機電一體化系統設計課程教學改革探索

丁文政 王 娟 汪木蘭

1.南京工程學院 江蘇南京 211167 2.江蘇經貿職業技術學院 江蘇南京 211168

機電一體化系統設計課程教學改革探索

丁文政1王 娟2汪木蘭1

1.南京工程學院 江蘇南京 211167 2.江蘇經貿職業技術學院 江蘇南京 211168

根據機電一體化系統設計課程綜合性、實踐性強的特點，分析現行按照知識體系劃分教學方式的不足，結合數學建模和項目教學對能力培養的優勢，探索新的教學模式。提出“以項目任務為主，以知識精講和自學自研為輔”的教學改革方案，建立注重綜合素質和能力的課程考核機制，達到培養學生通過抓“模型”，分析解決實際工程問題的能力。

機電一體化；數學建模；項目教學

在高等教育進入普及化的今天，應用型人才越來越受到社會的重視。所謂應用型人才，是指面對實際問題，具有解決實際問題能力的人。工程問題錯綜復雜，如何在教學中培養這種能力呢？關鍵就在于讓學生搞清“模型”的意義。因為“模型”反映的是事物的本質，是對客觀事物的近似描述。我們要引導學生提出“模型”，通過抓“模型”，教給學生提出問題、分析問題、解決問題的方法。

機電一體化系統設計作為機械制造及自動化本科專業的專業課程，是對基礎課、專業基礎課等知識內容的綜合應用，是理論與工程結合的前沿課程。目前按照知識體系劃分的教學模式，往往造成學生雖然學習了各個模塊的知識，但因缺乏對工程對象的總體認識和把握，使得在系統層面上的設計和應用能力較弱。為此，筆者圍繞應用型人才的培養目標，結合南京工程學院在應用型人才培養方面的教學改革實踐，探討在機電一體化系統設計課程教學中，融入數學建模和項目教學兩種方法，在項目任務中加強數學建模和數字仿真分析的內容，培養學生提煉模型，通過模型分析、解決實際工程問題的能力。

1 機電一體化系統設計課程分析

機電一體化是機械工業的發展方向，但機電一體化系統設計是機械技術和電子技術的有機融合，以此實現系統構成的最佳化。如果按照知識體系劃分進行教學，每個知識模塊的內容都不能深入探討，教與學都是蜻蜓點水，而且知識模塊之間的銜接脫節現象比較嚴重，在最后的應用案例講解時，學生基本只能被動接受，至于為什么這樣設計或這樣的方案是否最佳普遍比較模糊。如何引導學生從總體上進行系統分析和設計是這門課教學探索的第一個基本點。

另外課程的教學內容在很大程度上受到了教材的限制，而且技術性的課程如果沒有實際的操作，教學很容易陷入教師主導的“空對空”局面，教師對著多媒體講，學生對著多媒體聽，一起紙上談兵。所以如何改革教學內容、教學方式，發揮學生學習的主動性是教學探索的第二個基本點。

針對以上分析，筆者提出綜合數學建模和項目教學兩者特點的教學改革措施，增加項目教學內容，重點引入“系統”的概念，引導學生運用系統的觀點對項目任務進行數學建模，進而分析解決問題。

2 教學方案設置

我們根據機電一體化系統設計課程特點，設置了以項目任務為主，以知識精講和自學自研為輔的教學方案。

(1)知識精講。以知識體系為主線，精講內容少而精，引導學生多角度、深層次地理解課程內容。精講以教師為主，重點是課程內容中知識模塊之間的銜接融合部分。這部分交叉內容往往是學生學習的難點，通過點的精講，以點帶面，達到知識的融會貫通。例如在講授執行裝置和機械系統兩部分內容時，略去執行裝置和機械系統本身的結構和特性分析，突出講解執行元件與機械系統結合中的問題，像機電系統的慣量匹配就是一個難點。為了講清這個問題，可以從學生已知的牛頓定律入手，進行對比分析，了解慣量匹配的目的是為了更好地實現系統的穩定性和快速性。此外考慮到理論理解的難度，可以利用多媒體播放慣量匹配對加工精度影響的實驗，將抽象問題形象化、具體化。

(2)項目任務。項目任務以學生完成為主，但任務的設計要求教師精心準備。項目都來自工程實際，需經過提煉整理才能達到教學目的，要求設計出項目任務知識覆蓋面廣，能貫穿課程的大部分內容，更重要的是要體現“系統”的概念，引導學生用系統的觀點分析問題，建立數學模型。模型不能太簡單，要體現數學建模的反復過程：即“項目分析—模型提煉—系統建模—軟件求解—結果分析—模型修正—應用”。基于上述目標，我們設置了“數控機床半閉環伺服進給系統設計”的項目任務，要求各個小組首先設計搭建一個單滑臺的半閉環伺服進給系統，然后按照物理系統建立運動控制性能的數學模型，以模型計算結果和實際系統測量結果的偏差為考核依據。項目開始就提醒學生要注意從系統的層面上分析影響運動控制性能的因素，既包括控制系統，也包括伺服系統，還包括機械系統。尤其是機械系統不能簡單地只考慮無阻尼自然頻率和阻尼比對滑臺動態特性的影響，還要考慮到滾珠絲杠的間隙、滑臺的摩擦等非線性因素的影響。指導學生在系統模型建立之后通過與實測結果的對比，反復修正數學模型，調整物理系統，搞清模型的意義，更深刻地認識物理系統的本質。

這樣綜合性的項目任務，學生初次碰到肯定覺得有難度，會占用大量的教學時間，因此項目教學要充分利用課余時間進行集中輔導。另外在課堂教學中適當增加部分簡單案例介紹供學生自學研究和模仿參照，提高學生的主動性和項目教學的效果。

(3)自學自研。機電一體化作為一門交叉學科，課堂講授內容總是有限，安排自學自研，可以開拓學生的專業視野，提高自學能力。首先在教材上打破“學一門課只讀一本書”的現象，引導學生圍繞項目任務研讀幾本推薦教材，然后根據實際需要自主選取所需的教材內容，進行知識構建，教師可以綜合不同學生的知識需要，作為精講內容的補充。另外，根據項目任務的需要，要求學生學會數學建模和相關建模軟件的編程方法，提高工具知識的應用能力。

3 考核方案設置

教學方案的改革要求考核方式也要多樣化。針對基本概念、理論和計算仍采取閉卷考核。但項目任務的完成是團隊協作和綜合能力的體現，這主要通過探索性表現、創新性表現、任務結果以及小組報告等綜合評定。自學自研則以專題報告的方式檢查，安排學生之間的互評。這樣的組合考核方法，既能讓學生以主動探索、積極動手的輕松心態完成知識的學習，又能培養和鍛煉學生的綜合能力。

在機電一體化系統設計教學中，通過項目任務加強學生系統分析和數學建模的訓練，有助于提升學生分析解決實際工程問題的能力。同時教學方式的變革也提高了對教師的要求，因為項目任務源自工程實踐，要求教師不斷地參與科研項目，追蹤學科前沿，隨時更新教學素材。培養應用型人才，教學改革勢在必行，希望通過筆者的探索，推進機電一體化系統設計課程的教學改革，培養出具有解決實際工程問題能力的人才。

[1] 陳冬,張立新,賈文敬.數學素質與應用型人才[J].大學數學,2006,22(4):11-13.

[2] 方榮.如何培養有創新精神的人—錢偉長教授談教育創新[J].群言,2001,1:4-7.

[3] 張立勛,黃筱調.機電一體化系統設計[M].北京:高等教育出版社,2007.

[4] 程憲春,姜曉微.機械類工業設計專業應用型人才培養與實踐教學改革研究[J].現代教育科學,2010,5:161-162.

Exploring of teaching reform for the course of design of mechatronics system

Ding Wenzheng1, Wang Juan2, Wang Mulan1
1. Nanjing institute of technology, Nanjing, 211167, China 2. Jiangsu institute of economic & trade technology, Nanjing, 211168, China

A new teaching mode was suggested according to the characteristic of the course of design of mechatronics system. Mathematical modeling method and project-teaching method were implemented in this mode. The teaching reform scheme was presented which included the project task, ref nable teaching and teaching by oneselves, and a new assessing approach was established which was focus on the ability of the students. By this teaching mode, we hope that the students could improve the ability of solving the practical engineering problems through abstracting the model.

mechatronics; mathematical modeling; project-teaching

2011-08-19

丁文政，博士，講師。王娟，碩士，講師。汪木蘭，博士，教授，主任。

本文系南京工程學院2010年教學改革重大項目(編號：JG201002)和南京工程學院2010年教研重大課題(編號：JY201004)的階段性研究成果。