機電一體化課程設計教學實踐研究*

◆李立成 徐漫琳 柯昌輔

作者：李立成，重慶大學城市科技學院助教，主要研究方向為機械電子；徐漫琳、柯昌輔，重慶大學城市科技學院（402167）。

機電一體化課程設計作為機械電子專業的實踐教學環節，要求學生綜合運用所學過的機械、電子、計算機和自動控制等方面的知識，實現獨立多學科的知識的有機綜合。隨著現代社會的高速發展，機電一體化技術在大型機械和微機上有著很重要的應用。因此，目前如何在大學教育實踐中落實創新能力培養是一個亟待解決的問題[1]。特別需要指出的是，如何在傳統機械工程教學中進行創新能力培養，既是新問題，又是大難題。

1 設計實踐課的基本目標

機電一體化設計實踐課程是基于機電一體化技術，整合機械精密傳動、計算機信息處理技術、傳感器檢測技術、自動控制技術、伺服驅動技術以及系統總體技術等，“以機為主，以電為用”。本課程設計在機械設計實踐進行之后，安排在本科第三學年下學期，從機械設計實踐的能力提升到機電系統設計、制作、調試等課程實踐活動，配備課程實踐器材供學生進行實踐操作，激勵學習的積極性，提高學生的機械設計能力、機械優化設計能力，綜合運用多學科知識解決實際問題。

理論設計能力與實踐能力 在機電一體化設計實踐過程中，學生的能力客觀上存在差距，因此，課程設計的理論設計要求與實踐操作要求要存在難度梯度，在課程實踐中注重學生新思想和新理論的提出[2]，并善于發現問題、提出問題，碰到難題，善于發揮團隊的智慧和團隊力量，以彌補個人的能力不足。課程實踐使學生把所學過的機械、電氣、自動控制等理論知識綜合應用到設計實踐中。

創新能力培養 在實踐中推動學生創新能力的培養，機械設計專業學生可以擁有自己的想法，對機械部分進行優化設計，鼓勵學生使用當前新技術、新方法，做到“不唯書，而唯實”。要降低成本，提高設計精度和穩定性。在課程實踐中不固定方案，比如系統中的轉向機構，學生可以選擇曲柄搖桿機構、齒輪齒條等，進行創新性探究。課程設計中只提供實踐的指導性目標和必要工具及器材，只針對設計路線進行必要的提示，不對方案進行統一講解，由學生自己查閱資料，自己獨立設計，遇到問題由指導教師進行分析和講解，對其方案和想法的可行性做出判斷，方向不對時應及時引導正確的方向，既能保證學生創新性想法的實現，又能有效防止學生走錯方向。

2 課程設計內容及選題原則

根據機電一體化人才培養方案和本專業的課程設置，研究改革課程設計大綱基本要求。根據應用型和創新型人才培養要求，課題的方向主要分為兩大方向進行選擇：一類題目主要針對應用能力培養，把本專業的知識進行有機的綜合，提高學生的綜合實踐能力；另一類題目主要針對創新能力培養，結合創新設計大賽相關題目，把本專業的知識進行創新性應用，提高學生的創新設計能力。

普通型課程設計題目

1）向學生征集。在課程中學生擁有與課程設計相關的好想法，可以展開討論，要求對其方案進行分析，符合課程設計要求的，教師根據其內容下達課程設計的任務。實踐證明，對自己提供方向的題目，學生的積極性會很強。

2）選擇典型機電一體化產品讓學生進行設計，結合學生的實力進行選取，同時與本專業的專業方向盡可能的相關，開發學生的潛能。比如數控方向的學生，可以選擇數控車床工作臺二維運動伺服進給系統設計、數控銑床工作臺三維運動伺服進給系統設計等，為未來職業發展打下好的基礎。

3）學習借鑒其他學校機電一體化設計的內容，在現有設計內容的基礎上，根據本校本專業課程設置的特點，對設計的內容做以適當增減，以適合本專業的學生。

創新型課程設計題目 可以借鑒全國機械創新設計大賽的課題[3]，其中每屆成功參與全國總決賽的作品都收錄在決賽作品選集中，由高等教育出版社出版。這里面有比較好的案例，同時作品中也存在可以改進的地方，有興趣的學生可以從中選擇與機電一體化相關的課題，提升自己的能力。在條件允許的情況下，可以做出產品的模型，提高學生的機電一體化能力，同時也可以為學生參加今后的機械創新設計大賽做準備，做到“以學促賽，以賽促學”。

在專業教學中，學生經常會困惑本專業畢業后到底有什么前途？能做什么？機電一體化課程設計教學貼近實際，能把多門專業課有機地結合起來，把枯燥的課本知識靈活地運用，極大地鼓舞了學生的興趣，激發學生對實際問題的思考，對工程實踐產生濃厚的興趣。堅持理論教學與實踐教學并重，可大幅提高教學效率和教學質量，同時為選拔優秀學生參加機械類學科競賽提供條件。

3 課程設計的實施方式

課程設計實施方案：設計報告書是對整個設計過程的總結和提升，也是進行工程交流的重要文獻資料，通過指導學生撰寫課程設計報告書，培養學生撰寫工程技術文檔的能力。對設計說明書的撰寫，提出如下要求：

1）嚴禁課程設計報告抄襲，基本工作獨立完成；

2）根據任務書能提出合理的設計方案和機構的工作原理；

3）設計要符合國家標準，學會使用設計手冊、專業術語、專業名詞規范；

4）設計圖圖紙規范，符合設計說明書的要求，不照抄手冊和案例，設計參數與圖紙相一致；

5）學會使用專業相關軟件，對設計的機械機構和控制部分進行分析和仿真，是驗證設計正確的有效手段之一；

6）課程設計配備了一些實際的零部件可供學生設計使用，以及基 本的控制電路，學生要具備一定的實踐操作能力，掌握器件的選擇與焊接，會進行程序的編寫，掌握系統故障的檢測與維修能力。

課程設計采用分組式進行，每個小組3～5人，視工作量而定。課題難度較大可以分五人，原則上一般三人為一組。每個小組在規定的時間完成基本要求，每個學生都要參與該組課程設計答辯，通過問題了解學生在課程設計中所做的主要工作，檢查有無抄襲情況、有無坐享其成的學生，結合設計報告書的撰寫質量和實際所做的產品質量進行綜合評定。

4 實施效果

通過在重慶大學機械電子工程專業的實踐，在機械電子工程專業中開設機電一體化課程設計，已基本摸索出培養機電復合型技術人才的規律。

普通型題目實現機電融合、知識整合 理論教學與工程實踐并重。由于在教學中缺乏機電知識綜合運用能力的培養和訓練，學生在學習了機械設計、機械制造和電子技術、計算機技術和傳感器技術等基礎課程后，不能很好地將機、電的知識融會貫通，大多數學生也只是了解基本的機電設備的基本功能，在系統運用中存在問題，在機電一體化系統的綜合設計方面存在不少困難。通過開設機電一體化課程設計實踐教學環節，通過理論設計與實際操作，比如數控工作臺進給系統的設計，從電機、聯軸器、絲杠、導軌的設計到型號的選擇、控制單片機的設計與仿真，最終實現數控工作臺進給系統的裝配與調試。機電一體化課程設計對學生的理論知識與實踐緊密地連接起來，提高了學生的綜合應用能力。

創新型題目為學生參加機械創新競賽做了鋪墊 通過課程設計，為機械學科學生參加如全國大學生機械創新設計大賽做了鋪墊。在第六屆全國大學生機械創新設計大賽（重慶賽區）中，學生榮獲重慶賽區一等獎一項、二等獎一項。其中，“幻顯黑板”作品獲得國家專利。該作品包括了框架的設計、傳動系統布置，控制系統采用單片機控制，執行元件有步進電機、直流電機、電磁離合器、電磁制動器、光電編碼器等器件。本次參賽作品充分運用機電一體化技術，機電一體化課程設計改革效果顯著。

5 結語

機電一體化課程設計改革突破傳統的課程設計方式[3]，里面加入了創新專題，可以借鑒機械創新設計大賽的題目，既能滿足應用型人才培養的需求，又能兼顧創新能力的提高，實現因材施教。實踐證明，所采用的機電一體化課程設計改革效果顯著?！?/p>

[1]趙志超,范文利,金薇.機電一體化綜合實驗周的探索與實踐[J].電氣電子教學報,2004,26(1):75-77．

[2]潘海鴻,陳琳,黃炳瓊,等.機電一體化方向課程設計教學改革[J].廣西大學學報:哲學社會科學版,2008,30(l):24-25.

[3]李琦,王基,劉永葆．《機電一體化系統設計》課程教學改革與實踐[J].高等教育研究學報,2010(1):100-101.