基于工程教育認證要求初探機電一體化系統設計課程教學改革

曹陽+楊桃月+張大斌+蔡家斌+楊綠

摘 要 為了應對工程教育認證的需要，從工程實際需求出發，分析和討論機電一體化系統設計教學現狀和存在的問題，圍繞課堂教學內容、實驗、考核和教學方法進行教學改革探究。

關鍵詞 工程教育；專業認證；機電一體化系統設計；教學改革

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）03-0080-02

1 前言

為了促進機械專業的跨越式發展和國際化進程，進一步提升機械設計制造及其自動化專業的教學質量、社會聲譽和國際視野，促進本科畢業生的國際交流，為工程師執業資格認證奠定基礎[1]，從2013年下半年開始，貴州大學機械工程學院機械制造及其自動化專業開始著手準備進行工程教育認證，于2014年順利通過該認證。在以“認證”為目標，不斷促進教學改革的過程中，全院教師始終堅持以能力為導向，重在加強學生的培養質量和利用學科知識分析解決工程實際問題的能力[2]；同時以學生為中心，以不斷優化和改進的培養目標和畢業要求，建立、建設優質的課程體系和師資隊伍，配備必要的教研設備。

在“迎接認證”、不斷改進的過程中發現一些專業課程存在的問題，以培養目標和畢業要求的工程性不強為代表，主要體現有教學內容缺乏實際工程拓展，課程教學方法有待拓寬，特別是工程實踐能力的培養還需要進一步加強。機電一體化系統設計作為機械電子工程方向一門重要的專業課，亟待相關教學改革，以適應工程教育認證的要求。

2 現狀與問題

基本現狀 機電一體化系統設計是機械制造及其自動化專業機械電子工程方向的一門重要的專業課程，目的是培養學生對機電一體化系統的應用和設計能力，掌握機械系統元部件設計和微機控制系統及其接口設計方法，培養機電結合的專門人才。本課程的基本任務是使學生掌握對機電一體化系統的分析應用和設計基本方法。該課程涉及的機械傳動部件、電機、微機接口技術和機電一體化設計思路等，可以說是對本專業前期所學專業課程進行融合、需要實踐深入消化和提高認識的一個重要環節。并且貴州大學機械工程學院不僅是機械電子工程方向開設本課程，機械制造和農業機械化專業方向也開設了本課程，學生普遍反映教學枯燥，工程實踐性不強，部分知識無法理解。

為了使機電一體化系統設計課程與“工程教育認證”要求相適應，更好地幫助學生掌握本門課程知識內容和加強工程實踐能力培養，達到學以致用的目的，需要對機電一體化系統設計課程的教學內容和方法進行改革研究。

主要存在的問題 貴州大學機械工程學院于21世紀初開始在機械電子工程專業方向的本科班開設機電一體化系統設計，隨著十多年教學經驗的積累，已形成一套較為完善的教學方案和體系。但是隨著技術的不斷革新，社會和工作崗位對學生要求的不斷提升，越發覺得本課程的傳統教學中存在一些問題，主要表現在以下幾個方面。

1）教學內容陳舊，過于側重機械結構的講解。通過工程教育認證評估，充分和企業溝通后，發現一些課程所教授的內容和技術已經在當下機電產品中被新技術所取代。另外，由于在教授本課程前有單片機原理、接口技術和機械控制工程等課程，在機電一體化系統設計的教學中都會以典型機電系統的傳動結構為主，使“機”和“電”在教學過程中不能充分結合。

2）實驗教學設施不足，實驗內容受到限制。本專業擁有的機電一體化教學設備較少，有的僅僅停留在十字工作臺、單片機和傳感器方面，對于機電系統的穩定性和優化部分的實驗暫時空缺，這不利于學生提高感官認識。

3）教學方法單一，缺乏與工程實際的聯系。現有教學基本上是以課堂教學為主，輔以少量實驗，大多采用講授法通過多媒體教學平臺進行授課，而且大多是紙上談兵，課程教學與實驗教學同工程實踐聯系甚少，與“工程教育認證”的要求存在差距。

4）學生反映學習難度大，應用能力不強。在教學過程中，一些學生反映部分知識點難以理解，不清楚這些知識能“干什么”，能解決什么問題。另外，從考試反饋來看，學生對綜合應用機電技術的能力還有待提高，特別是不能將一些來自工程實際的問題和書本知識結合起來分析。

3 教學改革

教學內容的改革

1）樹立“機電結合”的系統教學思路。機電一體化的目的是提高產品或系統的附加價值，實現多功能、高效率、高可靠性、省材料、省能源，并使產品結構向輕、薄、短、小化方向發展。因此，機電一體化的研究方法不能只是簡單拼湊，應該從系統設計方案開始到各元部件選擇到系統最終成形的全過程，都要貫徹系統設計的思想 [3]。機電一體化系統設計課程的教學也是如此。在課程講述過程中，如果只是根據教材的章節順序進行講解，會在學生腦海中形成一個個的知識孤島。因此需要將整個課程用幾個典型案例把所有章節貫穿起來，做到前后呼應。如在教學“機械結構”中的“機架和支撐穩定性”時，可以和“元部件特性分析”中的“靜、動態特性分析”結合起來，在講機械結構時就引入控制工程中的一些知識點。

另外，教材的最后一章有很多案例，可以根據這些案例的特點，將其穿插進前面的章節講解，在講授每一部分內容時都結合案例，并將系統設計方法融于其中，不僅利于學生對知識的掌握，還可以舉一反三、加深理解。

2）選擇性地介紹章節重點。要有選擇性地介紹機電一體化各組成部分。對于機械系統部件，要重點講解傳動原理和典型結構，一些特殊的部件可以留給學生自學。對于執行元件和控制器由于在先修課程中有所學習，因此對其基礎知識不做詳細介紹，重點內容放在典型元件特性及其驅動和接口部分。這樣既可以避免使學員因重復學習而失去興趣，又可以有更多的時間放在牢固樹立系統的觀點，深入理解組成機電一體化系統的各構成要素之間的關系。

3）以“看得見、摸得著”的機電產品為突破口。要更多地從教學團隊科研真題和本地企業合作項目尋找典型案例，讓更多的案例“看得見，摸得著”。一方面可以帶領學生參觀企業，另一方面要鼓勵一些教師展示機電一體化方面的科研樣機，讓學生可以直接參與教師科研課題。同時要及時更新案例，給學生展示最新的技術和產品，了解機電一體化產品的前沿；還要充分給予成績較好者學習空間，特別是對于一些比較復雜或精度要求高的運動定位控制和智能控制，可以讓學生結合學過的自動控制理論知識設計運動控制算法，為研究生階段的學習做準備。

教學方法的改革 教學方法是教學過程的核心，教師的教學方法一定程度上決定了教學質量和學生對知識的吸收情況。傳統的教學方法是教師根據課程教學大綱的要求，在課堂上為學生講解教學大綱上規定的教學內容，按部就班地向學生灌輸知識，學生完全處于被動學習狀態，教學效果大打折扣。為了有效提高學生積極性和學習主動性，可以將課堂講授、討論、開放性實驗和實地參觀結合起來，激發學生的學習興趣、學習主動性和培養學生的創新意識和能力。

例如：在介紹“滾珠絲杠”和“導軌副”時可以將實物拿到課堂上，先拋出問題并讓學生進行拆裝，再讓學生分組討論結構特點和問題，最后有針對性地講解難點和強調重點內容；“單片機與接口技術”的講授可以開設開放性實驗，提供單片機平臺，讓學生自行設計開發單片機控制系統，并要求演示；在講解“機電一體化系統的元、部件的特性分析”時可以開展上機實驗，結合MATLAB軟件仿真模塊，讓學生產生直觀認識。

課程實驗的開設 “工程教育認證”的核心就是要確保畢業生達到全球行業認可的機械工程從業人員基本要求。因此，為了讓學生更好地掌握機電一體化系統設計相關基礎理論和提高學生的創新意識與工程實踐能力，提升畢業生的機械行業從業能力，需加強本課程的課程實驗建設。首先，要整合現有校內實驗資源。本課程綜合性強，很多實驗需要和其他課程實驗結合起來，如與機械傳動、微機原理和控制工程等課程。其次，要積極構建新實驗平臺。特別是機電一體化典型系統的實驗平臺方面，亟待購置新設備，開發新實驗。最后，可以整合校外合作單位實驗資源，開設一些與工程實踐緊密結合的課程實驗和基于仿真軟件的系統穩定性分析實驗。

考核方式的改革 本課程各章節具有一定獨立性，涉及機械和電子技術各個方面。針對此特點，考核方法應該重在應用與綜合，不應以識記為主，所以考試形式由原來閉卷改為開卷。這樣可以減輕學生考試壓力，把學習的重點放在知識的應用和解決實際問題的能力訓練上。考核可以采用試卷（開卷）、實驗、報告或者作品（機電一體化系統）等多種形式，加大實驗環節和平時表現的成績占比，解決了實際問題或提出了創新方法就可以獲得高分。

4 結束語

隨著科技的發展，機電一體化系統設計課程所涉及的知識和技術發展尤為迅猛，而且所涉及的知識面非常廣，因此要滿足工程教育的認證要求，就必須從教學內容、教學方式、教學方法等方面都進行改革創新。在教學內容上強調以系統設計方法為主線，在教學方式中重視培養學生的學習興趣，努力拓展課程實驗，不拘泥于考核形式。這些變革將會更進一步激發學生的學習興趣，最大限度地提高學生解決實際問題的能力，達到工程教育認證的要求。

參考文獻

[1]蒲彧.美國工程學士能力培養研究[D].大連：大連理工大學，2010.

[2]崔軍.回歸工程實踐：我國高等工程教育課程改革研究[D].南京：南京大學，2011.

[3]郝娟，肖定國，賈玉平.《機電一體化系統設計》課程教學改革探討[J].教育教學論壇，2012（36）：29-30.

*教改項目：貴州大學教育教學改革研究項目（No.JGYB201509）；貴州大學教育教學改革重點研究項目（No.JG2013010）。

作者：曹陽，貴州大學機械工程學院，博士，主要從事機械電子工程與摩擦磨損方面的研究和教學工作；楊桃月，通訊作者，貴州廣播電視大學實訓中心實驗師，主要從事機械電子工程方面的研究和教學工作（550023）；張大斌、蔡家斌、楊綠，貴州大學機械工程學院（550025）。