機電一體化技術與系統課程教學改革與實踐

孫松麗　王榮林　瞿志俊

[摘 要]機電一體化技術與系統課程原有教學中存在一定的問題。可以結合其實踐性、綜合性較強的特點，提出以項目驅動為主線，通過項目任務引導理論教學和理論教學指導項目實現的一體化教學新模式，并適時引入基于項目的討論互動課。教學改革實踐表明，該教學方法將理論與實踐高度融合，以“用”促“學”，學以致用，提升了學生對機電一體化共性技術的工程綜合應用能力和團隊協作能力，取得了良好的教學效果，有利于應用型人才培養。

[關鍵詞]機電一體化 項目驅動 討論互動 教學實踐

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）10-0155-02

機電一體化技術與系統課程是南京理工大學泰州科技學院機械電子專業的專業主干課，是一門綜合性、應用性很強，具有系統工程應用意義的課程。[1]課程涉及專業內容多，知識廣泛，理論性和實踐性較強。為幫助學生實現從理論學習到實踐應用的過渡，提高學生對所學知識的綜合運用能力以及工程實踐能力，更好地培養應用型、創新型人才，我校機械電子專業教學團隊對該課程不斷進行教學改革，更新教學內容，積極探索理論與實踐相結合的教學方法。

一、教學中存在的問題

（一）理論教學方面存在的問題

教材和教學內容與先修課程重復率高，各知識點分散。[2]機電一體化技術與系統是許多高校相關專業為高年級本科生開設的一門課程，旨在讓高年級學生厘清前三年的各專業課之間的關系，能夠以系統的觀點和方法去分析和設計機電一體化系統。由于是原專業基礎知識的鞏固和加深，因此，教材和教學內容包括了之前學過的多門課程，教材大而全，教學內容多而廣；此外，該課程現有教材內容一般按照機電一體化大系統的各組成子系統組織設計，即每一子系統對應一章內容，不同章節知識點之間缺少有機聯系。雖然知識點可以獨立教授，但容易孤立，學生無法深刻理解機電一體化產品的系統性和技術的綜合應用性。

（二）實踐教學方面存在的問題

機械電子專業由于為我校后增專業，機電一體化技術與系統課程開設時間相應也不長，加之機電設備的復雜性、高造價、臺套數不足、使用維護成本高等原因，在實驗教學環節開設的多為演示性、驗證性實驗，學生動手操作調試的機會少。[3]在課程設計環節，則通常紙上談兵，模仿設計，學生學習積極性主動性不高，更談不上創新設計。

上述原因使得理論教學與實踐教學脫節，在教學中出現“理論教學教懂難、實驗教學動手難”的問題。針對傳統教學體系中存在的問題，結合我校現場工程師的培養目標，機械電子教學團隊探索構建了以學生為主體，以項目驅動為主線，通過項目任務引導理論教學和理論教學指導項目實踐的互推互動的教學新模式。在剖析某幾個典型機電一體化系統（項目）的結構組成、工作原理、設計過程中，串聯講解知識點并在實驗環節進行知識點在項目中的具體應用實現，進而將項目實施和理論講授有機融合，實現一體化教學。教學改革探索的實踐表明，在機電一體化技術與系統這門課程的教學上，采用此方法是可行且有效的。

二、以項目驅動為主線的教學新模式應用

以項目驅動為主線，是指以項目為載體、教師為主導、學生為主體，將某一門課程的核心概念和原理，通過一個或多個項目的形式來體現[4]，將課程中分離的知識點轉換為在具體項目中應用的相關聯的技術支持點，將學生認為枯燥乏味的理論知識轉變為生動的、具體的技術實現，有利于學生更加系統地認識和掌握所學習的知識。

（一）項目選擇

教學新模式應用中，項目設計或選取尤為重要，其成功與否直接影響教學效果。首先，項目應具有代表性，以體現機電一體化關鍵技術的典型應用；其次，項目應具有可操作性，即項目的難易程度應適中；最好配套有足夠數量的、具體可操作的裝備供學生實踐操作；再者[5]，項目應具有可拓展性，以培養學生綜合應用和創新能力。

基于上述考慮，并在我校實驗室二期建設經費大力投入的支撐下，分別以PLC和51單片機兩大控制核心為基點，提出了“物料自動分揀”、“自動立體倉庫”、“桁架機器人”和“自動尋跡小車”四大項目。以“物料自動分揀”項目為例，此項目涉及的知識模塊包括：西門子S7-200PLC控制，異步電動機的變頻調速，辨識物料顏色、材質的傳感檢測，觸摸屏監控，自動定位控制，光電編碼器及氣動元件應用等多項技術，均為機電一體化共性重要技術。與此相對應，MPS實驗室增配了多臺套可拆裝式物料分揀實驗裝置，學生可通過機械安裝、電氣硬件接線、軟件編程、系統調試等環節進行動手實踐操作，既可進行單項實驗，也可進行綜合性、創新性實驗。

（二）具體實施

1.理論教學方面

概述部分仍沿用教材內容，重點講述機電一體化概念、體系結構、特點及發展趨勢。在課程開始即強化機電一體化產品（系統）“機電有機融合”的特點、“系統化”的設計開發理念和“綜合性”的技術應用。

其余內容則采用項目驅動教學法，并分兩大模塊，分階段展開。

（1）第一階段：以教師講授為主，選用“物料自動分揀”和“自動立體倉庫”兩大項目，按“任務分析→方案總體設計→硬件選型、設計→軟件設計→系統調試”的項目一般設計開發流程開展。通過兩個項目的介紹，使學生熟悉項目開發的一般流程，總體方案設計的一般要求和原則，掌握系統原理圖的設計要求，學習如何結合功能實現和成本控制進行硬件選型，常見硬件的工作原理和使用方法等。在此基礎上，使學生掌握變頻調速、檢測系統設計、伺服驅動與控制、步進電機與控制、軟件編程技巧與仿真調試等有關綜合應用的理論知識。

（2）第二階段：采用討論互動課的模式進行，教師主要起引導和指導作用，選用“桁架機器人”和“自動尋跡小車”兩大項目。教師按每一項目確定3種任務方向共制訂6套項目設計任務書，包括設計題目、功能需求、技術要求及重難點。學生結合自身的興趣愛好，每3-5名同學自由組合為一組，從6套任務書中任選一套，每套設定限選額度（上限為4組）。選題在討論互動課正式開始前兩周即確定完畢。在兩周準備時間內，各小組需要完成的工作內容是：任務分析→組員分工→資料查閱→組內討論→方案擬訂→方案形成書面報告并制作PPT。在討論互動課上，按相同任務書抽簽選取1-2個小組進行10分鐘的上臺演講、報告，5分鐘的討論互動答辯。每組答辯完成后，教師利用2分鐘左右的時間總結學生討論、發言情況，提出改進意見。[6]討論互動課通過教師創設情境，激發學生思維，強化對知識點的理解學習，促進學生參與合作，有效調動了學生在課堂上的積極性和主動性，變單純傳授知識為培養學生的學習方法和能力。

項目教學不僅要求教師對本門課程的知識點要非常熟悉，而且要有一定的工程實踐經驗，要求教師掌握測量學在土木工程中常見的應用方法和技術。教師在構思教學項目時必須明確要實現的能力目標、知識目標、項目任務以及教學進度安排等。從對教師課程項目設計的內容是否合理，在項目教學中是否以學生為主體，在項目實施過程中能否靈活運用多種教學方法給學生正確的指導、幫助以激發出學生的學習熱情，最終是否達到提高學生的工程能力為目的等方面評價考核教師學識水平和教學能力。對教師教學水平和能力的評價應重視學生對教師的評價，畢竟學生是教學的直接參與者和受益者，他們的評價是比較公平合理的。

（二）對學生學習效果和考核成績的評價

對學生學習效果的評價是多方面的綜合。學生學習效果主要表現在對于基本理論知識的理解掌握程度，能否運用理論知識和常規測繪儀器解決具體工程問題和最終的考試成績上。學生學習效果的評價主要是看經過課程項目和工程案例項目的學習參與后學生能否在項目設計的能力、知識和素質上達標，通過多種手段和方式綜合考核學生在這幾個方面達到的程度。基于CDIO的項目教學，不能簡單用考試卷面成績來評價學生的學習效果，而應采用學生在學習過程中參與項目任務的認真程度、完成項目任務的情況、提交項目成果的質量、團隊協作能力和老師的溝通以及實踐能力來綜合考核評價。在評價方法上應該更多地聽取來自學生的意見，采用學生自評、小組成員互評、教師評價，最后按一定的權重計算學生的考核成績。

（三）對課程項目教學效果的評價

大學承擔為社會培養人才的責任，最終的“產品”就是畢業生。畢業生憑借自己的知識和能力回報社會，服務企業，實現個人價值。通過對畢業生在用人單位的跟蹤調查，根據學生在崗位上的工作能力表現以及崗位所需的知識、能力和素質要求與課程項目設計中知識、能力和素質目標的差異，來評價課程的教學效果和人才培養的質量，這是對課程教學效果最客觀最真實的評價。根據全面跟蹤調查結果和用人單位反饋的意見，進一步調整課程的內容和修改項目設計以及相應的教學要求。

四、結束語

對土木工程專業測量學課程基于CDIO模式下進行深層次的項目教學改革，對教師隊伍的學識水平、知識結構和工程實踐能力均提出了較高的要求；在教學過程中不僅注重理論知識的學習，更強調學生學習能力、分析和解決工程問題能力的培養。基于CDIO模式下的項目化教學課程改革力度大，課程改革能否成功涉及很多方面，其中“雙師型”專業教師隊伍的建設是大多數地方高校基于CDIO模式下人才培養和教學改革面臨的一個共同問題。因此，應通過制定與企業聯合培養人才，吸引企業高級工程技術人員到學校任教，選派任課教師到企業參與工程項目等政策，提升師資隊伍的工程實踐能力，以適應培養應用技術型人才的需要。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 查建中.論“做中學”戰略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008（3）：21-23.

[2] 王漢雄，王嘉慧.土木工程測量教學體系改革與創新[J].礦山測量，2007（1）：11-13.

[3] 呂忠剛.應用型本科非測繪專業“工程測量”教學改革的研究[J].測繪通報，2010（7）：75-77.

[4] 謝攀，陳存恩.基于CDIO理念的土木工程施工課程改革探索實踐[J].教育與職業，2010（5）：125-127.

[5] 韓濤，孟昭博，湯美安.土木工程專業應用型本科人才實踐教學的目標定位[J].教育與職業，2010（6）：163-164.

[責任編輯：鐘 嵐]