機電一體化系統設計課程教學改革與實踐

張衛亮 劉明君

寶雞文理學院機械工程學院 陜西寶雞 721016

機電一體化系統設計是由多種技術學科相互交叉、滲透而形成的一門綜合性課程，所涉及的技術領域較為廣泛，對培養學生機電產品設計能力、創新能力和動手能力具有重要作用[1,2]。傳統教學多以課堂理論教學為主，實踐環節偏少，由于本課程涉及知識點多、各章節連貫性差、知識跳躍性大、內容抽象難理解，大部分學生對本課程不感興趣，導致本課程教學效果并不理想。

經問卷調查和學生反饋發現，學生對機電一體化系統設計課程學習過程中存在的主要問題大致如下：(1)學生對本課程興趣較低，不能將生活中出現的機電一體系統和本課程聯系起來，因此感覺本課程知識點枯燥乏味。(2)本課程對學生的知識面要求較廣，由于學生對已學課程遺忘，因此學習過程中感到本課程較難。(3)本課程密切聯系實踐，但學生在本課程學習過程中反映出理論聯系實際、動手能力較差。(4)本課程所涉及的技術領域較為廣泛，傳統的考核方式無法體現學生對課程的學習情況，流于形式。(5)本課程各章節內容相對獨立，有些內容學生在相關的課程中已學習，如單片機、傳感器等，主講教師在教學過程中往往不加注意，使本課程變成“炒剩飯”，影響學生的學習興趣和教學效果。(6)本課程教學過程中多以課堂理論教學為主，知識點很零散，學生難以掌握，如此的培養造成學生知識“全而不?！?，無法在當前嚴峻的就業人群中脫穎而出。傳統機電一體化系統設計課程組成如圖1所示。

圖1 傳統機電一體化系統設計課程組成

鑒于此，改變傳統的教學內容、教學方式和考核方式，提高學生對機電一體化系統設計課程的興趣和學習積極性，培養學生的動手能力、創新意識和實踐能力，使工科學生能夠真正實現學以致用的任務迫在眉睫。

1 國內外機電一體化系統設計課程改革現狀

為了提高學生的學習積極性，改善教學效果，國內外許多高校都對該課程的教學方式進行了各種探索和研究。麻省理工學院Trumper等學者，介紹了麻省理工學院機電一體化系統設計課程設置和相關實驗室設施的發展，認為該課程以實驗室實驗為中心，因此在麻省理工學院實驗室引進利用模塊圖形來編程的DSP板，使學生能夠專注于每個實驗，學生的成績主要是通過專業教師答辯和實驗室報告相結合給出[3-7]。國內如北京理工大學郝娟等學者，認為應該從教學內容和教學方式兩個方面進行教學改革，其中，在教學內容上強調以系統設計方法為主線，以理論聯系實際為導向，在教學方式中重視培養學生的學習興趣和基礎知識，對授課的內容不是“一刀切”，而是避輕就重[8-10]。

2 以項目為主導和以提高學生專業技能為目標的教改措施

秉承高校服務地方的宗旨，在國家倡導“產教融合、校企合作”的大背景下，本文提出以“立足區域經濟發展需求、服務地方經濟發展”為理念，以“提高學生專業技能、增強學生就業競爭力”為目標，以“推進校企合作，加強實踐、實訓和實驗環節，改進傳統教學方法”為手段，培養具有較強動手能力、創新意識和實踐能力，擁有過硬的專業技能，能夠解決工業生產中實際問題的工科人才，適合高校機電一體化系統設計課程教學改革的新措施，具體包括以下內容。

2.1 教學方式

針對機電一體化系統設計教學中存在的問題，本文提出教學方式改進措施如下：(1)針對課程章節內容跳躍性大的特點，主講教師在理論課堂上，應該以典型機電一體系統實例為指引，將不同章節有跨越性的內容很好地結合起來，通過實例升華到本課程的相關知識和原理，增加學生對本課程的興趣，做到深入淺出。(2)主講教師在課后布置任務，讓學生復習下節課要用的以前學過的知識點，這樣通過本課程的學習，可以讓學生系統復習與本課程相關的舊知識，溫故而知新，將大學所學的不同課程的知識串起來，做到學以致用。

2.2 教學內容

國家每年舉辦各種大學生科技創新活動，大多高校都有相應的政策支持，在教學中充分利用這一條件，帶領學生搭建各種機械模塊，如機器人、智能家電、智能車等，完成其電機、傳感器的選擇、安裝，完成其控制電路板的設計、制作、調試和軟件編程的調試，培養學生的動手能力和創新意識，使學生學以致用，同時開發的機電產品也可作為課堂教具或實驗裝置，豐富實踐教學內容。

2.3 教學環節

教學環節加入大量實驗內容，增強學生的動手能力，通過實驗也可以提高學生對課程的興趣和成就感，通過學生在不同實驗中的表現和興趣，采取教師指導、自由組團的方式，將學生分為機械結構設計組、測試系統設計組、機器人創意組、數控加工組等，不同小組之間合作實施項目，設計機電一體化產品。

2.4 考核環節

對機電類專業實踐性較強的核心課程(如單片機、PLC、測試技術等)，采取更加科學和全面的考核辦法，即采用項目主導制，讓學生利用所學知識設計工程實物，如測試系統設計、步進電機控制、焊接電路等，真正讓學生學以致用，將專業課知識應用到實際生產中。學生以PowerPoint形式在項目完成后進行答辯。學生成績由學生在項目實施過程中的表現(占50%)，學生最終答辯過程中的表現(占30%)，學生撰寫項目心得(占20%)的方式考核(如圖2所示)。

圖2 考核方式流程圖

3 機電一體化系統設計課程教改實施思路

機電一體化系統設計課程教改實施的主要思路如圖3所示，在傳統的機電一體化系統設計課程大綱和培養計劃的基礎上，充分利用學院現有實驗設備和資源，增加單片機硬件系統實驗、傳感器與測試技術實驗、工業自動化實訓實驗、3D打印實驗等與課程相關的實驗環節，考慮到機械專業學生對電方面內容較為薄弱，因此實驗內容側重于電方面，通過課程教學過程中的實驗，增強學生對課程的興趣、提高學生的動手能力和實踐能力。

圖3 教改實施的主要思路

如圖4所示，根據學生在實驗過程中的興趣，采取自由組合的方式，將學生分為“機械結構設計組、單片機硬件電路組、控制系統和機電融合設計組、測試系統設計組、機器人創意組”等若干團隊，區別團隊方向差異，帶學生去相關企業參觀，由企業教師指導企業專業方面的知識，之后在企業和校內教師的指導下，將項目任務下達學生團隊，并由學生做出項目實施的方案，項目方案通過答辯后，由學生實施項目研究和設計，中期項目團隊以PowerPoint形式定期向指導教師匯報項目實施情況?？紤]到機電一體化系統較為復雜，因此團隊之間采用“并行”的方式，對于復雜系統，可以將系統分解給多個團隊，團隊之間在項目實施過程中定期溝通、協商，完成各自負責的部分，之后再將不同團隊的設計內容整合為機電一體化系統。項目如此進行的目的，主要是為了讓學生掌握機電一體系統知識的同時，具有自己擅長的方向，最大限度地保證學生就業過程中具有與眾不同的亮點，能夠脫穎而出。

圖4 團隊分組合作模式

由于項目團隊成員在完成項目的整個過程中，掌握了相關專業方面扎實的知識，因此，可以推薦優秀項目團隊成員到相關企業工作，優秀項目團隊成員上班后，可以通過QQ群、郵件、微信群等網絡方式繼續參與學校團隊，指導學弟、學妹的項目研究，并為項目提供創意和最新的行業發展、就業招聘信息。此外，優秀項目團隊成員可以根據企業需求，對學院人才培養計劃和人才培養模式進行反饋，學院論證后根據企業需求改進學校的人才培養模式。

整個人才培養過程中搭建了“企業-高校-學生”三位一體人才培養模式，高校人才培養過程中將“滿足企業對人才的需求”作為高校人才培養的目標，培養過程注重提高工科學生的專業技能、動手能力、團隊合作能力和創新能力，確保學生擁有一技之長，可以找到滿意的工作。而且企業和畢業學生可以對高校的人才培養進行反饋，這些良性循環的措施確保培養的人才水平越來越高。

4 教學改革成效

采用本文所述方案實施教學改革之后，大大提高了學生的學習熱情和主觀能動性，授課班級學生先后參加陜西省“互聯網+”創新創業大賽、第四屆全球創客嘉年華(Global Innovator Festa，GIF)和中國機器人大賽等創新創業比賽，取得一定收獲和成績。

此外，采用本文所述方案改革之后，極大增強了學生對機電一體化系統設計課程的學習興趣。以下抽取我院機械電子工程(簡稱“機電”)和機械設計制造及自動化(簡稱“機制”)兩個專業共同開設的課程機電一體化系統設計課程進行調查分析，其中，樣本1為采用教改方案的2014級機電1班學號前30號的學生，樣本2為未采用教改方案的2014級機制3班學號前30號的學生，結果見表1。

表1 問卷統計表

統計結果顯示，本文所述教改方案對提高學生學習興趣、增加學生實踐動手能力和創新能力，均有一定的效果。

5 結語

(1)本文對傳統課程考核方式的不足進行改革，提出通過讓學生團隊合作，設計產品和撰寫課程學習體會的方式，對課程進行考核，這種考核方式，提高了學生實踐動手能力和創新能力，增加學生對專業知識的興趣。

(2)本文采用反饋式閉環結構，讓優秀畢業團隊成員參與整個項目環節，可以對學院培養計劃和教學大綱等進行反饋，參與整個培養環節，有助于課程改革模式提升。

(3)根據學生興趣，讓學生形成專業方向團隊，參與項目解決實際問題，因此經過本項目后，改變了目前大學生知識“全而不?！睂е戮蜆I難的現狀，提高了學生專業技能和工程能力，增加了學生的就業機會。

(4)本文所述培養過程中，要求學生到校企合作的企業實際考察，真正實現了“企業-高校-學生”三位一體的培養模式。