新工科建設(shè)驅(qū)動(dòng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式改革

摘 要 新工科建設(shè)的深入推進(jìn)，對(duì)高等院校工科專業(yè)人才培養(yǎng)和課程教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。文章圍繞智能制造領(lǐng)域的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程，分析了課程教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問題，探討了教學(xué)模式與方法轉(zhuǎn)變的必要性，總結(jié)了多種教學(xué)模式改革策略，旨在提升課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，以適應(yīng)新形勢下工科教育的需求。

關(guān)鍵詞 新工科建設(shè)；智能制造；機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)；教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G424 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.01.013

The Transformation of Teaching Mode for the Mechatronics System Design Course under the Construction of New Engineering

KANG Jianfeng， QIAO Jian， LU Qinghua

（School of Mechatronic Engineering and Automation， Foshan University， Foshan， Guangdong 528225）

Abstract With the deepening of construction of new engineering， new challenges have been put forward to the personnel training and curriculum teaching requirements of engineering majors in higher education institutions. This article focuses on the course \"Mechatronics System Design\" in the field of intelligent manufacturing， analyzing the current situation and existing problems of course teaching， exploring the necessity of teaching modes and method transformation， as well as summarizing various teaching mode reform strategies. The aim is to improve the quality of course teaching and cultivate students' innovative and practical abilities through the integration of teaching concepts and models， so as to adapt to the needs of engineering education under the new situation.

Keywords construction of new engineering; intelligent manufacturing; mechatronics system design; teaching mode

為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，教育部提出了助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)的新工科建設(shè)方針，引導(dǎo)高等院校面向未來，培養(yǎng)工程能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具有全球視野且能支撐引領(lǐng)未來戰(zhàn)略布局的復(fù)合型工程科技人才。新工科建設(shè)是新時(shí)代工程教育改革的新方向、新思維與新舉措，是面向未來戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域做好人才儲(chǔ)備的主動(dòng)謀劃。

智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合的新型生產(chǎn)關(guān)系，根據(jù)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，智能制造是制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的主攻方向，其發(fā)展程度直接關(guān)系到我國制造業(yè)質(zhì)量水平和新質(zhì)生產(chǎn)力潛能。當(dāng)前，智能制造緊缺人才需求量大，對(duì)高等教育新工科人才培養(yǎng)提供新機(jī)遇與新挑戰(zhàn)，也倒逼課程教學(xué)模式進(jìn)行與時(shí)俱進(jìn)的調(diào)整與變革[1]。

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程是微電子技術(shù)、信息技術(shù)等向機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域滲透與交叉而逐漸形成的綜合性專業(yè)課程，特別注重知識(shí)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性和有機(jī)融合，是理論基礎(chǔ)知識(shí)與工程應(yīng)用實(shí)踐緊密關(guān)聯(lián)的一門專業(yè)課[2]。傳統(tǒng)的教學(xué)模式多以教師為中心，學(xué)生被動(dòng)式接受知識(shí)灌輸，忽視學(xué)生的主體地位和實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用相脫節(jié)，因此亟須探索新的教學(xué)模式與方法，以適應(yīng)新形勢下工科教育的需求[3]。

1 課程特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容涉及機(jī)械、電子、控制、信息等多學(xué)科交叉知識(shí)，具有內(nèi)容豐富、知識(shí)面寬、理論性深、實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用性廣的特點(diǎn)。受課程特點(diǎn)和性質(zhì)的影響，以及新技術(shù)和新知識(shí)的不斷涌現(xiàn)，課程在實(shí)際教學(xué)開展過程中存在一些問題[4]：

1.1 教學(xué)內(nèi)容重疊且滯后，重心把握不明晰

由于機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容與先修課程機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、控制技術(shù)、測試技術(shù)、微機(jī)原理等存在部分重疊，詳細(xì)講述容易造成“炒剩飯”現(xiàn)象，降低學(xué)生對(duì)本課程的興趣；課程所用教材陳舊，難以反映最新科技成果與實(shí)踐動(dòng)態(tài)等，影響后續(xù)理論知識(shí)向應(yīng)用工程化轉(zhuǎn)變與銜接；課程內(nèi)容編排過程中可能過于側(cè)重單一方面知識(shí)的講解，未著力聚焦在機(jī)電有機(jī)結(jié)合并貫穿始終，重心把握不明晰，影響學(xué)生知識(shí)體系的建立和系統(tǒng)性思維的培養(yǎng)。

1.2 教學(xué)方式單一且乏味，理論與實(shí)踐結(jié)合弱

課堂教學(xué)以教師多媒體授課為主，教學(xué)效果不佳，學(xué)生難以將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，而且在促進(jìn)學(xué)生理解復(fù)雜工程問題的認(rèn)識(shí)和能力培養(yǎng)上缺乏教師引導(dǎo)；由于實(shí)驗(yàn)設(shè)施不足，輔助性實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`環(huán)節(jié)多以單一目標(biāo)實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品表象認(rèn)識(shí)為主，理論知識(shí)的實(shí)驗(yàn)論證與綜合應(yīng)用受到限制；盡管教師明確理論與實(shí)踐相結(jié)合特別重要，不斷通過教學(xué)評(píng)價(jià)反饋優(yōu)化教學(xué)方式，但實(shí)施效果仍有很大提升空間，自主研究性學(xué)習(xí)還未真正貫徹到課堂教學(xué)中，導(dǎo)致學(xué)生多停留于課本知識(shí)學(xué)習(xí)，對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用、探索和創(chuàng)新的熱情尚未完全激發(fā)，最終造成課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)同工程實(shí)踐聯(lián)系甚少，在面對(duì)實(shí)際工程存在的問題和研發(fā)新的機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品時(shí)容易束手無策。

2 教學(xué)模式與方法轉(zhuǎn)變

面向當(dāng)前課程教學(xué)存在的問題，迫切需要在教學(xué)模式與方法上進(jìn)行與時(shí)俱進(jìn)的轉(zhuǎn)變與調(diào)整[5]。在教學(xué)過程中，“機(jī)電有機(jī)結(jié)合”的教學(xué)理念應(yīng)貫穿始終，須做到知識(shí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性與教學(xué)體系完整性相統(tǒng)一，通過課程教學(xué)模式的多元化協(xié)同，將課堂講授、課題探討、情景教學(xué)、答辯互動(dòng)等多種方式相結(jié)合，及時(shí)轉(zhuǎn)換教師與學(xué)生的主體角色，提高學(xué)生主動(dòng)參與的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的綜合能力。

2.1 研究性學(xué)習(xí)實(shí)踐的教學(xué)模式

研究性學(xué)習(xí)實(shí)踐注重以學(xué)生為主體、教師為輔，通過自主學(xué)習(xí)、自由探索方式形成“做中學(xué)、問中學(xué)”[6]。由于機(jī)電一體化系統(tǒng)涉及多學(xué)科知識(shí)交叉融通，實(shí)際講授過程中學(xué)生或多或少存在相關(guān)疑惑與問題，一方面學(xué)生要自行查閱資料尋找答案，另一方面學(xué)生要與教師共同討論、深入探究，加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握。

例如，在介紹機(jī)電有機(jī)結(jié)合之動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的考慮方法時(shí)，教師以工程典型應(yīng)用案例為切入點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，明晰動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和重點(diǎn)掌握的內(nèi)容。在學(xué)生掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)后，教師以工程廣泛應(yīng)用的比例—積分—微分調(diào)節(jié)為例，引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)物操控觀察調(diào)節(jié)器各部分組合調(diào)節(jié)的作用效果，同時(shí)拋出調(diào)節(jié)規(guī)律的內(nèi)在作用原理問題，引發(fā)學(xué)生深入思考，最后通過學(xué)生講解、教師補(bǔ)充的形式，借助理論模型構(gòu)建和Matlab仿真分析論證和解釋現(xiàn)象觀察的規(guī)律。整個(gè)過程以問題為牽引，提升學(xué)生主動(dòng)參與課堂教學(xué)的積極性，挖掘其自主研究探索的潛能，也充分鍛煉其邏輯表達(dá)與溝通能力。

2.2 基于課題項(xiàng)目融合的教學(xué)模式

課題項(xiàng)目融合是以項(xiàng)目為主線，將分散孤立的理論知識(shí)點(diǎn)融入項(xiàng)目開發(fā)過程，通過具體項(xiàng)目案例剖析，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合[7]。課題項(xiàng)目實(shí)施過程能不斷激發(fā)學(xué)生的興趣，增強(qiáng)其主動(dòng)學(xué)習(xí)和探究、創(chuàng)新實(shí)踐的能力，幫助其形成較為系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)理念和科學(xué)研究思維，對(duì)課程教學(xué)質(zhì)量提升有積極的推動(dòng)作用。

例如，教師在先進(jìn)的智能制造技術(shù)中選用3D打印技術(shù)為課題項(xiàng)目，概述該技術(shù)在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況以引起學(xué)生興趣，并深入淺出地分析其與本課程相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；以熔融絲材制造工藝的打印設(shè)備為代表，介紹該設(shè)備中機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理和核心要素，主要包括打印運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、打印噴頭、步進(jìn)電機(jī)、傳感器、控制系統(tǒng)等，通過具有特定功能的機(jī)械裝置和電子控制，共同實(shí)現(xiàn)打印過程的自動(dòng)化和精確控制。同時(shí)，教師以打印路徑規(guī)劃的自編程設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的多自由度精確調(diào)控作為興趣拓展內(nèi)容，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生熱情，引導(dǎo)其在參與打印技術(shù)核心問題的探索與創(chuàng)新實(shí)踐過程中，將所學(xué)的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論知識(shí)與3D打印技術(shù)工程應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)，融合解決現(xiàn)實(shí)工程應(yīng)用存在的核心技術(shù)難題，從而增強(qiáng)實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

2.3 基于OBE教育理念的課程教學(xué)模式

OBE（Outcome based education）教育理念，也稱為成果導(dǎo)向教育、能力導(dǎo)向教育、目標(biāo)導(dǎo)向教育或需求導(dǎo)向教育。教師基于OBE教育理念，采用“課題導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、分工協(xié)作”的教學(xué)方式[8]，學(xué)生在開展課題的過程中，既鞏固了對(duì)理論知識(shí)的理解與掌握，又鍛煉了綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)培養(yǎng)了課程組成員的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和創(chuàng)新精神，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣與熱情。

例如，在教學(xué)過程中，學(xué)生圍繞傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)存在的勞動(dòng)力短缺、農(nóng)作物生長指標(biāo)監(jiān)測難、科學(xué)技術(shù)指導(dǎo)不完善等問題，自行組隊(duì)開展了“智慧農(nóng)業(yè)的設(shè)計(jì)方案”的課題，運(yùn)用機(jī)電一體化的系統(tǒng)性思維設(shè)計(jì)和構(gòu)建了自動(dòng)灌溉、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制等核心功能模塊，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長全流程自動(dòng)化監(jiān)測與管理，這一過程充分鍛煉了學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工程領(lǐng)域的分析和解決問題的能力。

2.4 基于CDIO理念的課程教學(xué)模式

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）和運(yùn)行（Operate），是以從產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的全生命周期為載體，讓學(xué)生將課程與主動(dòng)實(shí)踐深度融合的學(xué)習(xí)模式，通過產(chǎn)品項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為牽引，帶動(dòng)學(xué)生自身驅(qū)動(dòng)力來組織課程教學(xué)，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程科研能力、探索和學(xué)習(xí)知識(shí)的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力[9]。教師可將該理念引入機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程實(shí)踐教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自發(fā)選擇感興趣的產(chǎn)品為目標(biāo)對(duì)象，圍繞產(chǎn)品存在的問題和技術(shù)壁壘，充分運(yùn)用課程理論知識(shí)提出解決實(shí)施方案，做到學(xué)以致用、融會(huì)貫通。

例如，根據(jù)CDIO理念和課程安排，學(xué)生自行組團(tuán)和自由選題，開展了“光伏智能清洗機(jī)器人”“智能掃地機(jī)器人”“自動(dòng)泊車系統(tǒng)”“自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)”等課題，通過將課本上的機(jī)械系統(tǒng)、自動(dòng)化控制、傳感器檢測、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等知識(shí)相融合，并與定位導(dǎo)航和人工智能技術(shù)相結(jié)合來構(gòu)思產(chǎn)品的工作原理與設(shè)計(jì)方案，提出具體的實(shí)施方案和技術(shù)流程，圍繞各子系統(tǒng)或模塊進(jìn)行穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能分析，繼而評(píng)價(jià)整個(gè)產(chǎn)品的運(yùn)行性能。

2.5 基于產(chǎn)教學(xué)融合的課程教學(xué)模式

新工科背景下，產(chǎn)教學(xué)融合被賦予新的時(shí)代屬性。其中產(chǎn)是支撐，教是核心，學(xué)是根本，將三者充分融合，最大化發(fā)揮高等院校培養(yǎng)人才的優(yōu)勢，共同塑造和培養(yǎng)出符合社會(huì)需要的復(fù)合型人才。根據(jù)教育部、國家發(fā)展改革委、財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》，高校要把辦學(xué)思路真正轉(zhuǎn)到服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展上來，把辦學(xué)定位轉(zhuǎn)到培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)技能型人才、增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力上來，把辦學(xué)模式轉(zhuǎn)到產(chǎn)教融合校企合作上來。將產(chǎn)教學(xué)融合引入機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程中，更有利于提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

例如，佛山堅(jiān)持以制造業(yè)當(dāng)家，重點(diǎn)布局戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)——高端裝備制造業(yè)，成為加快形成新質(zhì)生產(chǎn)力的重要抓手。佛山大學(xué)圍繞高端裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)需求，結(jié)合課程的特點(diǎn)與性質(zhì)，在教學(xué)過程中充分將產(chǎn)業(yè)與行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展存在的技術(shù)壁壘與課程教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，促使學(xué)生在理論知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)踐探索中始終面向工程應(yīng)用存在的問題，以問題和需求為導(dǎo)向，鞏固和加強(qiáng)理論與實(shí)踐應(yīng)用的緊密連接。通過學(xué)校與廣東嘉騰機(jī)器人自動(dòng)化有限公司、佛山市星光傳動(dòng)機(jī)械有限公司、安德里茨（中國）有限公司、佛山艾樂博機(jī)器人科技有限公司、三技精密技術(shù)股份有限公司等多家企業(yè)的合作，學(xué)生不僅能了解到所學(xué)課程的應(yīng)用價(jià)值，還能圍繞企業(yè)存在的問題運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行探索和破題，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用、融會(huì)貫通。

3 結(jié)語

新工科建設(shè)作為高等教育領(lǐng)域的重要改革方向，對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門跨學(xué)科、應(yīng)用性強(qiáng)的課程教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變起到了強(qiáng)大的推動(dòng)作用。結(jié)合該課程的特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀，本文提出將研究性學(xué)習(xí)實(shí)踐、課題項(xiàng)目融合、OBE教育理念、CDIO理念、產(chǎn)教學(xué)融合等引入課程教學(xué)，以有效促進(jìn)課程內(nèi)容與工程應(yīng)用的緊密結(jié)合，提升學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、就業(yè)核心競爭力，也為我國高等教育的發(fā)展注入新的活力。

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