結合“三位一體”的理實一體化教學模式探索

摘 要：不斷探索新工科的教學模式是推動中國高等工程教育、助力高等教育強國建設的重要舉措。開展基于理實一體化的教學創新設計，深度融合課堂講授與創新實踐的教學模式有助于培養學生對于所學知識的綜合運用，對加強本科生主動學習能力以及系統性分析和解決工程實際問題的能力具有良好的促進作用。該文結合清華大學價值塑造、能力培養、知識傳授“三位一體”教育理念，以本科生課程智能機電系統實踐為例，進行理實一體化教學改革探索。該課程通過優化理論知識與工程技術知識的課堂講授環節和以完成任務目標為導向的創新實踐環節，顯著加強本科生從課堂知識學習向動手實踐轉變的能力。

關鍵詞：新工科；三位一體；理實一體化；智能機電；創新實踐

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）28-0021-04

Abstract： Constantly exploring the teaching mode of new engineering is an important measure to promote China's higher engineering education and help build a powerful higher education country. The innovative teaching design based on the theory-practice integration and the teaching mode of in-depth combination of classroom teaching and innovative practice are helpful to further cultivate students' comprehensive application of the knowledge they have learned， and meanwhile play a significant role in promoting the active learning ability of undergraduates and their ability to systematically analyze and solve practical engineering problems. Based on the "three-in-one" education concept including value shaping， ability cultivation and knowledge impartation of Tsinghua University， this paper takes the undergraduate course of Intelligent Electromechanical System Practice as an example to explore the theory-practice integrated teaching mode. By optimizing the classroom teaching of theoretical knowledge and engineering technology knowledge and the task goal-oriented innovation practice， this course significantly strengthens the ability of undergraduates to transform from classroom knowledge learning to hands-on practice.

Keywords： new engineering; three-in-one; theory-practice integration; intelligent mechatronics; innovative practice

隨著先進制造業和高等教育規模的不斷發展和擴大，以智能制造和機器人等領域為主的新工科和新興產業對工科高等教育教學提出了新的要求，高校教學改革和創新面臨著新的機遇和挑戰[1]。

在這個背景下，理實一體化教學模式應運而生，成為高等教育的創新教學模式之一。理實一體化教學模式將課堂教學和實踐教學相結合，理論與實踐相互融合、相互支撐，實現知識的內化和運用的外化。與傳統的課堂教學模式相比，理實一體化教學模式更加注重培養學生的實踐能力和綜合素質，能夠有效提高學生的學習興趣和自主學習能力，培養創新思維和實踐技能，以滿足現代社會對高素質人才的需求[2-3]。然而，目前這一教學模式仍然需要深入探索。如何平衡課堂與實踐的比重、選擇合適的教學方法、評價學生的實踐能力等問題，需要教師在教學設計和實施過程中優化解決方案，以促進理實一體化教學模式的教學成效。

為探索理實一體化教學模式，增強學生知識水平和實踐能力，清華大學機械工程系為未央書院“數理基礎科學+機械工程”專業學生開設了一門本科生專業必修課程——智能機電系統實踐，授課對象為二年級本科生。為深入貫徹清華大學價值塑造、能力培養、知識傳授“三位一體”教育理念以及未央書院成人成才、通專融合、本博貫通的培養目標，本課程教學團隊在教學內容與教學模式等方面進行了一系列改革探索，旨在使學生能夠將機械設計、測控原理、計算機軟/硬件等知識綜合運用，并掌握圖像處理、單片機編程等相關技能，從而提升學生主動學習能力、創新思維與解決復雜問題能力以及團隊合作、組織領導能力，并取得了良好的教學成效。

在一定程度上優化教師課堂講授學時、加強學生實踐動手操作，達到學以致用，是當前高校機電類課程教學改革的一個重要方向[4-6]。經調研發現，國內外高校開設了一些類似課程，如華中科技大學機電創新決策與設計方法、上海交通大學機電系統設計與實踐、斯坦福大學Smart Project Design以及麻省理工學院Autonomous Robot Design Competition等。這些課程對培養學生創新能力和實踐能力發揮了非常積極的作用。以麻省理工學院開設的課程為例，其利用各種樂高模型搭建智能小車，實踐內容包括單片機編程、電路設計、顏色識別、電機控制以及路徑規劃算法等，但未包含機械結構設計與加工環節。與國內外高校開設的同類課程相比，智能機電系統實踐的課程目標是啟發和指導學生自主設計、加工、組裝、編程并調試獲得基于機器視覺和智能抓取的一體化機電系統。該一體化機電系統的主要功能如下：①具有機器視覺，可識別特定物體，并能通過機械手完成抓取；②具有自動導航、路徑規劃以及自主定位功能；③系統能夠穩定運行，動作可重復性良好，并具有較高的控制精度。這門課程的實施不僅優化了教師課堂講授學時，加強了學生實踐動手操作，更重要的是，使學生能夠將所學知識快速應用于實踐當中，從而達到學以致用的目的。采用這種教學模式不僅提高了學生的實踐能力和綜合素質，還為學生未來的職業發展奠定了堅實的基礎。

一 理實一體化教學內容與模式

（一） 課程教學環節

為實現上述課程目標，本課程基于理實一體化教學模式，以包含機器視覺的自動尋物與機械臂搬運這一典型智能機電系統為對象，綜合運用機械設計、電工電子、圖像處理、嵌入式系統以及自動控制理論等知識和其他先修課程，結合工程實際需求，使用機械設計和控制系統仿真等軟件工具，通過文獻調研、需求分析、機電系統方案設計與運動分析、控制電路硬件設計、視覺處理算法設計、控制硬件編程、系統綜合調試與測試、答辯環節，培養學生創新思維以及系統性分析和解決工程實際問題的能力，使所學課堂知識得到進一步鞏固、深化和擴展，如圖1所示。

在文獻調研階段，學生需要深入研究關于機械設計、電工電子、圖像處理、嵌入式系統以及自動控制理論等知識領域的相關文獻，并了解當前智能機電系統的最新發展趨勢。這一階段的任務是讓學生明確課程的目標，并為后續的實踐打下基礎。

在需求分析階段，學生需要了解機械臂搬運和自動尋物技術的應用場景、功能需求以及技術指標等方面的要求。這一階段的任務是讓學生深入理解應用場景和問題需求，為后續的系統設計和開發提供有力支持。

在機電系統方案設計與運動分析階段，學生需要進行機械結構設計、虛擬樣機設計與仿真，通過模擬仿真來完成機械臂的運動規劃和路徑優化，從而實現機械臂對物品的準確抓取和放置。這一階段的任務是讓學生將知識和技能運用到實踐中，并發揮出最大的作用。

在控制電路硬件設計、視覺處理算法設計和控制硬件編程階段，學生需要對硬件電路進行設計和調試，同時研究和開發機器視覺相關的圖像處理算法和控制程序。這一階段的任務是讓學生深入理解硬件電路和軟件程序之間的關系，從而實現機械臂對物品的自動抓取和放置。

在系統綜合調試與測試階段，學生需要將所有設計和開發的模塊進行整合，并對整個系統進行綜合測試。這一階段的任務是讓學生掌握系統綜合調試的方法和技巧，完成整個機械臂系統的調試和測試過程，并最終實現系統的穩定運行。

通過上述環節的學習和實踐，學生能夠更加深入理解機械設計、電工電子、圖像處理、嵌入式系統以及自動控制理論等知識，并且能夠運用所學知識和技能，從而設計、開發和調試出一個具有自主尋物和機械臂搬運功能的智能機電系統。在此過程中，學生將得到實踐鍛煉，提高自己的創新思維和實際問題解決能力。在答辯環節，學生需要向教師和同學進行項目演示，并詳細介紹小組設計和開發的智能機電系統的功能和特點，并對所完成的工作進行全面的總結和回顧。

綜上，智能機電系統實踐課程采用了基于理實一體化教學模式的教學方式，通過綜合運用機械設計、電工電子、嵌入式系統以及自動控制理論等知識和其他先修課程，培養學生創新思維以及系統性分析和解決工程實際問題的能力，使所學課堂知識得到進一步鞏固、深化和擴展。

（二） 課程教授內容

本課程授課時間共5周，在大二學年末暑期授課。具體而言，第一周根據課程要求進行機電系統需求分析與總體方案設計；第二周完成總體方案設計，進行機械結構與控制系統的詳細設計與分析；第三周進行零部件加工、采購以及控制系統軟件編制；第四周進行機械系統裝配與性能測試、控制系統程序編譯與硬件調試；第五周進行系統綜合調試與測試，完成系統演示、實驗報告與答辯。為優化課程考核內容，課程教學團隊還設計了單組競技賽（完成抓取任務用時最短）、多組對抗賽（在規定時間內抓取物品數量最多）等多種形式，在多組對抗賽中采用類似足球比賽的積分制方法，最終決出優勝組，并給予一定獎勵。

在基于理實一體化的智能機電系統實踐課程教學改革中，為鼓勵學生充分發揮積極主導作用，教學采用課堂講授（方式：教師授課，學生聽課并自主學習）與創新實踐（方式：學生自主設計、加工、組裝、編程、調試，教師指導）相結合的方式。課堂講授內容包括理論知識和工程技術知識兩個層次，創新實踐為在十個不同方面的實踐訓練基礎之上，由學生自主設計、加工并調試獲得一套智能機電系統，完成特定任務，如圖2所示。

1 課堂講授部分

1）理論知識。①機器人運動學（坐標變換、軌跡規劃）；②經典控制理論（比例-積分-微分算法，即PID算法）；③圖像處理原理與方法。

2）工程技術知識。①單片機硬件與接口技術（時鐘、總線、定時器、串口、IO）；②單片機實時控制程序設計方法（中斷、輪詢等）；③圖像處理Python語言編程；④制造工程基礎知識（常見加工方法、3D打印等）；⑤機械設計基礎知識（常用標準件作用、尺寸與配合方式等）。

2 實踐訓練部分

①智能機電系統結構設計、動力學分析與運動仿真；②視覺傳感器電路設計、數據處理與使用；③超聲波傳感器電路設計、數據處理與使用；④陀螺儀傳感器電路設計、數據處理與使用；⑤閉環直流步進電機、舵機驅動與控制；⑥STM32單片機藍牙串口通信原理與編程；⑦智能機電系統控制模塊硬件設計與測試；⑧智能機電系統控制算法設計與軟件編程；⑨智能機電系統結構裝配與集成；⑩智能機電系統集成調試、測試與優化。

二 教學特色與成效

智能機電系統實踐課程融合了機（機械設計與加工：設計并制作機械系統完成目標抓取）、電（電路控制：硬件選型、線路優化、電路調試）、測（機器視覺：傳感器選型，實現圖像識別與目標定位）、控（機電控制：PID調節完成步進電機控制、路徑規劃）、軟（軟件編程：Python、C語言編程）五個方面，如圖3所示。本課程與目前國內外高校開設的類似課程有較為顯著的區別，具體特色如下：基于課堂講授并綜合運用已學知識和自主學習未知知識，提高本科生動手實踐技能；緊密圍繞機、電、測、控、軟等五個方面設計、加工、布局、組裝、接線、編程并調試獲得一體化智能機電系統；通過項目實踐方式提升學生解決實際問題能力，為后續探索式課程學習奠定良好的基礎。

通過對理實一體化教學模式的探索和課程教學團隊的精心設計，智能機電系統實踐課程取得了良好的教學效果，得到了機械工程系、未央書院以及選課學生的高度評價。在授課過程中，經過4周的方案設計、加工組裝和整機調試，本課程于2022年9月7日通過小組比賽的方式檢驗實踐教學成果，即在6 m2場地內隨機放置10個乒乓球，智能機電系統需在15 min內將乒乓球成功抓取并投放到指定位置。學生分為10組（3人一組），形成了多套不同方案，如機械臂夾球、彈力網撿球、毛刷撿球等，其中優勝組僅用時1′33″就完成了全部指定任務。課程考核環節吸引了機械工程系和未央書院相關教師、科協學生親臨現場觀摩。到場觀摩的老師對任課教師教學和學生實踐成果給予了肯定，并與任課教師就教學改革進行了深入探討。此外，鑒于智能機電系統實踐良好的教學效果，本課程還被作為“進行高標準課程設計的優秀案例”編入清華大學第26次教育討論會院系工作總結，并在清華大學新聞網報道，題為機械系為未央班學生開設探索式學習課程智能機電系統實踐。

三 “三位一體”育人理念引導課程改革

2014年，清華大學發布了《清華大學關于全面深化教育教學改革的若干意見》，提出了價值塑造、能力培養、知識傳授“三位一體”教育理念。在智能機電系統實踐課程教學改革中，該教育理念一直貫穿于課程教學全過程，具體如下。

（一） 價值塑造方面

智能機電系統實踐課程教學團隊在課堂授課和實踐創新環節注重激發和引導學生的系統性思維，在潛移默化中提升學生的科學探索精神和團隊合作意識。例如，在指導學生進行總體方案設計時強調要系統性地綜合考慮機電系統的結構是否合理布局、功率是否滿足要求、加工是否容易實現、裝配方式能否滿足整體或局部的機械性能等因素；在學生遇到軟件編程、集成調試等難題時，啟發學生不畏困難、理性分析，逐個排查并解決相關軟/硬件問題；在小組內分工時鼓勵學生迎難而上、勇挑重擔，同時加強合作，互相監督。同時，授課中在介紹現代機電工程時還穿插了一些歷史背景，如日本企業界在1970年左右最早提出機電一體化技術，美國1954年研制成第一臺工業機器人樣機，蘇聯1966年首次實現探測器在月面軟著陸等，激發學生從事科研、將來報效祖國的責任感和使命感。

（二） 能力培養方面

智能機電系統實踐課程教學改革的核心目標為創新挑戰、自主學習、實踐動手、團隊合作。具體而言，本課程采用基于項目的學習方法，針對一個具體的任務目標，即設計并制作一套基于機器視覺和智能抓取的一體化機電系統，使其在規定場地內可自主識別多個指定物品，將其抓取并運輸到指定位置，通過學生自主式創新的方式，加強學生從“動腦學習課堂知識”向“動手實踐完成任務”轉變的能力。在整個實踐教學過程中，學生需完成設計、加工、組裝、編程、調試的全流程工作，使學生綜合運用機械領域及相關學科的理論與技術解決復雜工程問題的能力得到大幅提升。

（三） 知識傳授方面

智能機電系統實踐課程以機器人與智能制造為背景，以系統工程實踐及項目任務為導向，在實施過程中一方面通過課堂講授環節傳授機器人運動學、經典控制方法等理論知識以及單片機控制、圖像處理等工程技術知識，另一方面通過實踐訓練環節使學生熟悉并掌握機械結構設計、動力學分析與仿真、傳感器采樣電路設計、電機驅動與控制、通信原理與編程、系統裝配與集成的基本流程與方法。經過課堂講授環節，學生在掌握上述知識后，將其運用到實踐創新環節，實現學以致用。

四 結束語

為培養本科生主動學習能力和激發創新思維，國內外高校歷來非常重視將課堂講授和創新實踐相結合，在創新實踐中將課堂講授知識加以綜合運用，從而解決工程實際問題。本文以智能機電系統實踐課程的教學改革為例，通過優化教學內容將“三位一體”教育理念貫穿于課程教學全過程，結合理實一體化教學模式的探索和實踐，在促進未央書院本科生成人成才、通專融合、本博貫通方面取得了良好的教學成效。通過課程改革，不僅大大加強了學生基于系統性思維分析和解決問題的能力，也使其在創新實踐中將課堂講授知識理解得更加深刻、透徹。課程教學團隊后期將進一步推動教學改革探索，設置更加合理且具有挑戰性的任務作為實踐目標，使課程建設更加完善并逐步推廣。

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