機械電子工程專業模塊跨課程實驗設置與教學模式研究

劉繼忠，董增文

(南昌大學 機電工程學院，江西 南昌 330029)

我國畢業生在就業市場的反饋一直是理論知識豐富但綜合能力不足，因此要充分發揮實踐教學在高等工程教育過程中的重要作用[1- 2]。近年來從國家層面到各個高校都注重對學生動手實踐等能力的培養，提出了“卓越工程師”計劃、創新訓練與創新學分等重要實踐教學模式與內容，實踐教學建設不斷得到發展。實驗教學作為實踐教學的重要組成部分，傳統的與課程綁定的實驗內容與實驗模式，雖然在對課程知識掌握加強上起到了作用，但很難在學生綜合知識運用和動手實踐能力培養上起到良好效果[3]。實驗實踐教學不斷提出新的要求[4-7]，因此，本文在傳統驗證性、設計性、綜合性實驗的基礎上，以南昌大學機械電子工程專業模塊為例，探討針對專業模塊特色的課程群意義上的跨課程實驗設置與教學模式，豐富實踐教學內容與方法，培養和提高學生運用綜合知識的能力與動手實踐能力。

1 單課程實驗的局限性與專業模塊實驗教學

傳統的單課程驗證性、設計性、綜合性實驗的設置,一般與課程內容相對應，是對課程內容知識的強化與驗證，但隨著社會對人才綜合知識運用和動手實踐能力要求的提高，傳統的實驗設置在實踐教學方面顯示出了其局限性：

(1) 缺乏關聯性。單課程的驗證性實驗是針對課程的某個具體問題的驗證，設計性和綜合性實驗也是針對課程一兩個模塊內容的綜合驗證，相對封閉分割，缺乏專業模塊課程之間的內容關聯和知識聯系，無法從專業模塊實踐能力、綜合知識運用以及專業模塊特色層面上實現實驗實踐教學的培養目標。

(2) 缺乏系統性。專業模塊實驗實踐培養要體現專業模塊特色和知識體系，單課程的驗證性、設計性、綜合性實驗隸屬于單個課程，涉及內容相對單一，無法從專業模塊綜合知識應用培養系統的角度完成實驗設計與實驗實訓。

(3) 缺乏自主性和主動性。目前單課程實驗的設置與實際工程應用脫節相對嚴重，多隸屬于課程內容的單個或多個知識點的驗證性實驗，缺乏一定的工程背景和應用目的，內容固定性和教師指導性尚強，學生在實驗中的自主性和主動性較差。

(4) 缺乏開放性。目前的實驗室和實驗設備儀器開放，一般隨著課程內容的進度集中進行，從師資和管理上缺乏開放性實驗條件，一定程度上影響了學生實驗的自主性、動手實踐訓練的頻度與及時性，以及實驗設備的利用率。

(5) 缺乏專業模塊綜合性實驗平臺。前期的專業模塊實驗平臺的設置一般也是針對課程內容的單課程實驗的設置，牽涉和運用知識相對單一，無法從專業模塊特色和綜合知識運用的角度完成綜合能力實驗實踐，缺乏課程群意義上的跨課程的專業模塊綜合實驗平臺。

以南昌大學機械電子工程專業模塊為例，知識體系主要以智能機電系統為特色，專業模塊課程除了機械類課程外，還包括單片機原理與接口技術、機床電氣控制與PLC、控制工程基礎、機械工程測試、液壓傳動與控制、傳感器應用技術與系統等電類、控制類的課程，并拓展開設了機器人技術、電子線路CAD等選修課程。專業模塊的單課程實驗，在知識強化和加強上起到了良好的作用，但卻無法系統地體現綜合知識的運用。如專業模塊的“傳感器技術與應用”課程，相關實驗驗證了不同物理性質的傳感器原理，卻缺乏在傳感測控系統中的綜合實際應用實驗，從而缺乏了與“單片機原理與應用”、“機械工程測試技術”等課程內容的關聯和綜合知識應用的實踐訓練。

2 跨課程實驗設置與教學模式

實驗教學作為實踐教學的重要一環，是鞏固理論知識和理論聯系實際的有效途徑之一，作為培養高素質工程技術人才的重要環節和培養學生掌握科學方法和提高動手能力的重要平臺，在高等工程教育和教學體系中具有舉足輕重的作用。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》和教育部《關于進一步深化本科教學改革，全面提高教學質量的若干意見》中也對高校實踐教學的改革提出了相應的要求[8]。因此，必須跟上時代要求，做出相應的規劃設置，跨課程實驗的設置和教學模式的探索就是針對前述實驗教學現狀和發展要求而進行的。

2.1 跨課程實驗設置

2.1.1 目標

體現專業模塊特色，完成專業模塊綜合知識運用實驗實訓，培養綜合知識運用和動手實踐能力。

2.1.2 原則

(1) 融入CDIO思想。CDIO以產品研發到運行的生命周期為載體[9]，融入CDIO思想，讓學生以主動的、實踐的、課程之間存在有機聯系的方式完成實驗實訓。因此，跨課程實驗設置，必須圍繞目的、方案、技術實現、運行，培養學生動手實踐綜合能力，借鑒CDIO工程教育模式理念，在專業模塊知識體系基礎上科學規劃相關跨課程實驗。

(2) 層次性。課程群意義上跨課程實驗的設置是在前期單課程驗證性-設計性-綜合性實驗基礎上的進一步的實驗實訓提升，而不是摒棄單課程的知識驗證性強化性實驗，是實現知識強化與應用的單課程實驗與課程體系知識綜合應用的跨課程實驗的結合，是單課程基本實驗與課程體系綜合實驗的有效組合，是驗證性-設計性-綜合性-跨課程實驗的多層面的實驗體系。

(3) 充分利用后期科研平臺。科研是高校教師工作的重要組成部分，其項目開發的科研平臺，除轉化利用外，部分將被閑置。科研平臺一般皆是解決某一問題或實現某一工程的實際應用系統，牽涉綜合知識面廣，工程實踐意義強。利用后期科研項目平臺進一步開發成跨課程綜合實驗平臺，既可以節約教育資源成本，又可以充分發揮科研平臺的效用。

(4) 體現專業模塊特色。機械電子工程專業模塊具有機、電、控制跨學科特色，體現在智能機電系統和機、電、控制知識體系的綜合運用，跨課程綜合實驗實訓必須考慮專業模塊特色，必須包含有機、電、控制類知識的綜合實踐與運用，體現出智能機電系統相關知識的設計、實踐、運行。

(5) 課程群意義上系統考慮。跨課程實驗的內容設置除了體現智能機電系統專業模塊特色外，同時要從專業模塊課程群角度層面上系統地考慮。如前所述，南昌大學機械電子工程專業模塊課程群體系除了基礎課程外，主要包括機械原理及機械設計等機類課程以及電類、控制類課程，因此要系統性地考慮課程群課程之間的關聯性，以及課程之間的知識聯系和應用聯系。

2.2 機械電子工程專業模塊跨課程實驗設置實例

跨課程實驗設置必須依托跨課程綜合實驗平臺。南昌大學機械電子工程模塊課程群體系除了機械工程類專業必修的機類課程外，還包括電類、控制類等專業模塊方向特色課程，主要牽涉機構設計、導軌、減速器、電動推桿、傳感器、單片機與外圍電路設計、A/D、D/A、PWM、匯編語言、高級語言及其他硬件等綜合知識的實踐與運用，跨課程綜合實驗平臺在體現專業模塊特色的基礎上必須承載上述知識內容的實驗實訓。跨課程實驗平臺基于專業模塊實訓平臺構建和科研項目平臺積累，考慮到實驗所承載的知識體系和要求，采用輪椅床控制平臺和超聲C掃描檢測平臺作為機械電子工程專業模塊綜合實驗平臺。

輪椅床綜合實驗平臺架構如圖1所示，目的是讓學生了解如何實現生活不便老人的出行和護理照顧，驗證和應用所學知識。基于該平臺的綜合實驗主要完成以下知識的實驗實訓：機械部分是完成功能機構設計與驗證仿真分析；運動控制部分主要是通過D/A輸出模擬信號到控制器驅動一對直流電機差速運轉(經過減速器減速)，通過PWM輸出驅動電動推桿按一定速度運行，通過視覺傳感器信息采集和處理完成視覺導航，通過超聲傳感器信息采集和處理完成視覺導航完成超聲避障，通過語音信息采集與處理識別完成語音交互控制。

圖1 輪椅床綜合實驗平臺架構

超聲C掃描檢測綜合實驗平臺如圖2所示，目的是讓學生了解超聲無損檢測的自動實現和自動化檢測系統，驗證和應用所學知識。基于該平臺的綜合實驗主要完成以下知識的實驗實訓：機械部分主要是運動軌跡實現與導軌布置以及工件液壓支撐平臺；運動控制部分主要是運動控制卡、PLC、步進電機、伺服電機以及高級語言應用編程和人機交互界面設計；后處理分析主要是超聲數據處理、C掃描檢測成像與高級語言應用。

圖2 超聲C掃描檢測綜合實驗平臺架構

上述綜合實驗平臺架構基本涵蓋了專業模塊機、電、控制課程群知識體系[10]，以一定的工程背景為目的，以智能機電系統為對象，知識點包含了機類的機械設計、機構運動學與仿真、電類的傳感器技術與外圍電路、控制類的單片機嵌入式控制系統、PC控制系統。初步的教學運行表明，基于綜合實驗平臺的實驗實訓，很好地提升了單課程實驗的知識掌握、強化與運用效果，同時提高了學生動手實踐和綜合知識運用能力，為其他專業模塊的跨課程實驗設置提供了借鑒。

2.3 實驗課程運行模式及實驗教學模式

2.3.1 作為單獨課程設置

由于跨課程實驗是從專業模塊和課程群層面考慮綜合知識運用而設置，不同于傳統的隸屬于相應課程跟隨課程進度的驗證性、設計性、綜合性實驗，跨課程綜合實驗宜作為單獨課程設置，利用一個學期分步驟完成。

2.3.2 開課學期

跨課程綜合實驗宜安排在大四上學期完成。一是此時已經基本完成了全部專業知識的理論學習，適宜安排進行綜合知識應用驗證訓練；二是大四下學期會有畢業設計、畢業實習和就業環節的安排，時間很緊張。

2.3.3 小組團隊與內容選擇性

跨課程實驗綜合實驗平臺具有選擇性，實驗小組可根據興趣愛好分組組隊，但必須完成綜合平臺實驗內容。實驗具體完成內容的分配可由小組長負責，根據組員愛好興趣進行。整個綜合實驗由小組成員共同合作完成，以使得學生在愛好、特長的基礎上，進一步加強相關綜合知識的運用,鍛煉并培養團隊合作意識。小組成員在完成規定的實驗任務的基礎上，可以根據自己的愛好、興趣進一步完成綜合實驗的其他內容或模塊。

2.3.4 項目教學模式

項目教學法在學生學習角色、學習主動性和創造性以及培養團隊意識方面具有顯著優勢[11]。跨課程實驗采用項目教學模式，將綜合實驗與實踐實訓平臺的項目背景相結合，采取提出問題、分析需求，學生給出方案、解決問題的方式完成實驗，可以充分鍛煉學生實驗的自主性、鉆研性，提升學生主動學習能力、綜合知識運用能力和創造力，改變傳統實驗教學中教師主講、學生驗證的弊端，充分發揮學生為主的優勢，改善學習氛圍，增強團隊意識。

2.3.5 開放性運行

傳統的實驗一般跟隨課程內容進度，在固定的課時進行實驗，學生實驗自主性受到了嚴格的限制。跨課程綜合實驗作為一門單獨課程，除規定的課時外，其綜合實驗平臺采取開放式管理模式。借鑒項目團隊開放式科研實踐基地管理經驗，由研究生協助管理，實驗小組負責人負責，學生可以在課余或其他時間隨時進入實驗室進行實驗。

2.3.6 考核

實驗考核包括實驗能力和實驗報告兩部分內容。實驗能力包括方案考慮、日常動手、綜合知識運用與理解，主要由指導教師和協助指導管理的研究生共同完成。實驗報告采用項目報告的形式，內容包括實驗方案選擇、技術實現報告、實驗完成結果和數據處理分析等。首先由項目小組各個成員按上述要求完成自己所負責部分的內容，并單獨提交一份作為本人考核內容的報告；其次由小組長統一整理，完成小組綜合實驗報告；最后由指導教師和協助指導的研究生，完成實驗項目小組綜合實驗答辯，根據答辯情況以及實驗能力和實驗報告給出相應成績。

2.3.7 以輪椅床綜合實驗平臺的綜合實驗為例

首先，提出生活不便老人出行照顧的項目背景，讓學生思考并提出方案(可不同于實驗平臺)，最后分組探討方案可行性和項目平臺的設計思想來源。

其次，分組完成項目綜合實驗，小組中再根據愛好興趣自己確定自己完成的任務，包括機械類、外圍電路類、控制類的具體任務。如機械類的機構設計與運動仿真、單片機控制電路板外圍電路與超聲波避障模塊、與電機驅動器結合的PWM輸出以及D/A輸出、與語音控制結合的A/D信號采集與識別、與視覺導航控制結合的圖像信號采集與處理、減速器結構設計與分析等，可由5～6名學生共同完成。

第三，實驗平臺實時開放管理，教師和協助研究生負責日常監督和提供技術指導。

第四，學期末，根據考核要求對各個小組及小組的具體成員的實驗完成情況進行綜合考評，并給出綜合實驗課程成績。

3 結束語

針對傳統跟隨課程實驗的局限性，以機械電子工程專業模塊為例提出了一種跨課程實驗設置和教學模式，指出了跨課程實驗設置專業模塊特色考慮的體現性和課程群知識體系的關聯應用性，強調了學生實驗環節的自主性、實驗時間和實驗平臺的開放性，給出了開放式實驗管理和項目教學方式。初步教學運行結果表明，跨課程綜合實驗的設置對于調動學生實驗學習主動性、培養學生綜合知識運用能力、提高學生動手實踐綜合素質、鍛煉學生團隊協作精神及突出學校專業模塊特色，具有重要的作用。同時，跨課程實驗設置與教學模式對于高等學校工程教育的實驗實踐教學培養改革具有一定的借鑒價值。

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