武星 樓佩煌 南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016

項目驅動型系統教學法在機電一體化課程中的應用研究

武星 樓佩煌 南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016

機電一體化課程是機械制造及其自動化專業的一門重要專業課，涉及面廣，實踐性強。我們注重將本學科的科研成果引入課程的理論和實驗教學中，自主研發教學實驗系統平臺，合理細化、簡化項目研究內容，積極構建理論學習、實驗操作、項目研究一體化的系統教學法，激發學生學習興趣，培養學生創新意識，提高學生綜合素質。

機電一體化；項目驅動；系統教學法；成果轉化

引言

21世紀是一個以創造、創新、創業為特征的時代，高等學校肩負著創新型人才培養和科技創新的重任。高等工程教育的目標是要培養符合社會發展要求的合格工程師，傳統的以教師為中心、以課堂講授為主、以理論考試成績評價學生的工程教育模式已遠遠滿足不了現代化產業需求，這要求改革現行的工程教育方法[1]。不斷改變和突破現有的教學方法及手段以提高實際教學效果[2]，以靈活多樣的師生教學互動模式來激發學生的學習興趣，使學生能夠主動學習，成為課堂上學習知識的主人[3]。

科研成果作為科技創新的產出和結果，既是師資隊伍素質的標志，也是體現學校水平的指標。科研是教學的底蘊，將科研成果轉化為教學資源無疑是一種有效的途徑[4]。我校機械制造及其自動化專業所在的學科是國家重點學科，也是江蘇省重中之重學科，承擔了國家自然科學基金、國家“863 計劃”、國家科技攻關、國防預研等一大批科研項目，其中有相當數量的科研成果可以轉化為機電一體化等相關課程的教學內容，為我們的教學研究與課程改革提供了良好的條件。

1.機電一體化課程的特點

機電一體化技術是以機械技術、電子技術、計算機技術為主的多學科相互融合形成的一門綜合性技術學科，該課程是機械制造及其自動化專業的一門重要專業課，其內容涵蓋機械技術、計算機與信息處理技術、檢測與傳感技術、自動控制技術、伺服驅動技術、系統總體技術等，涉及面廣，知識點眾多；實踐性強，理論必須結合實踐。

作為一門綜合性技術學科，機電一體化課程內容龐雜，高校一般將其安排在第7 學期，并在其之前安排一系列先修課，如機械原理、機械設計、單片機原理、PLC原理、傳感器技術、控制工程基礎、機床數控技術等。通過先修課的學習，學生對各部分的知識具有一定的基礎。如果機電一體化課程對上述內容再進行簡單地重復，則學生對該課程的反應普遍不感興趣，教學效果不很理想。

另一方面，機電一體化技術所涉及的多方面內容對實踐要求很高，而教學對象又是沒有任何工程經驗的在校學生。傳統的教學方法及實踐活動大多只針對個別知識點，缺乏對系統性和實踐性的充分考慮，使得本來富于魅力的知識變成了空洞的說教和內容的堆積，學生感覺不到學習的價值所在，逐步喪失了學習的動力。

針對機電一體化課程的自身特點，在教學內容上我們避免簡單重復先修課的已有知識，而是從機電融合的角度，強調以等效性和互補性為代表的系統工程觀點和方法。在教學方法上我們注重引進本學科的科研成果，利用科研過程中設備創新的經驗自主研發教學實驗系統平臺，并根據學生的實際能力水平合理細化、簡化項目研究內容，積極構建理論學習、實驗操作、項目研究一體化的系統教學法，以實驗操作促進理論學習，以項目研究提升綜合應用。

2.基于科研成果轉化的項目驅動

在將科研成果引入課程理論和實驗教學的過程中，可從課程教學內容組織和實驗教學設備研發兩方面具體開展。機電一體化課程知識點廣泛且相對獨立，如果單從學科理論體系發展角度講述內容，各部分之間的關聯性并不明顯。如果從項目研究的角度，為了開發某一機電一體化系統所必需的各種技術方法，則更容易將分布在不同學科中的知識點聯系起來，形成以一體化設計和優化設計為特色的綜合性技術體系。

在將科研項目引入課程教學的過程中，教師必須認真分析項目所包含的技術要素對課程教學內容和目標的支撐作用。首先這些技術要素要能較完整覆蓋課程的教學內容，其次技術要素之間的關聯性要能較好反映課程理論的系統性，再次項目的技術復雜性要符合學生的實際能力水平。可能實際的科研項目很難完全滿足這些要求，所以可對實際項目的內容進行重新組織，精心細化，合理簡化。即使項目具有一定的工程應用背景和挑戰性，容易激發學生參與的興趣；同時也使項目具有一定的實現平臺基礎和可行性，容易鼓勵學生產生能夠順利完成項目的信心。

考慮到項目所涉及課程教學內容的完整性，在選擇項目時優先采用能夠覆蓋機械機構、傳感器元件、控制器軟硬件、伺服驅動裝置的綜合應用，突出機、電、信息技術的一體化。為了配合該課程的教學內容，充分利用自身的技術優勢和科研過程中設備創新的經驗，以投入少量的經費起步，通過自行開發實驗設備和軟件，逐步建成和完善了機電一體化創意實驗設備平臺。

在該創意實驗設備平臺中，機械機構包括滑塊機構、絲杠傳動機構、齒輪傳動機構、傳送帶、棘輪機構、槽輪機構、龍門式機械手、笛卡爾教學機械手等。傳感器元件包括電容、電感和光電傳感器，各種行程開關和接近開關，專用物料自動識別裝置等。控制器有臺式計算機、可編程控制器和嵌入式控制器等。伺服驅動裝置有交流變頻驅動單元、步進驅動單元、直流伺服驅動單元、氣動執行裝置等。該平臺不但將機構學、傳感器、驅動器、控制器四個機電一體化的核心技術整合在一起，還建成了物料自動識別與裝配系統、自動化立體庫實驗系統、自動化換刀機械手實驗系統、有軌導向車實驗系統等，并配有網絡視頻系統、集成控制平臺、專門的實驗系統網站等，可進一步與CAD、CAE、虛擬現實、信息化技術等現代高新技術有機結合。

需要注意的是，將科研項目引入課程教學過程，不是利用學生完成項目，而是借助項目形式培養學生。在課程教學過程中，項目不能代替教學，項目所包含的技術要素不能偏離課程教學內容，項目的技術復雜度不能超出學生的實際能力水平。

3.系統教學法的構建與應用

如前所述，機電一體化是一門建立在眾多先修課程基礎之上的綜合性技術學科，為了避免簡單重復先修課的已有知識，我們積極通過理論學習、實驗操作、項目研究的不同教學過程，強調知識的系統性、技術的關聯性、學科的交叉性，在教學實踐中認真研究項目驅動型系統教學法。

在理論學習階段，努力避免課程本位傾向，即片面追求本課程的理論完整性，而忽略了該門課程在整個專業課程體系中所起的作用。系統教學法是基于一個項目所涉及的實際系統，從系統的角度去講解知識點，打破學科間的相互隔絕，加強滲透交流以改變學生的知識結構，培養學生從整體角度考慮問題。

在機電一體化課程中，我們尤其強調機電融合的觀點。機電一體化技術不是簡單地用電子設備代替部分機械結構，也不是孤立地發揮兩種技術的長處，而是利用兩種技術的有機結合而產生的新的思想方法和技術手段。一方面，當系統的某一功能單靠某一種技術無法實現時，必須進行機械、電子、信息技術等有機結合的一體化設計。另一方面，當系統某一功能的實現有多種可行的技術方案時，必須采用系統工程的觀點和方法，對各種技術方案進行分析和評價，在充分考慮與其他功能單元連接和匹配的條件下，選擇最優的技術方案。

在實驗教學階段，依靠不斷完善的機電一體化創意實驗設備平臺，引導學生利用所學知識，結合自己的能力和興趣，開展內容廣泛、形式多樣、深度不一的開放性實驗。學生可根據擬定的實驗主題，完成機械機構的創意組合，傳感器元件、PLC、交直流伺服單元、變頻器等傳感、驅動、控制裝置的綜合應用。根據不同學生的學習能力，還可以開展人機控制界面、計算機網絡通訊、遠程控制等提高實驗。

通過實驗教學階段，學生可充分體驗機械設計、裝配，電氣設計與接線，控制系統設計與程序編寫等實際操作過程，有利于調動學生學習的積極性，加深學生對所學知識的理解和綜合，培養學生動手實踐的能力，提高學生創新創造的意識。

在項目研究階段，首先給出多個項目研究方向供學生參考，簡要介紹項目的工程應用背景和技術要求，項目實施過程中所需的關鍵技術，這些技術所涉及的知識點正是課程要求的教學內容。對于學生在先修課中已學過的已有知識進行簡單復習，重點解決學生未曾學過的、難以理解的知識點以及實際應用相關的經驗技巧。

在項目研究過程中，通過分組討論和集中討論，逐一解決學生遇到的專門問題和共性問題。如在一次分組討論中涉及室內移動機器人的定位導航問題，其屬于傳感檢測技術和信息處理技術領域。對于學生想要采用的多超聲波傳感器定位導航方法，師生共同討論了超聲波測距原理、多點定位原理、導航系統的軟硬件實現手段以及可能存在的導航誤差和技術局限性。這些互動性強的教學環節有利于激發學生進一步拓展學習新技術的求知欲，也為其自主進入新領域學習打下了良好的知識基礎。

在項目總結階段，不僅是對所學知識的回顧和討論，更是對綜合應用知識能力的考核。機電一體化強調優化設計，對多種技術方案進行分析對比，結合系統的功能要求、技術指標和成本控制多方面因素進行綜合評價，選擇功能性指標、經濟性指標和安全性指標都較好的優化方案，幫助學生理解實際工程系統和教學原型系統的差異。

4.結語

為了提高機電一體化課程的教學效果，我們注重將本學科的科研成果引入課程的理論和實驗教學中。通過自主研發教學實驗系統平臺，以項目所包含的技術要素覆蓋教學內容的知識點，以項目研究帶動專業理論知識的學習，以實驗操作加深學生對專業知識的理解，積極構建理論學習、實驗操作、項目研究一體化的系統教學法，重點突出知識的系統性、技術的關聯性、學科的交叉性。通過積極參與該課程的理論和實驗教學過程，許多學生在知識、能力、素質等各方面得到了顯著提高，并在大學生科技創新項目、大學生創業大賽、出國留學研究生選拔以及知名國際性大企業招聘中脫穎而出。學生的成功成才是高等學校在教書育人方面的重要成果，也是我們從事教學研究與課程改革的出發點和歸宿點。

[1]陸一平,查建中.繽紛課堂:源于國外的工程教育實踐教學方法.高等工程教育研究,2009,(6):137～142

[2]段華洽,王朔柏.深化教學改革創新教學模式.中國大學教學,2009,(4):35～37

[3]范欽珊,陳建平等.研究型大學需要研究型教學.中國大學教學,2009,(11):8～

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.04.060