任務驅動教學法在“機電一體化系統設計”課程中的研究與應用

鄧鷹飛

（梧州學院，廣西梧州543002）

任務驅動教學法在“機電一體化系統設計”課程中的研究與應用

鄧鷹飛

（梧州學院，廣西梧州543002）

文章闡述了“任務驅動法”的定義，及其在機電一體化系統設計課程中的應用。實踐表明，任務驅動教學法對學生學習理論性很強的機電課程有一定的吸引力，激發了學生的學習興趣，也培養了學生的團隊合作意識，同時也發現了任務驅動教學法的一些限制，需要進一步突破。

任務驅動；機電一體化系統設計；團隊合作

1 引言

隨著計算機、電子行業的飛速發展，機電產品也加快了更新換代的腳步。功能更強、體積小型化、智能化、性價比越來越高的機電產品源源不斷地走向市場。從事機械類設計的人員，設計的產品也要順應市場的發展，跟上時代的步伐，相應的整個系統的設計就不能再按照以往的思路一成不變。作為培養人才的機構，我們提出要培養創新性人才，就應該體現在設計思路、設計方法、產品等都具有新穎性，這就要求在課堂教學中要教會學生如何設計、如何創新。同時要求教學方法也要適應時代發展的步伐，用傳統方法只能培養出應試教育的學生，改變教學思路教學方法同樣也會改變教學結果。“機電一體化系統設計”課程是機械類專業的專業限選課程，課程包含的內容很廣且有一定的難度，主要包括機械系統部件的選擇設計、執行元件的選擇與設計、傳感器檢測、微電子信息技術、控制工程以及相關的接口技術等多門學科，包含大量的基礎知識、設計原理和設計方法，充分體現了“以機為主、以電為用、機電有機集合”的原則［1］，是一門綜合設計性課程。“機電一體化系統設計”課程在傳統的教學中，一般是以理論為主，大量的課時主要用在講授理論知識，加以少量的實驗課時，這樣的教學模式最后的結果是學生只是為了應付考試而學習，缺乏創新精神和實踐能力，這與學院提出的發展應用型人才是相互違背的。為此，筆者對“機電一體化系統設計”課程進行了任務驅動法教學的研究。

2 任務驅動教學法與傳統教學法比較

任務驅動，又稱項目驅動、目標驅動或問題驅動，是實施探究式教學模式的一種教學方式［2］。教學過程不再是教師的“一言堂”、“填鴨式”教育。首先教師詳細講解原理和知識重點難點，然后在課堂中提出一個或多個任務，學生也分成對應的幾個組，圍繞這個任務學習并且討論，課堂中討論出一個解決方案，課后完成設計。“機電一體化系統設計”課程中每一章節都有一個或多個任務，比如第二章中的機械傳動部件設計，有各種傳動方式，如齒輪傳動、絲杠螺母機構、滾珠絲杠副傳動、撓性傳動部件、間歇傳動機構，每一個任務中可以考慮采用兩種傳動方法設計，然后比較出兩種不同機構的優缺點，或者每一小組采用一種傳動方法設計，最后通過綜合設計比較討論得出該任務所選的最優方案。任務有一定的深度和難度，學生通過查閱資料、互相探討之后得出最優方案，設計完成通過三維動畫仿真驗證。在任務中，每個學生都有自己的責任和目標，完成一個小設計也是一份收獲。這就激發了學生的學習興趣、探索求知精神、團隊合作精神、創新精神。同時對學生學習整個專業課程體系也有一定的幫助，通過小設計把學生三年所學專業知識貫穿起來，做到融會貫通。

傳統的教學方法，主要是以教師課堂講授理論為主，做些課后練習，加上少量的實驗，考試也是理論課筆試考核。這門課程內容覆蓋面很廣，每一章節都包含了幾門專業課的知識，比如微機控制系統這一章，它包含了微機原理、單片機、PLC等幾門課程，主要內容就是對這些微機如何做選擇并選擇相應的接口電路。教師講解各種微機的應用后學生可以選擇它，但是要在深入理解它們的原理和熟練應用的情況下，才能熟練地編寫語句和設計接口電路。因為很少學生能做到熟練應用各種軟硬件，所以在教師講解過程中學生覺得難以理解、不能接受、理論課枯燥無味，這樣的情緒將會一直持續到本門課程結束。同時大多數教材的課后練習都是以概念原理問題居多，附加一些計算題，設計性題目很少，也沒有達到鍛煉的目的。實驗課主要是以驗證性實驗為主，學生主要根據實驗項目要求完成實驗，設計類實驗很少，這就造成了學生動手能力不強，無法提升學生的設計能力。課程考核一般以理論考核為主，主要是教師出題目，圍繞著常見的選擇題、填空題、計算題來測試學生的成績，這一些題目類型與本門課程的設計兩個字沒有多少聯系，達不到考核的目的。所以說傳統的教學都是應試教育，學生為了應付考試而學習，而不是自覺地、自愿地去認真讀懂書中的每一章節。

那么通過兩種教學方法的比較，我們可以看到任務驅動教學法比傳統的教學方法有很多優勢。首先從講授方面來說，不再是老師的一言堂，老師只是講解原理部分，主要以學生討論為主，體現了學生的主人翁精神、發揮了學生主觀能動性、提高了學習熱情、提升了學習氛圍。俗話說得好“興趣是最好的老師”，學生有了興趣，愿意付出時間和精力，沒有什么難題是不能解決。再從課后作業來看，作業不是簡單的概念原理，而是一些設計題目，這都要求學生在充分理解了概念原理的基礎上總結實踐才能完成這些課題，這些內容比筆試考核要豐富很多，學生的理解能力、計算能力、設計能力都能夠得到提高，也能考出學生的真正水平。

3 任務驅動教學法在“機電一體化系統設計”中的實踐

在這里結合本門課程的特點，我們把任務分成了5個子系統的對應模塊。每個模塊看似毫無聯系，但要設計一個機電產品必須把所學專業知識全部融合起來，按照設計一個產品的幾個相關技術功能來分析。第一章緒論，把機電一體化產品的5個子系統與對應任務中的幾個模塊一一對應，著重分析每一構件的功能和要求。后續的每章是對應它的每一個子系統，最后是總體的設計。首先根據每一章節一個任務，把學生分成兩個小組，每小組的每位同學都有具體的分工，通過查閱大量資料，結合學過的專業知識，探索和討論來解決問題。

例如：一個護欄清洗機的設計中，我們對護攔清洗機的結構分析：驅動部件是由兩個履帶結構組成，清洗部件由兩對清洗刷組成，水循環系統、控制部分有電機2臺，還有采用無線收發遙控控制。這個設計中包含了機械結構和機械傳動部分，電機選擇，電子技術的遙控部分，還有相應的計算和接口的設計。我們就分成了4個小作業，運用機械傳動知識設計履帶結構和清洗刷的選擇，運用電機及拖動基礎的知識來選擇電機部分，運用電子技術和單片機的知識來完成無線遙控的設計，各部件之間的接口部分要相互匹配。

筆者的方法是在每章節分析了原理后讓學生討論并進行分析設計，在每一模塊都有對應的任務，模塊與功能如下表所示。在第二章機械部件設計中對護欄清洗機的機構部分提出該設計的運動要求和護欄要求，學生根據所學內容進行選擇他們的傳動部件、材料以及相應的校核，并做出三維仿真。每一組要完成設計并與其他組方案進行比較，比如第一小組采用同步帶傳動，第二小組采用的是鋼帶傳動，那么兩組要說明選擇的原理并比較得出本組設計的優缺點。完成全部的設計有一定的工作量和難度，這就需要學生之間進行相互合作、相互學習探索。在第三章的動力系統設計中，教師提出它的清洗速度和清潔度，要求學生計算參數選擇電動機并進行校核，同樣的分別要求第一小組采用交流電機，第二小組采用的是直流電機，兩組學生都要說明所選擇的電機型號的計算方法和交、直流電機的區別。在第四章檢測控制中提出清洗機控制方式，學生要運用各種電子技術和傳感器檢測技術相關知識來完成系統的控制檢測，選擇面板控制和遙控控制同時進行。在這里同樣的我們分別要求第一小組采用單片機，第二小組采用可編程控制器，通過仿真比較可以看出兩者的差別并說明兩者的成本差別。第五章的總體設計中再對所有的模塊進行匯總，選擇匹配的接口，前面分組中每個模塊相同的設計就決定了接口方式的差異，要求兩組同學比較接口電路的變換方式。最后，把完成的設計結果進行比較，如對仿真、機構的復雜性、系統的穩定性、面板操作性、成本和市場分析等進行比較，得出設計最佳方案，作為考核學生設計的一個重要指標。

機電一體化系統構成與護欄清洗機構成要素的對應關系

任務的評價是該教學方法的重要組成部分，學生不能走過場。筆者要求學生對每次任務進行跟蹤記錄，并要求每個任務都要以仿真的形式演示產品的功能。設計全部完成后，最后以機電一體化產品的評價標準是否滿足“高性能、低價格、省能源、輕薄短小化”來評價任務完成的質量，以達到考核的目的。

經過教學實踐，與傳統教學法相比較，教學效果有了很大的提升，具體列表如下：

4 實踐任務驅動教學法存在問題

通過實踐發現任務驅動法也存在一些問題和不足。第一，要求教師具有豐富的實踐經驗，知識面廣。本課程的每章節都要求學生采用設計小產品的形式完成教學，這也要求教師要具備豐富的設計經驗，精通各種軟硬件知識，有較強的實踐能力，否則無法為學生答疑解惑。因為“機電一體化系統設計”所包涵的內容非常廣泛，所涉及到的知識點也很豐富，包括機械設計、電機選擇、微機的選擇與設計、傳感檢測設計等多門課程。教師需要通過參加各種機械、電子類設計大賽和完成多項科研項目才能積累豐富的設計經驗和提升教師的設計能力，按照目前的現狀，在教師的科研水平普遍不強的前提下很難完成這種形式的教學。第二，任務驅動法很難全面開展。每布置一個任務，一般由一個小組5～6個學生共同完成，每個學生都有自己的任務和責任，就不會造成一些學生濫竽充數、渾水摸魚的情況。目前主要以大班上課為主，一般是每班60～70人，一次分有10個組，最少也有4個題目。題目太少，學生互相抄襲現象嚴重，沒有創新性，題目太多教師也指導不過來。所以要以小班規模上課，30～40人每班，每次2個題目，教師也能在自己的能力范圍內給學生指導。第三，學生的設計能力有待提高。前面所說本課程包含豐富的知識，多門專業課的結合體，要求學生能夠完成設計的前提是前面的基礎要牢固。設計要求學生有一定的分析問題能力、計算能力、計算機應用能力等，這些都要求學生從大一的高等數學、大學物理，到大二的理論力學、工程力學、機械原理、機械設計等基礎知識能夠熟練地應用，有一些設計性的科目還要有設計的經驗，有一定的動手能力。否則到大四才考慮設計，學生無從下手，也無法在短時間內完成每章節的課題設計，更別提綜合設計了。

5 結束語

任務驅動法是教師與學生共同參與教學活動的過程，學生是主體，學生在查閱資料探索設計的過程中加深了對產品設計流程的理解，掌握了設計思路和設計方法，也激發了濃厚的學習興趣和團隊創新精神。任務驅動法在實踐中也發現了一些不足，這些不是通過各方面的提升可以得到改善的。總之，任務驅動教學法改變了傳統的以教師為主、學生為輔的教學方法，提高了教學質量。

[1]張建民.機電一體化系統設計[M].北京:高等教育出版社,2007.

[2]胡慶芳，程可拉.美國項目研究模式的學習概論[J].外國教育研究,2003(8).

[3]王晶.第三屆全國大學生機械創新設計大賽決賽作品選集[M].北京:高等教育出版社,2010.

G642.0

A

1673-8535(2013)06-0093-04

鄧鷹飛（1979-），女，廣西南寧人，梧州學院電子信息工程系教師，主要研究方向：儀器儀表工程。

（責任編輯：覃華巧）

2013-09-12