以工程創(chuàng)新能力為導向的“機電一體化”課程教學模式探索*

李炳初 ，楊麗紅 ，孫福佳

（上海理工大學機械學院，上海 200240）

機電一體化是機械、電氣、電子、控制等多學科交叉的前沿領(lǐng)域，其目的是通過整合多學科知識，設(shè)計、制造和控制集成的機電產(chǎn)品或系統(tǒng)[1]。機電一體化是智能制造的重要支撐技術(shù)，機電一體化領(lǐng)域的創(chuàng)新能力是促進行業(yè)發(fā)展的重要驅(qū)動力，對于實現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可持續(xù)化具有重要意義[2]。隨著我國制造業(yè)水平的提升，對機電領(lǐng)域綜合型創(chuàng)新人才提出了更迫切的要求，除了扎實的專業(yè)基礎(chǔ)之外，綜合型創(chuàng)新人才還應具備技術(shù)、產(chǎn)品、管理等多方面的創(chuàng)新能力，其培養(yǎng)難度更大[3]。

作為機械電子工程重要專業(yè)基礎(chǔ)，“機電一體化”課程的目標是培養(yǎng)具備多學科綜合素質(zhì)且能夠勝任機電一體化產(chǎn)品設(shè)計、制造和控制工作的人才。面對綜合創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標，“機電一體化”課程教學需要進一步改進提升。目前，“機電一體化”課程教學采取理論教學為主，實踐教學為輔的教學模式，且理論教學與實踐教學并未針對性融合[4]。針對該問題，課題組結(jié)合機械電子工程學科特點和新教學理念，從理論教學、實踐教學、工程教學三個方面分析“機電一體化”課程的教學模式，探討新教學理念與教學技術(shù)。

1 理論教學

理論教學是機電一體化專業(yè)教育的重要組成部分，主要目的是讓學生了解機電一體化的基本概念、原理、方法和應用，掌握機電一體化領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識和理論技能[5]。主要包括以下方面。

1）機電一體化概念和發(fā)展歷程：介紹機電一體化的基本概念、發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，讓學生了解機電一體化的重要性和發(fā)展趨勢。

2）機電系統(tǒng)的基本原理：介紹機械、電子和控制等學科的基本原理和方法，掌握機械、電子和控制等學科的基礎(chǔ)知識和理論技能，為后續(xù)的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計和控制打下基礎(chǔ)。其中基礎(chǔ)知識框架應涵蓋：機械基礎(chǔ)，包括機械結(jié)構(gòu)、機械設(shè)計、機械加工、機械原理等，主要是為了理解機械工程在機電一體化中的重要性和作用；電子基礎(chǔ)，包括電路原理、電子元器件、電子技術(shù)、數(shù)字電路、模擬電路等，主要是為了理解電子工程在機電一體化中的重要性和作用；自動控制基礎(chǔ)，包括自動控制原理、控制系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等，主要是為了理解控制技術(shù)在機電一體化中的應用和作用；計算機基礎(chǔ)，包括計算機原理、編程語言、算法、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等，主要是為了理解計算機技術(shù)在機電一體化中的應用和作用。

3）機電元器件和傳感器：介紹機電元器件和傳感器的種類、原理和應用，讓學生了解各種機電元器件和傳感器的基本功能和應用范圍。

4）機電系統(tǒng)設(shè)計：介紹機電系統(tǒng)的設(shè)計原理和方法，掌握機電系統(tǒng)設(shè)計的基本技能，包括機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、機電元器件的選擇和搭配、機電系統(tǒng)性能測試等。

5）機電控制技術(shù)：介紹機電控制技術(shù)的基本原理和方法，掌握機電控制技術(shù)的基礎(chǔ)知識和理論技能，包括機電控制系統(tǒng)的建模、控制器的設(shè)計和調(diào)試等。

在機電一體化理論教學中，教師需要結(jié)合具體的案例和實踐，加強學生理論與實踐的結(jié)合，提高學生的實際應用能力和創(chuàng)新能力，為學生將來從事機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計、制造和控制等工作做好充分的準備。

2 實踐教學

機械電子工程的實踐教學是培養(yǎng)學生實際應用能力的重要途徑，實踐教學主要包括課程實驗、操作實訓等形式。實踐教學的目標是通過實驗操作，讓學生掌握理論知識并培養(yǎng)實際操作能力[6]。實踐教學主要內(nèi)容包括以下方面。

1）機電元器件實驗：通過機電元器件實驗讓學生了解各種機電元器件的結(jié)構(gòu)、性能和應用，掌握機電元器件的實際使用方法和注意事項。

2）機電系統(tǒng)設(shè)計實驗：通過機電系統(tǒng)設(shè)計實驗讓學生了解機電系統(tǒng)的設(shè)計原理和方法，掌握機電系統(tǒng)的設(shè)計技能，包括機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、機電元器件的選擇和搭配、機電系統(tǒng)性能測試等。

3）機電控制實驗：通過機電控制實驗讓學生了解機電控制技術(shù)的基本原理和方法，掌握機電控制技術(shù)的實際應用，包括機電控制系統(tǒng)的建模、控制器的設(shè)計和調(diào)試等。

4）機電產(chǎn)品制造實驗：通過機電產(chǎn)品制造實驗讓學生了解機電產(chǎn)品的制造流程和技術(shù)要求，掌握機電產(chǎn)品的制造技能，包括機械加工、電氣裝配、產(chǎn)品測試等。

實踐教學需要配置較好的軟硬件支撐條件。硬件應配備一些常見的機電一體化教學設(shè)備，如電動機實驗臺、傳感器實驗裝置、機器人實驗裝置、數(shù)字化智能控制實驗裝置、電子實驗、機械加工設(shè)備、焊接實驗設(shè)備等。軟件可以使用計算機軟件和仿真技術(shù)來支持機電一體化教學，如MATLAB、SolidWorks、AutoCAD 等，這些軟件可以用來演示機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、分析、仿真等，讓學生更好地理解機電一體化的理論和實踐。

3 工程教學

3.1 工程案例教學

機電一體化涉及機械、電子、控制等多學科的交叉，學生往往難以理解各學科的聯(lián)系，更難以將所學理論知識應用于實際工程中。而工程案例教學正是為了解決這一問題而設(shè)計的，基于真實的工程案例，以工程問題為導向的教學模式，旨在幫助學生將理論知識應用于實際工程中，并提高解決實際工程問題的能力和水平[7]。

工程案例教學是一種非常實用和有效的教學方法，可以幫助學生更好地理解工程實踐中的問題和解決方案，提高他們的實踐能力和解決問題的能力。將真實的工程案例引入課堂，學生可以通過分析和解決工程問題來學習相關(guān)的理論知識。這樣的教學方式不僅可以提高學生的學習興趣和主動性，更可以培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力。工程案例教學需要注意以下要點。

1）選取適當?shù)陌咐涸谶M行工程案例教學時，需要選取符合學生學習層次和興趣愛好的案例，使學生更容易理解和接受。

2）建立問題意識：在介紹案例的過程中，可以引導學生發(fā)現(xiàn)問題，培養(yǎng)他們的問題意識。通過問題引導，可以幫助學生更好地理解案例中的問題和難點。

3）引導分析解決方案：通過引導學生分析案例中的問題，幫助他們理解解決問題的思路和方法。在引導分析過程中，可以采用多種分析方法，如系統(tǒng)分析、決策樹分析、故障分析等。

工程案例教學可采取交互式教學方法，教師可以設(shè)置一些問題或思考點，引導學生通過小組討論、角色扮演、模擬演練等方式進行互動和合作，也可以指導學生查閱相關(guān)資料和進行實驗，幫助他們更好地理解工程問題和解決方法，提高學生的參與度和學習效果；在工程案例教學的過程中，還可以引導學生總結(jié)和反思所學內(nèi)容，幫助他們進一步深化理解和應用所學知識。

3.2 工程項目教學

工程項目教學是一種非常實用和有效的教學方法，可以幫助學生更好地了解工程實踐中的問題和解決方案，培養(yǎng)他們的實踐能力和團隊合作能力。工程項目教學可以以實習實訓、科研課程、學科競賽指導等形式開展。其中，實習實訓的目標是讓學生在實際工程項目中實踐應用所學知識，加深對工程實踐的認識和理解。實習實訓可以在企業(yè)、研究所、大學實驗室等實際工程環(huán)境中進行，讓學生了解實際工程項目的組織和管理方式，熟悉工程實踐中的工具和流程。在工程項目教學中，教師應注意以下方面。

1）設(shè)定明確的目標：明確項目的目標和要求可使學生更清楚地知道項目的意義和目的，激發(fā)學生的學習興趣。

2）組織合適的團隊：工程項目往往需要多人協(xié)同，合理組織學生團隊是重要環(huán)節(jié)，使每個學生能夠發(fā)揮自己的特長，同時要注重團隊的協(xié)作和溝通能力。

3）設(shè)計詳細的計劃：制定詳細的項目計劃，包括項目的時間、進度、任務分工等，使學生能夠清晰地了解項目的安排和要求，同時能夠合理分配時間和任務。

4）引導學生進行實踐操作：讓學生親身體驗從問題提出到解決方案構(gòu)思再到解決方案執(zhí)行的完整過程，掌握解決問題的方法和技巧。

在工廠項目教學中，需要為學生提供必要的資源支持，包括實驗設(shè)備、工具、技術(shù)指導等，以便學生能夠順利完成項目任務。同時，引導學生進行總結(jié)和反思，幫助他們進一步深化理解和應用所學知識，并在項目實踐中發(fā)現(xiàn)和解決問題。課程項目還應注意合理選題，從多方面衡量項目任務。

1）實踐意義：能夠解決實際問題，對工業(yè)生產(chǎn)、自動化控制等領(lǐng)域有一定的應用價值。

2）創(chuàng)新性：對現(xiàn)有問題的準確凝練與挖掘。

3）學生興趣和能力：題目范圍應較為廣泛，兼顧多數(shù)同學的研究興趣和能力。

4 創(chuàng)新能力培養(yǎng)

創(chuàng)新能力培養(yǎng)是教學的重要目標，也是極具挑戰(zhàn)的目標。培養(yǎng)創(chuàng)新能力，除了靈活掌握專業(yè)知識外，還需要開闊的視野和先進的思維方法[8]。在視野方面，需要深入了解機械電子工程領(lǐng)域的前沿技術(shù)，通過學術(shù)會議、研討會、交流講座等方式拓展視野，掌握行業(yè)內(nèi)的最新發(fā)展動態(tài)和趨勢，了解國內(nèi)外先進技術(shù)和應用案例；在思維方法方面，學會多方位思考問題，發(fā)展多元化的思維方式，從不同的角度、層面、維度看待同一個問題，具有跨界思維和創(chuàng)新思維。另外，需要多元化學習，除學習機械電子工程領(lǐng)域的知識，還需要了解其他學科領(lǐng)域的知識，如材料、物理、數(shù)學、化學等，這樣可以促進知識的交叉融合，從而產(chǎn)生更多的創(chuàng)新想法。

在創(chuàng)新能力培養(yǎng)上，參與科研項目是一種重要的形式，應通過項目課程、科研助理等方式，鼓勵并組織本科階段的同學參加科研項目。通過參與科研項目，本科生可以了解科研的基本流程和方法，增強科研意識和科研能力。此外，在科研過程中需要主動思考問題，積極探索答案，從而鍛煉批判性思維和解決問題的能力。參與科研項目需要進行大量實踐工作，如實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)采集和分析等，這些實踐活動能夠增強本科生的實踐能力，提高其實驗技能和數(shù)據(jù)分析能力。本科生參與科研項目需要與導師和其他團隊成員進行良好的溝通和協(xié)作，參加研討會和學術(shù)會議，這些活動能夠提高本科生的團隊協(xié)作和人際交往能力以及語言表達和組織能力。參與科研項目還可有效拓展本科生的視野，使其了解業(yè)界技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，提升其對技術(shù)發(fā)展趨勢的把握能力。

5 新教學技術(shù)的運用

5.1 翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂是一種新型的教學模式，它把學生在課堂內(nèi)聽講、做練習的時間轉(zhuǎn)移到了家庭或其他場所，在課堂上由教師和學生共同進行互動、探究和討論[9]。“機電一體化”是一門實踐性很強的課程，需要學生不斷地實踐和探究，而傳統(tǒng)的課堂教學往往無法滿足這種需求。通過翻轉(zhuǎn)課堂的方式，學生可以在家里預習相關(guān)的機電一體化知識和技能，這樣可以讓學生更加深入地了解機電一體化的理論和實踐，為后續(xù)的實驗和探究打下堅實的基礎(chǔ)。在課堂上，教師可以組織學生進行小組討論、問題解答和實驗探究等活動，通過互動方式傳遞設(shè)計思路及創(chuàng)新意識，使學生更生動地理解和掌握機電一體化技術(shù)。此外，翻轉(zhuǎn)課堂還可以提高學生的自主學習能力和創(chuàng)新能力，讓學生更加主動地參與到學習過程中，提高學生的學習積極性和主動性。

5.2 元宇宙

元宇宙屬于虛擬教學類技術(shù)，是指利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和在線教育平臺，為學生提供沉浸式的教學體驗[10]?！皺C電一體化”課程教學和元宇宙相結(jié)合，可以讓學生在虛擬世界中進行更加豐富、生動的機電學科學習和實踐。例如，在元宇宙中，學生可以進行機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、電路的搭建、自動化系統(tǒng)的編程等實際操作，進行實時互動和合作。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，學生可以更加直觀地了解各種機電設(shè)備的工作原理和運行過程，提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。另外，元宇宙技術(shù)可以為學生提供更加廣闊的機電學科學習和研究的空間，學生可以在虛擬世界中進行各種創(chuàng)造性的實驗和探索，挑戰(zhàn)一些難度較高的實驗和解決方案。這不僅可提高學生的綜合能力和創(chuàng)新能力，同時也可為機電學科的發(fā)展和進步提供更多的思路和可能性。

6 結(jié)論

課題組結(jié)合機械電子工程學科特點和新教學理念，從理論教學、實踐教學、工程教學三個方面分析“機電一體化”課程的教學模式，研究創(chuàng)新能力培養(yǎng)的切入點與實施方法，探討翻轉(zhuǎn)課堂等新教學模式、元宇宙等新教學技術(shù)在“機電一體化”課程教學中的應用。