新工科與工程認證背景下《機電一體化產品設計》的教學改革探索

楊依領，崔玉國

(寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波)

一 引言

《機電一體化產品設計》是高等工科院校機械制造及其自動化專業的一門專業必修課，主要向學生介紹機電一體化技術的基礎理論和設計方法，提升學生對機電一體化產品進行分析設計的能力[1-3]。通過學習本課程，學生科學的思維觀以及工程師嚴謹細致的工作作風得到培養，專業理論知識轉化為實際工程產品設計的能力得到相應提升，也有益于學生進行專業課程設計、畢業設計以及畢業后進行相關專業技術工作。經過課堂教學、平時作業、期末考試和實驗操作等環節，學生對專業理論知識的掌握得到增強，理論應用于工程、多人團隊協作以及自主學習的能力也得到極大培養。

然而分析機電一體化課程教學現狀以及機械專業學生就業狀況，可以發現課程理論與實踐弱關聯、學生能動性不足且缺乏工程思維以及存在就業困境。究其根本原因，相當程度上源于機電一體化實踐訓練不足以及學生缺乏將專業理論轉化為工程實踐的能力。近年來，在國家科技革命和產業創新等戰略方針政策指導下，教育部及高等院校大力推進新工科建設及專業工程認證，對高校課程教學提出了更多要求以及基本改革理念[4-6]。因此，探索《機電一體化產品設計》課程教學改革，并培養學生將專業理論知識轉化工程實踐的能力，是極其重要的，值得以培養應用型人才為目標的機械專業和高校進行深入研究。

二 制定課程目標

專業基礎課程目標的設定，需結合機械專業學生的情況及人才培養的具體要求，仔細描述課程學習后應掌握的理論知識及應具備的素質能力。課程目標的制定會直接影響理論教學與實踐環節的組織與實施，也會影響對學生學習達成度評判及后續教學的持續改進[7]。根據工程教育專業認證標準，課題組以機械專業培養目標為基礎，結合圖1中本課程對畢業要求的支撐關系以及相應達成環節，確定了圖2所示的《機電一體化產品設計》課程目標，其中課程目標1和課程目標2分別在課程達成度中占據0.8和0.2的權重。

圖1 課程目標與畢業要求關系

圖2 課程目標

三 優化理論教學

鑒于學生所掌握的課程學科內容較為有限，課程內容需嚴格、精心地選擇，并保證基本原理、原則和知識在邏輯上的連貫性[8]。分析教材關鍵性知識以及學生易誤解和難理解部分可知，本課程重點內容為精密機械技術、傳感檢測技術、伺服驅動技術、計算機控制技術、建模與仿真方法、接口技術以及設計準則。為了使授課邏輯清晰，并凸顯課程重點，課題組對理論教學內容及目標進行了整合優化，確立表1所示的理論教學安排。

表1 理論教學安排

四 改進實踐環節

提升學生在機電一體化系統方面的實踐性是機械專業最核心的建設內容，這是由機械專業面向實踐、面向應用的自身特點決定的。所以，充足的實踐訓練是機械專業人才成才的必備條件。另一方面，也符合國家發展規劃及教育方針導向。本課程教育的精髓在于實踐與應用，培養的機械專業人才最終歸宿也是服務于機電一體化產品設計實踐。因此，課程實驗設置需圍繞理論教學主線，且覆蓋重點內容。為了使課程理論教學與實踐環節有機結合，課程實踐環節安排如表2所示。

表2 實踐環節安排

五 加強考核評價

為了評定和分析學生學習效果，也為了后續教學改進，課題組對課程成績考核和達成度評價進行了設計。具體地，課程采用課堂討論和表現(10分)、平時作業(20分)、期末考試(50分)和實驗操作(20分)相結合的方式，對學生進行考核。

在課堂討論和表現部分，如果學生交流態度積極，條理清晰，方案論述正確、可行，且方案方式多樣化，可給予8-10分；若學生交流態度積極，條理清晰，方案論述正確、可行，可給予5-7分；若學生交流態度尚可，條理基本清晰，方案論述基本正確，可給予3-5分；若學生交流態度敷衍，方案論述錯誤多、不可行，則給予0-2分。在平時作業部分，若學生平時作業嚴格按要求并及時完成，正確率95%以上，沒有抄襲情況，可給予18-20分；若作業按要求并及時完成，正確率80%至95%，沒有抄襲情況，可給予12-17分；若不能按照作業要求，未及時完成次數少于三次，但改正及時，態度端正，可給予9-11分；若不能按照作業要求，未及時完成，未及時完成次數大于三次，老師指出后改正態度端正并補充完成，可給予6-8分；若不能按照作業要求，未及時完成，老師指出仍不改正次數達三次以上，則給予0-5分。實驗操作的評分標準見表3，實驗操作和期末考試可按百分制評分，總評后折算成相應分數。

表3 實驗評分標準表

最后，課程目標達成度的具體計算方法描述為：

表4則給出了課程目標達成度計算的詳細依據。

表4 課程達成度計算比例

六 實際應用案例

本課程結合課堂教學、平時作業、期末考試和實驗操作等形式，綜合地對學生課程目標達成進行考核，利用平時、實驗和期末成績等來考查學生們課程目標的達成情況。以我校2017級機械制造及其自動化專業學生為例，采用上述評價方式對《機電一體化產品設計》課程目標1和課程目標2的達成度進行了計算，如表5所示。

表5 課程達成度計算

2017級機械專業學生的2個課程目標達成度分別為0.81及0.85。2017級和2016級學生《機電一體化產品設計》課程目標達成度評價值的柱狀圖如圖3所示。通過分析表5和圖3可知：

圖3 課程目標達成度

（1） 2017級學生的課程目標1達成度為0.81，較上一屆0.74的達成度有所上升。課程目標1主要考查學生分析及設計機電一體化產品的能力，主要教學內容是機電一體化產品的機械部分、電氣部分和接口技術，學生對這一指標點的掌握基本達到期望值。

（2）課程目標2的達成度為0.85，較上一屆0.84的達成度略有提升。課程目標2主要通過實驗操作環節考查學生綜合利用所學專業理論知識的能力，主要內容是機器人及其運動控制實驗、齒輪傳動系統的動力學建模及特性仿真實驗、直流伺服電動機閉環控制實驗、矩陣鍵盤編程實驗和步進電機驅動控制實驗，學生對這一指標點的掌握較好。

針對課程目標的達成情況，后續持續改進措施為：

（1）學生在掌握課程目標1，存在不能很好地理解系統參數如何影響機電一體化系統靜動態特性、接口原理等方面問題，對此，需要在今后的教學中，加強學生對這些方面的理解和掌握，增強學生對PWM調速原理及硬件實現方面的相關知識的掌握程度。

（2）學生在掌握課程目標2，存在不能有效地利用專業軟件對機電一體化系統模型進行仿真分析等問題，對此，需要在今后的教學中，加強學生對專業軟件相關指令代碼的熟悉及運用程度。

七 結語

本文結合《機電一體化產品設計》課程對學生畢業要求的支撐關系以及相應達成環節，并考慮機械專業的培養目標，以新工科及工程認證指導理念為基礎，從制定課程目標、優化理論教學、改進實踐環節和加強考核評價方面進行了教學改革與探索。該教學改革不僅增強了學生理論聯系實際的能力，也利于課程目標達成度的分析評價以及后續教學的持續改進。