學(xué)生在二年級開設(shè)基礎(chǔ)模塊實(shí)踐，三年級執(zhí)行進(jìn)階模塊實(shí)踐，四年級完成高階模塊實(shí)踐，總共7門專業(yè)實(shí)踐課程，共計33個學(xué)分。機(jī)電子專業(yè)綜合實(shí)踐課程體系如圖1所示。

基礎(chǔ)實(shí)踐模塊由工程訓(xùn)練實(shí)踐和電工與電子綜合實(shí)踐兩門課程構(gòu)成，這部分主要培養(yǎng)學(xué)生具有機(jī)械加工和電路焊接基本能力，為機(jī)電工程訓(xùn)練實(shí)踐打下堅實(shí)基礎(chǔ)。工程訓(xùn)練實(shí)踐除了傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)訓(xùn)練之外，還引入了激光焊接、3D打印、工藝雕刻、智能制造、綠色制造、數(shù)控車銑

圖1?機(jī)械電子專業(yè)實(shí)踐課程體系

床等先進(jìn)制造技術(shù)。電工電子綜合實(shí)踐主要包括電學(xué)實(shí)驗和電子工藝實(shí)習(xí)兩部分。要求學(xué)生能夠正確使用常用電學(xué)儀器儀表；能夠正確讀懂工程電路圖；能夠根據(jù)指定的元器件搭建實(shí)驗電路；能正確采集實(shí)驗所需數(shù)據(jù)；能正確運(yùn)用相關(guān)理論知識解釋實(shí)驗現(xiàn)象；能對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行合理分析;能夠在節(jié)能環(huán)保背景下設(shè)計合理的硬件電路；能夠科學(xué)合理的布局元器件，降低焊接耗材使用，減少對環(huán)境影響；能夠提高電子工藝焊接水平，能夠提升調(diào)試電路能力，增強(qiáng)電子產(chǎn)品可靠性、安全性；能夠?qū)κＳ嗖牧线M(jìn)行合理回收，并用于二次開發(fā)；能夠理解電子產(chǎn)品設(shè)計、制造、開發(fā)等工程實(shí)踐對環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展的影響。

機(jī)電控制綜合創(chuàng)新設(shè)計Ⅰ以單片機(jī)為核心完成一個控制系統(tǒng)的設(shè)計，包括電路原理圖設(shè)計、程序設(shè)計、電路及程序的仿真、PCB設(shè)計。學(xué)生們能夠應(yīng)用本專業(yè)的知識分析和解決復(fù)雜工程問題，在交叉學(xué)科背景下的團(tuán)隊中與他人共享信息、合作共事，理解團(tuán)隊合作的重要性，能夠以成員或者負(fù)責(zé)人的身份順利開展工作。機(jī)電控制綜合創(chuàng)新設(shè)計Ⅱ，包括生產(chǎn)機(jī)械控制系統(tǒng)、可編程控制器（PLC）技術(shù)兩部分。學(xué)生將完成一個基于PLC的機(jī)電裝備或生產(chǎn)機(jī)械的控制系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的控制要求，需要明確系統(tǒng)控制功能和設(shè)計要求、主要零部件選型計算、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計、控制系統(tǒng)代碼設(shè)計，最終完成整個系統(tǒng)的仿真分析。學(xué)生能夠針對生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)電裝備特定需求，設(shè)計機(jī)電控制系統(tǒng)。更能夠運(yùn)用相關(guān)技術(shù)、資源和工具對機(jī)電裝備系統(tǒng)的復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析、預(yù)測與模擬，還能夠識別、分析和評價其設(shè)計的復(fù)雜工程問題解決方案對社會、人類健康、公共安全、法律法規(guī)以及文化的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。

機(jī)電裝備智能監(jiān)測與運(yùn)維綜合創(chuàng)新實(shí)踐中，學(xué)生將針對交通機(jī)電裝備（如高鐵、飛行器、船舶、專用作業(yè)保障裝備等）安全運(yùn)行與智能運(yùn)維需求，完成機(jī)電裝備智能監(jiān)測與運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的相關(guān)要求，學(xué)生需要明確系統(tǒng)功能需求和設(shè)計要求、硬件系統(tǒng)設(shè)計（主要傳感器選型、采集卡設(shè)計或選型等）、軟件系統(tǒng)設(shè)計，最終完成整個系統(tǒng)的設(shè)計，撰寫設(shè)計說明書。交通應(yīng)用機(jī)器人綜合創(chuàng)新實(shí)踐，包括交通應(yīng)用機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計兩部分，學(xué)生將完成一個基于PLC或微控制器的交通應(yīng)用機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計。工程交叉綜合創(chuàng)新實(shí)踐是機(jī)械電子工程和電氣工程及其自動化兩個專業(yè)的學(xué)生聯(lián)合完成的綜合專業(yè)實(shí)踐。學(xué)生分別應(yīng)用兩個專業(yè)的主干課程，完成一個機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計，其中包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計部分，學(xué)生需完成系統(tǒng)三維模型設(shè)計、運(yùn)動仿真、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件加工與裝配；電氣系統(tǒng)設(shè)計部分，學(xué)生需完成負(fù)荷計算、電源設(shè)計、電氣布局；控制系統(tǒng)設(shè)計部分，學(xué)生需完成元器件選型計算、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計、控制系統(tǒng)代碼設(shè)計。最終學(xué)生完成整個系統(tǒng)的仿真分析。通過工程交叉綜合創(chuàng)新實(shí)踐，學(xué)生不僅能夠應(yīng)用本專業(yè)的知識分析和解決復(fù)雜工程問題，更能夠了解專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、知識產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)業(yè)政策或法律法規(guī)，進(jìn)而認(rèn)識到自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的必要性，且具有不斷自主學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力；同時也為畢業(yè)設(shè)計的順利開展打下基礎(chǔ)。

本專業(yè)全面開展OBE人才培養(yǎng)模式，深化實(shí)踐育人，對原有實(shí)驗實(shí)踐課程主要進(jìn)行以下三點(diǎn)改革：（1）深化工程教育，構(gòu)建“工程態(tài)”實(shí)踐教學(xué)體系。針對實(shí)踐課程內(nèi)容空乏，難以與實(shí)際工程相結(jié)合的問題，構(gòu)建了“工程態(tài)”課程體系，凸顯工程教育內(nèi)涵；減少了大部分驗證性實(shí)驗，降低了實(shí)驗學(xué)時比重，實(shí)踐課程以分析研究、解決復(fù)雜工程問題為導(dǎo)向，多層次（工程素質(zhì)層—工程技術(shù)層—工程系統(tǒng)層）遞進(jìn)教學(xué)體系；讓工程教育回歸工程，強(qiáng)化工程技術(shù)和工程素養(yǎng)，讓理論解決實(shí)際問題的實(shí)踐體系。（2）以學(xué)生為本，實(shí)施“多形態(tài)”實(shí)踐教學(xué)模式。針對學(xué)生學(xué)習(xí)途徑單一、知識遷移訓(xùn)練不足、綜合設(shè)計能力較弱等問題，展開“多形態(tài)”教學(xué)模式。以學(xué)生為中心，設(shè)置了多模式的課內(nèi)實(shí)踐與獨(dú)立實(shí)踐教學(xué)模式；開展線上線下、虛實(shí)結(jié)合、理實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式；通過實(shí)物設(shè)計與制作，教師引導(dǎo)，學(xué)生自主探索實(shí)踐教學(xué)模式；建立以學(xué)科競賽、大創(chuàng)活動、企業(yè)案例教學(xué)研究的實(shí)踐教學(xué)模式。（3）集聚優(yōu)質(zhì)資源，構(gòu)筑“立體態(tài)”實(shí)踐教學(xué)平臺。針對學(xué)生實(shí)踐能力薄弱、創(chuàng)新能力不強(qiáng)的問題，結(jié)合本專業(yè)學(xué)科特點(diǎn)，依托高新企業(yè)優(yōu)勢，先后與中國長安汽車集團(tuán)有限公司等企業(yè)建立了10余個工程教育實(shí)踐與產(chǎn)學(xué)研合作基地，為專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)搭建了良好平臺。開設(shè)多層次實(shí)踐項目，構(gòu)建“立體態(tài)”實(shí)踐平臺（基礎(chǔ)實(shí)踐—課程實(shí)踐—跨課程實(shí)踐—跨學(xué)科實(shí)踐）；開設(shè)了實(shí)用性、趣味性、開放性、挑戰(zhàn)性實(shí)踐項目；引導(dǎo)學(xué)生在試錯、辯論、反思中培養(yǎng)實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

2?綜合實(shí)踐課程評價體系改革

針對傳統(tǒng)實(shí)踐課程考核方式只關(guān)注成果，進(jìn)行了改革。聚焦過程與結(jié)果，建立“多維度”實(shí)踐教學(xué)評價體系。本文以機(jī)電控制綜合創(chuàng)新實(shí)踐I課程評分標(biāo)準(zhǔn)為案例進(jìn)行分析，如下表1：

針對現(xiàn)行評價機(jī)制難以客觀反映學(xué)生實(shí)踐課程學(xué)習(xí)效果的問題，深入考察人才培養(yǎng)目標(biāo)與課程體系特點(diǎn)，分類實(shí)施成果和過程導(dǎo)向的課程評價體系；以工程教育理念為指導(dǎo)，多維度在創(chuàng)新能力、綜合能力、實(shí)踐能力進(jìn)行評估；在充分體現(xiàn)“德、智、體等方面全面發(fā)展”這一大前提下，還應(yīng)反映創(chuàng)新型人才應(yīng)該具備的要素，把創(chuàng)新人才應(yīng)具備的思維、知識、能力、個性等方面的要素納入評價體系，以形成一種引導(dǎo)、激勵學(xué)生德、智、體全面發(fā)展和創(chuàng)新素質(zhì)全面提升的發(fā)展性評價體系。

3?綜合實(shí)踐課程教學(xué)改革成效分析

近年來，我校機(jī)械電子工程專業(yè)圍繞交通裝備智能化發(fā)展趨勢，按照工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，全方位改革實(shí)踐課程，以提升學(xué)生知識運(yùn)用能力、專業(yè)綜合能力、工程實(shí)踐創(chuàng)新能力。改革成效顯著主要體現(xiàn)在以下五個方面：（1）培養(yǎng)了學(xué)生與其他成員有效溝通、合作共事的能力；鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，提升了終身學(xué)習(xí)的意識，包括對技術(shù)問題的理解能力、歸納總結(jié)的能力和提出問題的能力；促進(jìn)了學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。（2）近三年來，學(xué)生參加學(xué)科競賽獲得省部級以上獎40項，其中國家級獎18項（國家級一等獎10項，二等獎6項，三等獎2項），學(xué)科競賽成績斐然，受邀中央電視臺宣傳報道。（3）學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目積極性高，人數(shù)眾多。近三年來，省部級以上項目8項，其中用于地下電力管道纜線故障檢測的小型智能巡檢機(jī)器人；一種小型城市軌道交通隧道智能巡檢機(jī)器人等4個國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。（4）學(xué)生畢業(yè)設(shè)計總體情況顯著提高，設(shè)計深度、廣度明顯進(jìn)步。（5）實(shí)習(xí)單位、就業(yè)單位對學(xué)生專業(yè)水平、工程動手能力認(rèn)可度大幅提升。

結(jié)語

重慶交通大學(xué)機(jī)電子專業(yè)實(shí)踐課程立足交通裝備領(lǐng)域，有三個明顯的特征：其一“高階性”，該課程體系是機(jī)械原理、電工學(xué)、電子學(xué)、控制理論、機(jī)器人學(xué)等知識能力素質(zhì)的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維。其二“創(chuàng)新性”，學(xué)生自主選題，例如車載智能環(huán)衛(wèi)機(jī)械臂、動車組吸污機(jī)器人、睡眠巡航機(jī)器人等內(nèi)容都反映了專業(yè)領(lǐng)域的前沿性和時代性，學(xué)生分組完成，一組一題，教學(xué)形式呈現(xiàn)先進(jìn)性和互動性，每一組的設(shè)計具有探究性和個性化。其三“挑戰(zhàn)性”，實(shí)踐課程有一定難度，控制策略、機(jī)械臂運(yùn)動軌跡規(guī)劃等都需要學(xué)生大量查閱文獻(xiàn)、反復(fù)推敲、不斷實(shí)驗才能獲得結(jié)論。

參考文獻(xiàn)：

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基金項目：重慶市高等教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項目“創(chuàng)新項目+學(xué)科競賽雙輪驅(qū)動下的交通裝備類人才實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式探索與實(shí)踐研究”（項目編號：222093）；教育部產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人項目“新工科背景下嵌入式技術(shù)改革與實(shí)踐”（項目編號：202101008014）；重慶交通大學(xué)2021年度教育教學(xué)改革研究項目“基于新工科背景下多模態(tài)機(jī)電子專業(yè)綜合創(chuàng)新實(shí)踐課程改革與研究”（項目編號：2103023）

作者簡介：蒙志強(qiáng)（1986—?），男，漢族，四川三臺人，碩士，實(shí)驗師，研究方向：機(jī)械故障診斷/嵌入式技術(shù)；孫世政，副教授，碩導(dǎo)，研究方向：機(jī)器人智能感知與控制；董紹江，教授，博導(dǎo)，工程與產(chǎn)業(yè)院院長，研究方向：機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。