新工科與智能制造背景下的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計實踐教學(xué)新模式探討

譚海艷，江卓達(dá)，李清香，彭曉玲

（九江學(xué)院機械與智能制造學(xué)院，江西九江 332005）

2017年2月，教育部提出推進(jìn)“新工科”建設(shè)，“新工科”是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、人才培養(yǎng)新模式的背景下提出的，是未來我國高等教育發(fā)展的新思維、新方式、新舉措[1-3]。機械制造及自動化專業(yè)跨越機械、信息、材料和控制等學(xué)科，具有明顯的交叉特征，自然為新工科領(lǐng)域改革的主流專業(yè)。而《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》是機械專業(yè)一門很重要的專業(yè)綜合課程，它重點培養(yǎng)機電系統(tǒng)方面的基本理論、方法和應(yīng)用的能力，是一門綜合性很強的課程。

智能制造是先進(jìn)制造技術(shù)和新一代信息技術(shù)的深度融合[4,5]。《中國制造2025》從國家戰(zhàn)略層面提出了智能制造的發(fā)展目標(biāo)，其關(guān)鍵在于：面對新形勢、新要求，培養(yǎng)能夠突破智能制造關(guān)鍵技術(shù)的高層次人才、能夠開發(fā)和改進(jìn)智能制造技術(shù)的專業(yè)人才、愛崗敬業(yè)和技術(shù)精湛的高技能人才，國內(nèi)高校迫切需要結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求，深化教學(xué)改革。在人才培養(yǎng)方面，探索新工科+智能制造模式背景下的人才培養(yǎng)新模式，其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是相關(guān)核心課程的教學(xué)改革和創(chuàng)新。

然而，傳統(tǒng)的《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》實踐教學(xué)所選項目往往陳舊或與現(xiàn)實脫節(jié)，越來越顯現(xiàn)出諸多弊端。傳統(tǒng)的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計實踐教學(xué)依附于理論課程的教學(xué)體系，這種實踐教學(xué)方法存在如下問題：（1）實踐課程僅僅是對理論知識的簡單驗證。（2）實驗內(nèi)容重復(fù)，完整性不足。（3）實驗內(nèi)容陳舊，不能很好地體現(xiàn)出現(xiàn)代科技發(fā)展水平。（4）缺乏對學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。（5）在實踐教學(xué)過程中，缺少對學(xué)生思想和行動進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生增強使命感，更好地服務(wù)于社會主義發(fā)展的環(huán)節(jié)。

一、明確實踐課程目標(biāo)

《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》作為一門獨立開設(shè)的課程開設(shè)于第7學(xué)期，64學(xué)時，其中實踐課程有32學(xué)時，開設(shè)的目的是將《單片機原理及應(yīng)用》《機電傳動控制》《液壓與氣動傳動》《工程控制基礎(chǔ)》《電氣控制與PLC》《傳感檢測技術(shù)》等前期學(xué)習(xí)的課程知識融會貫通，并借助具體的實驗對象，構(gòu)建現(xiàn)代機械系統(tǒng)的整體概念，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，增強學(xué)生動手實踐能力和獨立思考能力，鍛煉學(xué)生團(tuán)隊合作能力，最終讓學(xué)生能夠解決復(fù)雜的工程問題。

針對這種綜合多門課程且有工程應(yīng)用背景的實踐課程，如何學(xué)習(xí)理論知識，培養(yǎng)學(xué)生對機電一體化系統(tǒng)的分析設(shè)計能力、具備對現(xiàn)代機電產(chǎn)品的創(chuàng)新能力，是教師和學(xué)生在教學(xué)過程中面臨的主要問題[6，7]。本文以《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》實踐課程為研究對象，就如何加強實踐課程建設(shè)，以及新工科人才培養(yǎng)問題的探索，對實踐課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式進(jìn)行改革。

二、實踐課程內(nèi)容調(diào)整

根據(jù)我院目前所開設(shè)的機械設(shè)計及自動化專業(yè)教育的實際情況，淘汰滯后的內(nèi)容，按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，科學(xué)合理地設(shè)置課程項目；結(jié)合國內(nèi)外本學(xué)科最先進(jìn)的成果，將新技術(shù)、新知識、新成果納入實踐課程的教學(xué)，這要求教師與時俱進(jìn)，不斷掌握新技術(shù)、新知識再傳授給學(xué)生；推動多學(xué)科交叉融合，增加“跨學(xué)科”項目等，強調(diào)專業(yè)課程的廣度。新工科不僅要求教師不斷更新自己儲存的知識，還要充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，調(diào)動學(xué)生的積極性，師生互動提高教與學(xué)的質(zhì)量。積極探討產(chǎn)教研融合、成果導(dǎo)向以及混合式等多種教學(xué)模式的運用。打破傳統(tǒng)的實踐實驗演示教學(xué)模式，建立不同層次的實驗項目，加強項目開發(fā)，提高學(xué)生的實踐能力。以倡導(dǎo)學(xué)生自主性學(xué)習(xí)為目的，精選實驗內(nèi)容，將實踐課程優(yōu)化整合為專業(yè)基礎(chǔ)實驗、綜合設(shè)計實驗、開放性實驗三個層次，根據(jù)這三個層次，重新組建實驗項目，制定新的實踐教學(xué)計劃和大綱。

三、實踐課程改革策略

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計是微電子學(xué)和計算機技術(shù)滲透到機械工業(yè)的過程中形成和發(fā)展起來的一門綜合學(xué)科，這門技術(shù)的應(yīng)用不僅改善和擴(kuò)展了機電產(chǎn)品的性能，也使機械行業(yè)在技術(shù)和結(jié)構(gòu)方面，生產(chǎn)方式和管理制度等發(fā)生了很大變化，提高了制造設(shè)備的工作質(zhì)量。學(xué)習(xí)本課程對于培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用基礎(chǔ)和專業(yè)知識，掌握以系統(tǒng)論、信息論和控制論為核心的機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計基本原理和方法，掌握機電一體化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)有著重要意義。結(jié)合本實踐課程特點和學(xué)生課程學(xué)習(xí)緊湊的特點，我們借鑒翻轉(zhuǎn)教學(xué)思想，教學(xué)模式圖見圖1。提出課前預(yù)習(xí)，課中教學(xué)探究，課后合作完成小項目的教學(xué)模式及過程。構(gòu)建了層次化實踐教學(xué)的方案，主要分為專業(yè)基礎(chǔ)實驗、綜合設(shè)計實驗、開放性工程創(chuàng)新實驗三個層次。

圖1 翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)模式圖

（一）翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式及過程

首先，課前預(yù)習(xí)，以自學(xué)為主。分為：復(fù)習(xí)課本相關(guān)知識或上節(jié)課的知識點→輸入新知→新舊知識沖突→初步理解實踐課程等四個環(huán)節(jié)，鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識。具體實施方案為：教師設(shè)計課前學(xué)習(xí)資料，通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺將相關(guān)實踐內(nèi)容和實踐要求等資料發(fā)給同學(xué)們學(xué)習(xí)，復(fù)習(xí)理論知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機；學(xué)生觀看實踐教學(xué)視頻，獲得新知識，對比新知識和已有知識，找到切入點、平衡點和關(guān)聯(lián)點；在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺上，學(xué)生和學(xué)生之間、學(xué)生和老師之間可以交流學(xué)習(xí)所遇到的問題和想法，在交流中克服認(rèn)知障礙，獲得新認(rèn)知；課前進(jìn)行檢測，及時反饋學(xué)生課前學(xué)習(xí)情況，教師實時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

其次，課中教學(xué)探究。課堂上，每個班級分成若干個學(xué)習(xí)小組，以探究和協(xié)作為主。課中的具體任務(wù)是：教師根據(jù)課前檢測和本節(jié)課的具體實踐內(nèi)容，選擇針對性的問題和課程核心知識點進(jìn)行講解；引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)的內(nèi)容與實際問題聯(lián)系起來，激發(fā)學(xué)生的求知欲，主動去探究，學(xué)生之間互相探討，達(dá)成對課程的問題理解；不同學(xué)生有不同的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，用不同的思維方式共同構(gòu)思每節(jié)課的小項目方案，讓學(xué)生在群體討論和認(rèn)知中形成新的智慧，完成項目最終方案的確定；小組成員分工合作，將設(shè)計方案轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H作品，在完成作品過程中，教師隨堂指導(dǎo)，學(xué)生不斷克服困難，將知識轉(zhuǎn)化為解決實際問題的能力。

最后，課后合作完成小項目。各小組將完成的作品提交到網(wǎng)絡(luò)平臺，展示成品，分享創(chuàng)作過程，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，同時開展互評，提取容易接受的顯性知識，提出優(yōu)化方案；各小組對作品進(jìn)行完善，教師評價作品，進(jìn)行總結(jié)補充知識點。

通過課前預(yù)習(xí)和測試，課中探究學(xué)習(xí)和分工合作、課后評估總結(jié)的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式，體現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)的素養(yǎng)領(lǐng)域：認(rèn)知領(lǐng)域、自我領(lǐng)域和人際領(lǐng)域。課前預(yù)習(xí)和測驗，讓學(xué)生了解即將學(xué)習(xí)的知識，能夠喚醒學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，能夠反饋課前預(yù)習(xí)情況。課堂上對項目進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，然后分工協(xié)作，完成實際作品，將知識和實踐能力統(tǒng)一，這是翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式的核心，學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程中，實現(xiàn)知識遷移，提高應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的能力，同時，學(xué)生能夠得到良好的成就感。課后作品展示和互評，能夠升華所學(xué)知識，不斷完善作品，總結(jié)知識點為后期的教與學(xué)提供參考。該教學(xué)過程融合線上預(yù)習(xí)、評價與線下實踐探究，采用網(wǎng)絡(luò)平臺視頻教學(xué)、課堂探究及協(xié)作和互評等方式完成該課程的實踐教學(xué)。

圖2 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計實踐課程建設(shè)方案

（二）層次化實踐教學(xué)方案

第一層次為專業(yè)基礎(chǔ)實驗。此層次主要包含液壓與氣動傳動、電氣控制與PLC、機電傳動控制、傳感檢測技術(shù)等基礎(chǔ)理論課程的實驗實踐。以演示性和驗證性實驗為主。主要是對學(xué)生機電一體化產(chǎn)品的基本知識和基本實踐能力的培養(yǎng)。

專業(yè)基礎(chǔ)實驗方案采用機電一體化物理模型，我校實驗室已經(jīng)購買某公司開發(fā)的材料分揀和機械手物理模型。該模型包括機電一體化的五大組成部分：機械本體部分為系統(tǒng)的所有功能要素的機械支持結(jié)構(gòu)，一般包括有機身、框架、支撐、滑桿和連接等；執(zhí)行部分有同步帶傳動、滾珠絲杠傳動、氣缸、電磁閥和氣動三聯(lián)件等；控制及信息處理部分有可編程控制器PLC；傳感檢測部分有光電碼盤，電感傳感器、電容傳感器、顏色傳感器和限位開關(guān)等；動力驅(qū)動部分有步進(jìn)電機及步進(jìn)電機驅(qū)動器、直流穩(wěn)壓電源和直流電機及電機驅(qū)動模塊等。利用該系列物理實驗?zāi)Ｐ停蓾M足液壓與氣動傳動、電氣控制與PLC、機電傳動控制、傳感檢測技術(shù)等課程實驗需求，加強學(xué)生對機電一體化系統(tǒng)的理解和認(rèn)知。

第二層次為綜合設(shè)計實驗。該層次的實驗教學(xué)我們采用自動生產(chǎn)線實訓(xùn)裝置，該實訓(xùn)裝置主要對學(xué)生進(jìn)行綜合設(shè)計能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生自己根據(jù)綜合實訓(xùn)平臺設(shè)計實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生機電一體化技術(shù)綜合運用的能力和素質(zhì)。該綜合實訓(xùn)平臺面向綜合類課程《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》，給學(xué)生提供綜合設(shè)計實驗平臺。

該實訓(xùn)裝置采用單元模塊化方式設(shè)計，由輥道上料單元、加工沖壓單元、搬運裝配單元、雙工位上料單元和堆垛搬運單元五大模塊組成。該裝置采用型材結(jié)構(gòu)，其上安裝有觸摸屏、井式供料、沖壓加工、多工位上料、氣動機械手搬運、皮帶傳送等工作站及相應(yīng)的電源模塊、按鈕模塊、PLC模塊、變頻器及交流電機模塊、步進(jìn)電機驅(qū)動模塊、伺服電機驅(qū)動模塊和各種工業(yè)傳感器等控制檢測單元。自動生產(chǎn)線的工作流程為：黑、白色大工件安放在井式工件架中，設(shè)備啟動后，大工件進(jìn)入輥道上料單元，通過傳送帶傳送到自動擺臺，并完成視覺傳感器識別；通過搬運機械手將大工件搬運到加工沖壓單元的加工臺上進(jìn)行沖壓加工，沖壓完成后，工作臺移到初始位置等待裝配；雙工位井式上料單元的推料氣缸推出小工件；搬運裝配單元吸盤機械手吸取小工件，搬運到帶裝配的大工件處進(jìn)行裝配；完成裝配后，堆垛搬運單元的機械手將裝配好的工件放置到倉庫。通過自動生產(chǎn)線實驗平臺的各個模塊和PLC工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動，真實再現(xiàn)工業(yè)自動生產(chǎn)線中的供料、檢測、搬運、沖壓加工、裝配、輸送、分揀過程。

在該實驗平臺上，學(xué)生以組為單位進(jìn)行實驗方案設(shè)計，完成實驗內(nèi)容包括氣動控制回路安裝與調(diào)試、電氣控制電路的安裝和PLC程序編寫和PLC工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的安裝及調(diào)試等。在該實訓(xùn)裝置上，可以充分鍛煉學(xué)生的自動生產(chǎn)線拆裝、調(diào)試、設(shè)計和工程實施能力以及團(tuán)隊協(xié)作能力和安全意識，是解決機電一體化設(shè)備實際工程問題的基礎(chǔ)。

第三層次為開放性創(chuàng)新實驗，主要完成對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。該層次實驗主要以本校學(xué)生參加創(chuàng)新大賽的作品為實驗對象，通過讓學(xué)生參與產(chǎn)品構(gòu)思、設(shè)計、實施到運行全過程，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和解決機電一體化產(chǎn)品領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，以便走向社會就業(yè)后能盡快適應(yīng)社會需求。

基于新工科和智能制造背景下的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的創(chuàng)新訓(xùn)練實踐。開放性創(chuàng)新實驗這一層次，對學(xué)生能力的培養(yǎng)提出了更高的要求，不僅要求學(xué)生對本學(xué)科知識的熟練運用，更注重學(xué)生在設(shè)計產(chǎn)品時所表現(xiàn)的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。我們提出了以本校學(xué)生參加創(chuàng)新大賽的作品為實踐項目的設(shè)想，學(xué)生3-4人組成創(chuàng)新項目小組，提供必要的設(shè)計工具、元器件和場地。以我校獲得全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽一等獎作品智慧搖臂式避雨晾衣架為例，進(jìn)行開放性創(chuàng)新實驗項目設(shè)計。通過構(gòu)思階段、設(shè)計階段和實施階段，完成開放性實驗項目。

（三）立德樹人與專業(yè)實踐結(jié)合

工程教育的關(guān)鍵是對人才的培養(yǎng)。因此，在教學(xué)改革中，必須培養(yǎng)學(xué)生正確的人生觀，價值觀[8]。引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，增強學(xué)生的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，有大局意識和核心意識。培養(yǎng)學(xué)生善于鉆研、不畏困難的工匠精神。只有具有工匠精神，學(xué)生才會熱愛自己的職業(yè)，才能更好地做好本職工作，發(fā)揮出最大的創(chuàng)造力。在教學(xué)的過程中，通過播放《我和我的祖國》等視頻的片段，展現(xiàn)國家的成就以及大國工匠精神，以此增強學(xué)生的民族自豪感與文化認(rèn)同感。

四、結(jié)束語

新工科和智能制造背景下，要求高校以新理念、新模式培養(yǎng)具有可持續(xù)競爭力的創(chuàng)新型卓越工程人才。而傳統(tǒng)的實踐課程教學(xué)內(nèi)容和方法，多數(shù)以知識傳授和專業(yè)能力培養(yǎng)為主，學(xué)生缺少各種創(chuàng)作機會，學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)新性不能充分發(fā)揮。為滿足對高校“新工科”人才培養(yǎng)的迫切要求，本文根據(jù)目前機械制造及自動化專業(yè)方向和學(xué)生的實際情況，提出采用翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式對該實踐課程進(jìn)行改革，并對目前的實踐課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，增加開放性創(chuàng)新實踐項目，讓學(xué)生在實踐中拓寬視野，增長能力，具有一定的分析、研究、解決問題的能力。除此之外，還要確立“立德樹人”的人才觀，培養(yǎng)德才兼?zhèn)洹⒂掠趽?dān)當(dāng)?shù)慕ㄔO(shè)者。今后工作中，我們要不斷改革實踐，探索新工科和智能制造背景下的高校實踐課程教學(xué)新模式，構(gòu)建具有可持續(xù)競爭力的實踐教學(xué)體系，培養(yǎng)符合未來經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展需求的新型技能型人才和新工科創(chuàng)新人才。