案例教學(xué)法在“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)” 課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

張志強(qiáng)　汪文津　趙堅(jiān)　李建軍

摘 要 針對(duì)傳教學(xué)模式中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力方面有所欠缺的問(wèn)題，將案例教學(xué)法引入“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中，提高學(xué)生在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。以插管焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)為案例的教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明引入案例教學(xué)法在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程興趣、提高學(xué)生在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力方面是有效的。

關(guān)鍵詞 案例教學(xué)法 機(jī)電一體化 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 創(chuàng)新意識(shí)

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.04.056

Abstract The students' innovation consciousness and innovation ability in mechatronics system design were improved by introducing the case teaching method into the course of "mechatronics system design" for solving the question in cultivating students' innovation consciousness and innovation ability in the traditional teaching mode. It is proved that case teaching method was introduced into the curriculum was effective to stimulate students' learning interest and improve students' in the design of mechatronic system innovation consciousness and innovation ability by the result of teaching practice case of the development of branch pipe welding system.

Key words Case teaching method； mechatronics； system design； innovation consciousness

0 前言

“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”是機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主要專(zhuān)業(yè)課程，其任務(wù)是通過(guò)機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、控制原理、伺服系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)等諸方面基本知識(shí)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟、過(guò)程和方法，它是機(jī)械專(zhuān)業(yè)中總結(jié)性較強(qiáng)的課程，對(duì)提高機(jī)電專(zhuān)業(yè)類(lèi)畢業(yè)生的綜合專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)及專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新能力十分重要。在教學(xué)過(guò)程中，傳統(tǒng)教學(xué)存在難以對(duì)學(xué)生機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力進(jìn)行有針對(duì)性的培養(yǎng)的問(wèn)題。

1 將案例式教學(xué)法引入“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)的可行性

高等學(xué)校應(yīng)面向國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才。在機(jī)電一體化設(shè)備地位愈來(lái)愈重要的今天，培養(yǎng)具有設(shè)計(jì)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力高校畢業(yè)生是高等學(xué)校教育任務(wù)的必然要求。

案例教學(xué)，是一種開(kāi)放性、互動(dòng)性較強(qiáng)的教學(xué)方式。在課堂教學(xué)前要進(jìn)行周密的策劃和準(zhǔn)備，選擇特定的案例并指導(dǎo)學(xué)生提前閱讀；課堂上要組織學(xué)生開(kāi)展討論或爭(zhēng)論，形成反復(fù)的互動(dòng)、交流、辯論，通過(guò)各種信息、知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、觀(guān)點(diǎn)的碰撞來(lái)達(dá)到啟示理論和啟迪思維的目的。案例教學(xué)法的主要優(yōu)勢(shì)在于給予學(xué)生較大程度的自主發(fā)揮、自由創(chuàng)造的空間，能夠有效實(shí)現(xiàn)學(xué)生由注重知識(shí)向注重能力方向的轉(zhuǎn)變，適用于有一定的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)背景知識(shí)學(xué)生。案例教學(xué)的不足主要是相關(guān)課程知識(shí)不易有效地、系統(tǒng)地進(jìn)行傳授，如何保證學(xué)生學(xué)習(xí)效果考核的客觀(guān)性存在一定程度的困難等。

而傳統(tǒng)教學(xué)模式中注重知識(shí)系統(tǒng)傳授、考核明確客觀(guān)是其突出的優(yōu)點(diǎn)，但在培養(yǎng)學(xué)生的當(dāng)前所必備的創(chuàng)新能力方面有一定程度的欠缺。兩種教學(xué)模式存在一定程度的互補(bǔ)性。如何在有限的課時(shí)內(nèi)既實(shí)現(xiàn)知識(shí)的系統(tǒng)傳授，又實(shí)現(xiàn)案例教學(xué)的各個(gè)過(guò)程，有著相當(dāng)?shù)睦щy。但在機(jī)電一體系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程中，將此兩種方式進(jìn)行有機(jī)融合有一定的有利條件：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程通常是安排在機(jī)械、機(jī)電專(zhuān)業(yè)類(lèi)學(xué)生在大學(xué)生四年級(jí)上半期進(jìn)行，學(xué)生的基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課均已修完，具有一定的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。當(dāng)然，有些學(xué)生課程欠帳較多，基礎(chǔ)知識(shí)較弱，需要教師運(yùn)用相當(dāng)?shù)姆椒ㄈス膭?lì)、激勵(lì)他們補(bǔ)上欠賬并完成新任務(wù)，在大四學(xué)生心思相對(duì)較散的情況下，這是有較大難度的。

2 案例式教學(xué)法在“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)的具體實(shí)施

2.1 教學(xué)案例的選取

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的是機(jī)電專(zhuān)業(yè)知識(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的綜合運(yùn)用，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)者站在機(jī)電一體化的全局角度去設(shè)計(jì)和優(yōu)化機(jī)電一體化的系統(tǒng)。同時(shí)，也要考慮教學(xué)主體學(xué)生的理解和接受能力。因而所選擇的案例要兼顧知識(shí)的綜合性、實(shí)用性、創(chuàng)新性與系統(tǒng)的復(fù)雜程度適中相結(jié)合。經(jīng)考慮，選用便攜式插管焊接設(shè)備開(kāi)發(fā)作為案例教學(xué)的基本案例。

確定此案例作為機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的主講案例是基于以下幾點(diǎn)考慮：插接管道焊接系統(tǒng)的便攜化、工作現(xiàn)場(chǎng)化、價(jià)格低廉化、操作便利化是插管焊接相關(guān)各行業(yè)的迫切要求，因而此案例為較強(qiáng)的工程實(shí)踐背景；此案例在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，包括控制電機(jī)選擇、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇與設(shè)計(jì)等內(nèi)容；在電氣方面包括基本電路設(shè)計(jì)、電氣元器件選擇與搭配，傳感器的選擇等；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，包括硬件平臺(tái)的搭建，也包括軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其內(nèi)容涵蓋了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的絕大部分內(nèi)容；難度適中且有一定的基礎(chǔ)，先期已通過(guò)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“便攜式插接管道焊接系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”對(duì)此案例內(nèi)容進(jìn)行研究，從項(xiàng)目完成過(guò)程看，學(xué)生通過(guò)努力可以較好地完成此案例的全部工作。

2.2 教學(xué)案例與傳統(tǒng)教學(xué)具體內(nèi)容融合步驟

在課堂教學(xué)前，要進(jìn)行如下準(zhǔn)備工作：由于機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的提出有其自身的特點(diǎn)，它總是在一定的基礎(chǔ)上提出然后不斷改進(jìn)形成的，所以針對(duì)每個(gè)子案例，教師都要準(zhǔn)備一至兩套簡(jiǎn)要技術(shù)方案路線(xiàn)來(lái)為學(xué)生作為參考，使得學(xué)生能夠按時(shí)提出較為合理的技術(shù)方案；根據(jù)五個(gè)子案例內(nèi)容做好學(xué)生的分組工作，共十組，每?jī)山M負(fù)責(zé)一個(gè)子案例，對(duì)每個(gè)子案例給出幾種技術(shù)可能實(shí)現(xiàn)方案，由各組學(xué)生在課下完成相關(guān)方案選擇與細(xì)化，并完成相應(yīng)的辯論預(yù)案。

在課堂進(jìn)行中，一次課堂教學(xué)完成一個(gè)子案例的教學(xué)任務(wù)。教師只是負(fù)責(zé)情景導(dǎo)入及必要的啟發(fā)工作，由負(fù)責(zé)此子案例的兩組學(xué)生自主完成案例完成方案設(shè)計(jì)、討論與辯論任務(wù)。經(jīng)試驗(yàn)，課堂上比較合適的安排如下：

（1）設(shè)計(jì)方案講述：每次由負(fù)責(zé)同一個(gè)子案例兩個(gè)小組根據(jù)各自預(yù)先完成的PPT闡述各自的設(shè)計(jì)方案，每個(gè)小組講5-10分鐘，共需要10-20分鐘。

（2）兩小組成員相互辯論環(huán)節(jié)，先就A組方案進(jìn)行討論， 由B組同學(xué)主要指出其方案的不足，A組同學(xué)就本組方案進(jìn)行辯論，此過(guò)程安排15～20分鐘。然后按同樣方法就B組方案進(jìn)行討論，兩種方案的討論共需30～40分鐘。

（3）班內(nèi)其他同學(xué)對(duì)兩種方案評(píng)論環(huán)節(jié)：由班內(nèi)同學(xué)自由發(fā)言對(duì)兩種方案進(jìn)行評(píng)論，最后選擇出最優(yōu)方案或提出其他設(shè)計(jì)思路，對(duì)于各小組方案的不足可提出補(bǔ)救或改進(jìn)意見(jiàn)。此過(guò)程安排20分鐘左右。

（4）教師評(píng)論啟發(fā)環(huán)節(jié)：教師應(yīng)從以下幾個(gè)方面對(duì)本節(jié)案例課程進(jìn)行總結(jié)，首先對(duì)兩組學(xué)生準(zhǔn)備方案的態(tài)度、由所設(shè)計(jì)方案和答辯過(guò)程中所體現(xiàn)的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)；然后對(duì)學(xué)生所提出方案的本身優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并根據(jù)情況對(duì)已經(jīng)提出設(shè)計(jì)方案改進(jìn)或補(bǔ)救意見(jiàn)進(jìn)行總結(jié)；最后根據(jù)具體情況對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)思路進(jìn)行啟發(fā)，如可以提出其他設(shè)計(jì)思路等。

3 兩種教學(xué)模式下學(xué)生的教學(xué)效果對(duì)比

在兩屆學(xué)生中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)學(xué)生問(wèn)卷和試卷成績(jī)測(cè)評(píng)來(lái)比較不同教學(xué)模式下的教學(xué)效果。分別對(duì)兩屆學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比如見(jiàn)表1，其中2015屆是按傳統(tǒng)教學(xué)法講授課程，2016屆學(xué)生引入案例教學(xué)法講授本課程，同時(shí)將課程成績(jī)統(tǒng)計(jì)結(jié)果也列入表1中。

在表1中：

F1：機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論掌握程度（%）

F2：機(jī)械結(jié)構(gòu)選擇掌握程度（%）

F3：電氣元件選擇掌握程度（%）

F4：硬件平臺(tái)選擇掌握程度（%）

F5：對(duì)軟件編程的掌握程度（%）

F6：對(duì)于案例與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合的滿(mǎn)意度（%）

注：對(duì)于F1至F5，0%為完全不能掌握，100%為完全掌握。對(duì)于F6，0%為完全不能滿(mǎn)意，100%為完全滿(mǎn)意。

從表1可以看出，學(xué)生在對(duì)于新的教學(xué)模式是比較認(rèn)可的，且從客觀(guān)上看，其成績(jī)也有較大的提高，因而此種方式對(duì)于專(zhuān)業(yè)綜合類(lèi)課程是比較適合的。從學(xué)生進(jìn)行案例各部分的內(nèi)容制作來(lái)看，學(xué)生熱情很高，同時(shí)確實(shí)涌現(xiàn)了許多較新想法，其中有些想法已經(jīng)成功申請(qǐng)了國(guó)家專(zhuān)利。通過(guò)兩屆學(xué)生的對(duì)比教學(xué)，可以看出，在“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程中引入案例教學(xué)法能夠提高學(xué)生對(duì)于本課程的學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)電一體系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行較深入的思考，提高了其對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

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