“機電一體化系統”課程教學改革探討＊

彭精立，沈 楊，李 星，李淑梅，姚婷梅

（廈門工學院柔性制造裝備集成福建省高校重點實驗室，福建 廈門 361021）

機電一體化是多學科技術領域綜合交叉的技術密集型系統工程[1]。“機電一體化系統”課程是多學科交叉、滲透的綜合性課程，是機械電子工程專業課程的重要組成部分，對學生系統性掌握“機電一體化系統”中各單元選型和設計能力、動手能力及創新能力具有重要作用。為達到學生綜合運用機電一體化知識解決實際工程問題的培養目標，這門多學科交叉融合、知識點多且廣的課程，部分內容需要先修課程為基礎。不同學生基礎知識水平各不相同，學習難度較大，單純的傳統講授教學方式不能適應“機電一體化系統”這樣綜合性強的課程。本文針對教學過程中存在的問題，提出教學方式、方法的改革思路。

1 存在問題

通過調查問卷及座談等方式發現，“機電一體化系統”課程在教與學的過程中存在以下主要問題。

1）課程教學知識點多且不連貫，存在跳躍性，學生很難形成框架邏輯，缺少系統性的學習和思考；

2）各章節知識中穿插部分已經學過的基礎知識，講授已經學過的基礎知識占用部分課時，并對學生產生一定困擾——即本門課程已經學過重復學習的意義在哪里；

3）綜合性課程需要先修知識為基礎，講授時直接略過先修知識點，學生基礎知識掌握程度參差不齊使得新舊課程銜接不順暢增加學習難度；

4）講授過程中理論與實際結合環節較少，抽象的知識點學生難理解，導致學生缺乏學習興趣，不能將新學習的知識加以應用及深度掌握；

5）學生不能靶向復習先修知識，對先修知識普遍復習，耗時且低效，新舊知識銜接不上，心有余而力不足，最終放棄課程；

6）學生預習和復習意識淡薄，講課進度快，出現斷層，不及時補救，時間一久容易破罐子破摔。

基于以上問題，目前單純依靠課堂講授方式難以造就適應時代快速發展需要的應用型人才，需要對綜合性較強的“機電一體化系統”課程提出改革。

2 教學內容確定

“機電一體化系統”課程將機電專業大部分專業課和基礎課內容綜合在一起，在此基礎上對機電一體化系統進行選型、設計及解決實際問題等。但授課過程中教師如若不能把握機電專業培養目標及先修課程的主要內容，很容易出現“炒剩飯”，占用課時問題。為此梳理先修課程與本課程關系及相關內容重復性和連續性變得尤為重要。圖1 為授課內容與先修課程的關系，圖中“●”表示已學課程與本門課的授課內容聯系密切，“○”表示先修課程與本門課授課內容有關但聯系并不緊密。

圖1 授課內容與先修課程的關系

在圖1 中可以看出先修知識是學好機電一體化系統課程的先決條件，占有非常重要的地位。為避免知識重現占用課時，在重視先修課程的同時，督促學生課前完成先修課程知識點回顧的問題同等重要。針對碎片化的先修知識點，需要在課前短時間內突出主要內容呈現給學生的問題，輔助教學方式——“微課”是一個很不錯的選擇[2]。將與先修課程重復且內容關聯性強的知識點以“微課”的形式呈現，學生課前學習后再與新知識銜接比較順暢。同時學生逐漸意識到“磨刀不誤砍柴工”，課前短時間的回顧先修知識，自己能夠跟上課上教師的講課節奏，慢慢增加學生自信心和學習主動性。結合課上教師講授，以啟發性、情感性、形象性、互動性為原則，控制教學進度，高效、系統化地傳授知識。如此“微課”+講授法教學模式既能夠培養學生自主學習的習慣，又可以充分發揮教師職能，在有限的時間內提高教學質量。

節省的課上時間可以增加新型元器件及當代企業應用產品的相關內容，例如學生實習時參觀的五軸數控石材雕刻機、學生無人機興趣小組的無人機、金工實習時操作過的3D 打印機及機器人視覺傳感器等內容，貼近生活緊跟時代發展，與時俱進。做到在有限的教學學時中，確定授課內容輕重關系，精煉課堂講授內容，避免出現不分主次、避重就輕現象，使學生明確本門課程的學習目標，不迷失方向。

3 教學方式改革

適合的教學方式能夠有效的向學生傳授知識。為培養具有較強動手能力、解決實際問題能力和創新能力的人才，在明確教學內容的基礎上，提出適合綜合性課程教學方式改革的舉措，具體為以下幾點。

3.1 實施“總分總”授課方式增強學生系統性設計思想

機電一體化并不是機械技術和電子技術的簡單疊加，而是具有自身體系的新型學科。因此，授課時首先是收集大量機電一體化產品實例，通過視頻方式展現給學生，通過不同產品具有大致相同的組成部分來引出機電一體化系統的主要組成部分，使學生從整體上形成一個系統的框架，對機電一體化產品各組成部分有一個宏觀認識，并且增強學生好奇心，促使提高學習興趣。其次課程以某一項目為導向（例如數控機床設計實例），每一章節應用舉例都圍繞一個產品的設計對機械本體、伺服系統、傳感檢測系統、計算機控制系統及各要素和環節之間相互聯系的接口部分進行詳細講解。最后以機電一體化產品設計實例的設計過程收尾。以這種“總分總”的方式增強學生系統設計的思想，更好理解機電一體化概念，為以后進行機電一體化產品設計做鋪墊。

3.2 培養學生學習興趣

興趣是推動人認識事物、探索真理的重要動機，良好的興趣是推動人努力學習的有效途徑。首先，在機電一體化產品舉例中，多以身邊的機電一體化產品為例，講述主要組成部分及功能如何實現，使學生能夠在遇見此款產品時映射出上課所學知識，先對“機電一體化系統”課程產生初步印象，從而培養對本課程的興趣。例如，以全自動洗衣機為例，講解其檢測衣物重量、水位等的傳感器部分、行星輪減速器離合器等執行部分、模糊控制部分及能源部分的功能實現原理，通過接口連接各組成部分從而完成自動洗衣功能。在學生使用全自動洗衣機時就能將所學內容映射出來，鞏固和理解所學知識。其次，在階段性內容結束后以短視頻等形式增加前沿專業期刊的推薦，增加機電學習意識，耳濡目染，增加學習興趣，開闊眼界。

3.3 培養課前預習和課后復習習慣

本門課程特點是“時間緊任務重”，課前預習和課后復習顯得尤為重要。因此，以問題的形式概括新知識的要點引導學生課前預習和課后復習。在課前把本節課新學知識以問題的形式進行梳理，并明確本節課的重難點內容，發送至學生，使學生能夠輕松接受新學知識。課后學生可以利用這些問題判斷自己是否掌握所學知識點，視各自情況進行查漏補缺，及時解決遇到的問題，進而找到自信并增強課前預習和課后復習的主動性。例如，伺服與驅動章節中講授伺服執行元件交流伺服電動機內容時，課前將需要講授的主要內容如直流伺服電動機的分類、調速方法和選擇方法、重難點，直流伺服電動機的調速及選擇的內容通過學習通發送給學生，以供學生有針對性的進行課前預習，課后再根據講授的主要內容和重難點知識來檢驗自己學習情況，及時消化吸收所學知識，不積壓問題，保持學習的成就感。

3.4 增加理論聯系實際環節

理論與實際應用相聯系，更方便學生理解所學知識，以備后續加以應用。1）課堂講授中，為課本中工作原理講解增加實物圖片或實際應用視頻，增加學生對所學零部件的直觀性認識。并且輔以項目教學方式，例如傳感檢測系統章節，以位置、轉速、位移檢測傳感器的設計、選擇及應用內容為主。章節講授中采用數控機床為例：數控機床刀具位移檢測有不同傳感器可供選擇，如脈沖編碼器、直線光柵、旋轉變壓器、感應同步器等。在講解傳感器選擇過程中介紹各個傳感器的特點、工作原理、應用范圍、選擇方法等，使學生清楚所學內容在實際中如何應用的。2）將機電一體化系統課程設計緊跟“機電一體化系統”課程之后，讓學生通過機電一體化系統課程設計將所學知識進行應用，在設計過程中查找資料、制定方案、選型設計等，進一步加強學生對本門課程的理解，提高動手操作能力，實現理論聯系實際的教學目標。3）增加實驗環節。實驗教學在高等教學中占有重要地位，是學生理論聯系實際的重要手段，起到鞏固和理解所學知識的重要作用[3-4]。目前實驗一改之前單一性、驗證性實驗，調整為驗證性、設計性及綜合性實驗。但是經費高、實驗設備有限，增加實驗數量達不到預期要求。虛擬實驗較傳統實驗具有安全、可重復使用、操作簡單等優勢，有效解決了傳統實驗成本高的問題[5]。因此，增加虛擬實驗環節，解決實際實驗設備有限問題，將所學的機械、控制、檢測及編程內容通過虛擬仿真平臺完成選型、設計、編程、調試、控制及方案對比等實驗實訓，提高系統設計及創新能力。

3.5 思政教育融入教學全過程

“機電一體化系統”課程是機電專業核心課程，與“中國制造2025”國家發展戰略對接。并且《高等學校課程思政建設指導綱要》（高教[2020]3號）指出：“把思政教育貫穿人才培養體系，全面推進高校課程思政建設，發揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養質量”[6]。以學生為本，致力于提高人才質量。因此，課程之初通過視頻等方式解讀“中國制造2025”文件精神，使學生首先對本門課程地位有所認識，對自己的人生規劃有個初步計劃。其次在講課過程中，在機電一體化系統各部分組成、系統設計及虛擬實驗等環節穿插企業安全事故視頻、大國工匠精神等視頻，培養學生認真負責、遵守規定、精益求精、勇于創新的精神。

4 結語

“機電一體化系統”課程的內容是一個不斷發展更新的課程，教學的理念和方式方法需要不斷改革，在授課過程中不斷發現問題，及時調整教學方法。綜合性強的課程要注重授課內容梳理，理清主次，避免新舊知識重復，保持學生學習積極性。教學過程中以學生為主體，在關注知識傳授的同時更要注意學生知識吸收情況，充分利用網絡工具，培養學生學習興趣，提高教學質量，為培養適應社會發展的應用型人才貢獻力量。