項(xiàng)目教學(xué)法在機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用

陸榮鑑

摘要 項(xiàng)目教學(xué)法是以實(shí)際的科研課題作為主線(xiàn)，來(lái)激發(fā)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)者的積極性和創(chuàng)造性的一種教學(xué)方法，適用于研究生專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)。以項(xiàng)目為主線(xiàn)，把機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容有機(jī)地融入各個(gè)項(xiàng)目當(dāng)中，當(dāng)項(xiàng)目完成后，學(xué)生具有很強(qiáng)的成就感，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

關(guān)鍵詞 項(xiàng)目教學(xué)法 創(chuàng)新能力 實(shí)踐能力

機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為機(jī)電專(zhuān)業(yè)研究生的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)課程，該課程涉及機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、控制理論、微機(jī)應(yīng)用、軟件編程等多方而知識(shí)，其內(nèi)容豐富、信息含量大、理論性強(qiáng)等特點(diǎn)，內(nèi)容比較枯燥，教學(xué)中很難引人入勝，現(xiàn)有的“板書(shū)式”教學(xué)已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)教學(xué)的需要，因此要獲得好的教學(xué)效果就必須對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行改革。筆者在機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)中嘗試采用了項(xiàng)目教學(xué)法，充分利用我們現(xiàn)有的科研條件，把專(zhuān)業(yè)的理論知識(shí)融入項(xiàng)目實(shí)踐之中，使理論課程授課與項(xiàng)目實(shí)踐結(jié)合在一起，提高了研究生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果顯著。

1 開(kāi)展項(xiàng)目教學(xué)的意義

1.1 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，提高學(xué)生動(dòng)手能力

項(xiàng)目教學(xué)就是以科研課題實(shí)例為主線(xiàn)，讓學(xué)生圍繞對(duì)工程實(shí)踐的解決來(lái)學(xué)習(xí)知識(shí)、發(fā)展智力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的一種先進(jìn)的教學(xué)組織形式。項(xiàng)目教學(xué)法在軟件培訓(xùn)中廣泛使用。因此，培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力，就需要引導(dǎo)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中不斷地發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際問(wèn)題。

1.2 項(xiàng)目教學(xué)是解決實(shí)際工程問(wèn)題的基礎(chǔ)

研究生的專(zhuān)業(yè)課需要很多本科所學(xué)的基礎(chǔ)課程，通過(guò)項(xiàng)目教學(xué)，使學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，為解決這些工程問(wèn)題，促使學(xué)生去學(xué)習(xí)新的知識(shí)和技術(shù)，提高分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。科研調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，能使學(xué)生始終保持主動(dòng)的求知欲望。

1.3 提高教學(xué)質(zhì)量

項(xiàng)目教學(xué)是基于實(shí)際課題進(jìn)行的。每課題都能講授、示范、技能訓(xùn)練同步進(jìn)行，突出了現(xiàn)場(chǎng)示范，增強(qiáng)了直，觀(guān)性，使學(xué)生能夠用理論指導(dǎo)實(shí)踐、在實(shí)踐中消化理論。學(xué)生的知識(shí)和技能就在這樣的過(guò)程中生成，學(xué)習(xí)能力得到有效的開(kāi)發(fā)，教學(xué)收到事半功倍的效果。

2 目前機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)存在的問(wèn)題

機(jī)電專(zhuān)業(yè)是一個(gè)寬口徑的，機(jī)械與電子共同支撐該專(zhuān)業(yè)。研究生在本科階段有學(xué)機(jī)械的，也有學(xué)控制的，水平參差不齊，而機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程同時(shí)需要機(jī)械和電子方面的知識(shí)。這樣嚴(yán)重地影響了教學(xué)任務(wù)的順利完成和教學(xué)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。目前機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)存在的主要問(wèn)題如下。

（1）教學(xué)內(nèi)容因知識(shí)點(diǎn)繁多，沒(méi)有得到有效的梳理。機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程涉及內(nèi)容繁多，包括控制電機(jī)、氣壓和液壓系統(tǒng)、檢測(cè)裝置、 自動(dòng)控制理論、微機(jī)控制系統(tǒng)、PLC控制等內(nèi)容，這些具體課程內(nèi)容相互之間聯(lián)系又相對(duì)較少，所以現(xiàn)有的課程體系沒(méi)有從總體角度說(shuō)明為什么課程內(nèi)容要這樣安排，勢(shì)必就會(huì)大大降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。因此，在課程內(nèi)容體系上進(jìn)行梳理性教學(xué)改革，是非常有必要的。

（2）課程教學(xué)理論較多，工程應(yīng)用很少。課程的設(shè)置仍保留傳統(tǒng)的“重理論，輕工程應(yīng)用”的培養(yǎng)模式。如所設(shè)置的“控制工程基礎(chǔ)”和“測(cè)試技術(shù)”兩門(mén)課程均屬于理論性較強(qiáng)的課程，不利于機(jī)械專(zhuān)業(yè)學(xué)生將學(xué)到的機(jī)電控制理論知識(shí)與現(xiàn)場(chǎng)的工程實(shí)際相結(jié)合，也就不能夠很好地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，那么，培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)也就無(wú)法很好地實(shí)現(xiàn)。因此，進(jìn)行教學(xué)改革研究，也是非常有必要的。

（3）課程缺乏系統(tǒng)性和前瞻性。許多工程上已得到廣泛應(yīng)用的機(jī)電控制新技術(shù)在已設(shè)置的課程中沒(méi)有體現(xiàn)，如現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、智能控制技術(shù)、ARM技術(shù)等。這樣，我們培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生也就很難適應(yīng)高新技術(shù)和現(xiàn)代化的要求，也就無(wú)法培養(yǎng)出大量的符合社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)要求的應(yīng)用型人才。

存在上述問(wèn)題的課程體系，使得學(xué)生難以將所學(xué)的機(jī)電控制知識(shí)靈活運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中去解決機(jī)械行業(yè)越來(lái)越多的先進(jìn)制造設(shè)備或系統(tǒng)的控制技術(shù)問(wèn)題，難以勝任機(jī)電產(chǎn)品或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，可見(jiàn)，在機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中引項(xiàng)目教學(xué)已勢(shì)在必行。

3 機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐

3.1 項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容

機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的主要內(nèi)容包括：機(jī)電系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)、檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)、PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、伺服控制技術(shù)等。根據(jù)課程要求設(shè)計(jì)以下3個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目下設(shè)若干子項(xiàng)目。這3個(gè)項(xiàng)目涵蓋了課程的大部分內(nèi)容。

項(xiàng)目一：變頻真空泵恒壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)是由一臺(tái)三相交流電機(jī)帶動(dòng)真空負(fù)壓泵抽真空，三相交流電機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)。負(fù)壓傳感器測(cè)量負(fù)壓，使壓力穩(wěn)定在4Kpa到6Kpa的某一設(shè)定值上。系統(tǒng)的組成如圖1所示。單片機(jī)完成壓力設(shè)定及實(shí)際值的顯示、壓力調(diào)整等功能。當(dāng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)RS485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)變頻器，使變頻增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，提高壓力，使其接近于設(shè)定值。項(xiàng)目所涉及的知識(shí)點(diǎn)有：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用、RS485總線(xiàn)、匯編語(yǔ)言編程、傳感器、放大器、變頻器應(yīng)用、控制算法等。

項(xiàng)目二：某污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)有A、B、C三個(gè)水池。每個(gè)水池都有電動(dòng)進(jìn)水閥、出水閥、曝氣風(fēng)機(jī)、排泥泵等，還有水位傳感器、濃度傳感器反饋元件。用西門(mén)子S-200PLC來(lái)控制系統(tǒng)按一定的工藝路徑運(yùn)行。采用PLC加觸摸屏控制，有手動(dòng)和自動(dòng)控制方式。系統(tǒng)框圖如圖2。項(xiàng)目涉及的知識(shí)點(diǎn)有：PLC應(yīng)用、梯形圖編程、傳感器樣本、電機(jī)及閥門(mén)控制等。

項(xiàng)目三：基于ARM的交流伺服電機(jī)位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目?jī)?nèi)容及要求：該系統(tǒng)由ARM9263作為控制器，驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)通過(guò)連軸器帶動(dòng)滾珠絲杠作X-Y向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)由編碼器作為位置反饋，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

通過(guò)觸摸屏可以控制X、Y向的獨(dú)立加減速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)直線(xiàn)插補(bǔ)算法讓系統(tǒng)在第一象限直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。所有軟件是在WinCE操作系統(tǒng)下，由EVC編程環(huán)境下完成的。項(xiàng)目所涉及的知識(shí)點(diǎn)有：VC系統(tǒng)編程、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的使用、位置反饋編碼器、直線(xiàn)插補(bǔ)算法、滾珠絲杠的使用、ARM系統(tǒng)的使用等。

每個(gè)項(xiàng)目都有較詳細(xì)的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給學(xué)生，介紹項(xiàng)目所需的知識(shí)點(diǎn)，再將每個(gè)知識(shí)點(diǎn)做簡(jiǎn)單說(shuō)明。對(duì)于一些較難的部分就直接給出圖紙。最后推薦一些相關(guān)的參考書(shū)，要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將相關(guān)章節(jié)學(xué)完。所有項(xiàng)目都要完成設(shè)計(jì)文件和設(shè)計(jì)圖紙，并提交電子文檔。

3.2 教學(xué)方法與手段

機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程共有40學(xué)時(shí)，只留10學(xué)時(shí)講課，其余30學(xué)時(shí)全部采用實(shí)訓(xùn)教學(xué)，課本知識(shí)要求學(xué)生自主完成通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該掌握機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法和理論。研究生在本科階段所學(xué)知識(shí)水平參差不齊，還需要求同學(xué)根據(jù)自身情況，補(bǔ)學(xué)模電、數(shù)電、單片機(jī)、微機(jī)原理、VC編程等課程，為項(xiàng)目教學(xué)打下基礎(chǔ)。

以上的三個(gè)項(xiàng)目全是筆者的實(shí)際科研項(xiàng)目，并且已經(jīng)完成交給企業(yè)了，有做好的實(shí)物。提供開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，帶學(xué)生到企業(yè)觀(guān)看實(shí)際的系統(tǒng)，讓學(xué)生有更多的動(dòng)手動(dòng)腦機(jī)會(huì)，可以對(duì)課堂上的內(nèi)容進(jìn)行加深與鞏固，還可以促進(jìn)項(xiàng)目的完成，使學(xué)生可以有更多的時(shí)間進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

以項(xiàng)目為基礎(chǔ)，激發(fā)研究生潛在的學(xué)習(xí)動(dòng)力，圍繞完成任務(wù)中出現(xiàn)的問(wèn)題、難題進(jìn)行理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和技能，進(jìn)行工作任務(wù)的策劃與設(shè)計(jì)、實(shí)施和評(píng)價(jià)，訓(xùn)練學(xué)生有序的工作方法，培養(yǎng)學(xué)生的工作能力。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中鼓勵(lì)學(xué)生有一部分的創(chuàng)新和發(fā)揮，通過(guò)分析和解決完成任務(wù)中的創(chuàng)新要求，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

定期開(kāi)展討論交流，把實(shí)際中遇到的問(wèn)題拿出來(lái)，大家一起提出解決方案，教師可以直接或間接給予提示，也可以讓不同的學(xué)生使用不一樣的方案，最后討論各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。要求學(xué)生獨(dú)立完成項(xiàng)目最后，在學(xué)生間進(jìn)行互幫評(píng)價(jià)，讓教師進(jìn)行指導(dǎo)性評(píng)價(jià)，還可以請(qǐng)企業(yè)方工程技術(shù)人員給予評(píng)價(jià)以集思廣益、促進(jìn)交流和鼓勵(lì)探究。

3.3 項(xiàng)目教學(xué)評(píng)估考核

項(xiàng)目教學(xué)法在于過(guò)程而不是結(jié)果，過(guò)程性考核在學(xué)生按計(jì)劃完成每個(gè)項(xiàng)目時(shí)進(jìn)行，每個(gè)項(xiàng)目完成后要進(jìn)行一個(gè)階段性考核，教師根據(jù)項(xiàng)目的要點(diǎn)對(duì)學(xué)生完成的項(xiàng)目進(jìn)行考核。本課程著重點(diǎn)是應(yīng)用，所以不安排在期末考試。平時(shí)表現(xiàn)如課堂表現(xiàn)、項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程、討論交流情況、課外項(xiàng)目任務(wù)等占40%；根據(jù)每一個(gè)項(xiàng)目完成情況、文檔的完整性、圖紙的規(guī)范性、軟件編寫(xiě)和說(shuō)明文件、最終項(xiàng)目能否使用等，由教師給出項(xiàng)目成績(jī)，每個(gè)項(xiàng)目占20%。最后算出綜合成績(jī)。改變僅以幾次考試分?jǐn)?shù)來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的傳統(tǒng)做法。著重考核研究生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，項(xiàng)目化教學(xué)是通過(guò)實(shí)際工程項(xiàng)目，來(lái)創(chuàng)設(shè)“情景”，通過(guò)“協(xié)作學(xué)習(xí)”的方式開(kāi)展學(xué)習(xí)，通過(guò)完成“工程項(xiàng)目”來(lái)達(dá)到完成教學(xué)，是一種比較有效的教學(xué)方法?？梢栽诮虒W(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維，鼓勵(lì)學(xué)生積極思考，敢于發(fā)表與大家不同的觀(guān)點(diǎn)，敢于向老師、向教材內(nèi)容提出疑問(wèn)，創(chuàng)造種良好的教學(xué)氣氛，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)踐中開(kāi)拓思維，為學(xué)生今后走向社會(huì)，適應(yīng)工作崗位需要打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。