新工科建設驅動機電一體化系統設計課程教學模式改革

摘 要 新工科建設的深入推進，對高等院校工科專業人才培養和課程教學提出了新的挑戰。文章圍繞智能制造領域的機電一體化系統設計課程，分析了課程教學的現狀和存在的問題，探討了教學模式與方法轉變的必要性，總結了多種教學模式改革策略，旨在提升課程教學質量，培養學生的創新能力和實踐能力，以適應新形勢下工科教育的需求。

關鍵詞 新工科建設；智能制造；機電一體化系統設計；教學模式

中圖分類號：G424 " " " " 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.01.013

The Transformation of Teaching Mode for the Mechatronics System Design Course under the Construction of New Engineering

KANG Jianfeng， QIAO Jian， LU Qinghua

（School of Mechatronic Engineering and Automation， Foshan University， Foshan， Guangdong 528225）

Abstract With the deepening of construction of new engineering， new challenges have been put forward to the personnel training and curriculum teaching requirements of engineering majors in higher education institutions. This article focuses on the course \"Mechatronics System Design\" in the field of intelligent manufacturing， analyzing the current situation and existing problems of course teaching， exploring the necessity of teaching modes and method transformation， as well as summarizing various teaching mode reform strategies. The aim is to improve the quality of course teaching and cultivate students' innovative and practical abilities through the integration of teaching concepts and models， so as to adapt to the needs of engineering education under the new situation.

Keywords construction of new engineering; intelligent manufacturing; mechatronics system design; teaching mode

為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展，教育部提出了助力高等教育強國建設的新工科建設方針，引導高等院校面向未來，培養工程能力強、創新能力強、具有全球視野且能支撐引領未來戰略布局的復合型工程科技人才。新工科建設是新時代工程教育改革的新方向、新思維與新舉措，是面向未來戰略必爭領域做好人才儲備的主動謀劃。

智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合的新型生產關系，根據《“十四五”智能制造發展規劃》，智能制造是制造強國戰略的主攻方向，其發展程度直接關系到我國制造業質量水平和新質生產力潛能。當前，智能制造緊缺人才需求量大，對高等教育新工科人才培養提供新機遇與新挑戰，也倒逼課程教學模式進行與時俱進的調整與變革[1]。

機電一體化系統設計課程是微電子技術、信息技術等向機械技術領域滲透與交叉而逐漸形成的綜合性專業課程，特別注重知識結構的系統性和有機融合，是理論基礎知識與工程應用實踐緊密關聯的一門專業課[2]。傳統的教學模式多以教師為中心，學生被動式接受知識灌輸，忽視學生的主體地位和實際應用能力的培養，導致理論知識與實踐應用相脫節，因此亟須探索新的教學模式與方法，以適應新形勢下工科教育的需求[3]。

1 課程特點與教學現狀

機電一體化系統設計課程內容涉及機械、電子、控制、信息等多學科交叉知識，具有內容豐富、知識面寬、理論性深、實踐性強、應用性廣的特點。受課程特點和性質的影響，以及新技術和新知識的不斷涌現，課程在實際教學開展過程中存在一些問題[4]：

1.1 教學內容重疊且滯后，重心把握不明晰

由于機電一體化系統設計課程內容與先修課程機械原理、機械設計、控制技術、測試技術、微機原理等存在部分重疊，詳細講述容易造成“炒剩飯”現象，降低學生對本課程的興趣；課程所用教材陳舊，難以反映最新科技成果與實踐動態等，影響后續理論知識向應用工程化轉變與銜接；課程內容編排過程中可能過于側重單一方面知識的講解，未著力聚焦在機電有機結合并貫穿始終，重心把握不明晰，影響學生知識體系的建立和系統性思維的培養。

1.2 教學方式單一且乏味，理論與實踐結合弱

課堂教學以教師多媒體授課為主，教學效果不佳，學生難以將相關知識點融會貫通，而且在促進學生理解復雜工程問題的認識和能力培養上缺乏教師引導；由于實驗設施不足，輔助性實驗或實踐環節多以單一目標實驗和產品表象認識為主，理論知識的實驗論證與綜合應用受到限制；盡管教師明確理論與實踐相結合特別重要，不斷通過教學評價反饋優化教學方式，但實施效果仍有很大提升空間，自主研究性學習還未真正貫徹到課堂教學中，導致學生多停留于課本知識學習，對知識的綜合應用、探索和創新的熱情尚未完全激發，最終造成課程教學與實驗教學同工程實踐聯系甚少，在面對實際工程存在的問題和研發新的機電一體化系統或產品時容易束手無策。

2 教學模式與方法轉變

面向當前課程教學存在的問題，迫切需要在教學模式與方法上進行與時俱進的轉變與調整[5]。在教學過程中，“機電有機結合”的教學理念應貫穿始終，須做到知識結構系統性與教學體系完整性相統一，通過課程教學模式的多元化協同，將課堂講授、課題探討、情景教學、答辯互動等多種方式相結合，及時轉換教師與學生的主體角色，提高學生主動參與的積極性，激發學生的學習興趣，培養學生解決問題的綜合能力。

2.1 研究性學習實踐的教學模式

研究性學習實踐注重以學生為主體、教師為輔，通過自主學習、自由探索方式形成“做中學、問中學”[6]。由于機電一體化系統涉及多學科知識交叉融通，實際講授過程中學生或多或少存在相關疑惑與問題，一方面學生要自行查閱資料尋找答案，另一方面學生要與教師共同討論、深入探究，加強對理論知識點的理解與掌握。

例如，在介紹機電有機結合之動態設計的考慮方法時，教師以工程典型應用案例為切入點，激發學生的學習熱情，明晰動態設計的目標和重點掌握的內容。在學生掌握機電一體化系統動態性能評價指標參數后，教師以工程廣泛應用的比例—積分—微分調節為例，引導學生通過實物操控觀察調節器各部分組合調節的作用效果，同時拋出調節規律的內在作用原理問題，引發學生深入思考，最后通過學生講解、教師補充的形式，借助理論模型構建和Matlab仿真分析論證和解釋現象觀察的規律。整個過程以問題為牽引，提升學生主動參與課堂教學的積極性，挖掘其自主研究探索的潛能，也充分鍛煉其邏輯表達與溝通能力。

2.2 基于課題項目融合的教學模式

課題項目融合是以項目為主線，將分散孤立的理論知識點融入項目開發過程，通過具體項目案例剖析，加強理論與實踐的緊密結合[7]。課題項目實施過程能不斷激發學生的興趣，增強其主動學習和探究、創新實踐的能力，幫助其形成較為系統的工程設計理念和科學研究思維，對課程教學質量提升有積極的推動作用。

例如，教師在先進的智能制造技術中選用3D打印技術為課題項目，概述該技術在各行業領域的應用情況以引起學生興趣，并深入淺出地分析其與本課程相關理論知識點的內在關聯；以熔融絲材制造工藝的打印設備為代表，介紹該設備中機電一體化系統設計的原理和核心要素，主要包括打印運動平臺、打印噴頭、步進電機、傳感器、控制系統等，通過具有特定功能的機械裝置和電子控制，共同實現打印過程的自動化和精確控制。同時，教師以打印路徑規劃的自編程設計和運動平臺的多自由度精確調控作為興趣拓展內容，充分調動學生熱情，引導其在參與打印技術核心問題的探索與創新實踐過程中，將所學的機電一體化系統設計理論知識與3D打印技術工程應用緊密關聯，融合解決現實工程應用存在的核心技術難題，從而增強實踐與創新能力。

2.3 基于OBE教育理念的課程教學模式

OBE（Outcome based education）教育理念，也稱為成果導向教育、能力導向教育、目標導向教育或需求導向教育。教師基于OBE教育理念，采用“課題導向、任務驅動、分工協作”的教學方式[8]，學生在開展課題的過程中，既鞏固了對理論知識的理解與掌握，又鍛煉了綜合運用專業知識解決實際問題的能力，同時培養了課程組成員的團隊協作意識和創新精神，激發了學習興趣與熱情。

例如，在教學過程中，學生圍繞傳統農業存在的勞動力短缺、農作物生長指標監測難、科學技術指導不完善等問題，自行組隊開展了“智慧農業的設計方案”的課題，運用機電一體化的系統性思維設計和構建了自動灌溉、數據采集、實時監測、遠程控制等核心功能模塊，實現農作物生長全流程自動化監測與管理，這一過程充分鍛煉了學生將所學的理論知識應用到實際工程領域的分析和解決問題的能力。

2.4 基于CDIO理念的課程教學模式

CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate），是以從產品研發到運行的全生命周期為載體，讓學生將課程與主動實踐深度融合的學習模式，通過產品項目的設計與實現為牽引，帶動學生自身驅動力來組織課程教學，從而培養學生的工程科研能力、探索和學習知識的能力、團隊協作能力[9]。教師可將該理念引入機電一體化系統設計課程實踐教學，引導學生自發選擇感興趣的產品為目標對象，圍繞產品存在的問題和技術壁壘，充分運用課程理論知識提出解決實施方案，做到學以致用、融會貫通。

例如，根據CDIO理念和課程安排，學生自行組團和自由選題，開展了“光伏智能清洗機器人”“智能掃地機器人”“自動泊車系統”“自動售貨機系統”等課題，通過將課本上的機械系統、自動化控制、傳感器檢測、執行機構等知識相融合，并與定位導航和人工智能技術相結合來構思產品的工作原理與設計方案，提出具體的實施方案和技術流程，圍繞各子系統或模塊進行穩態與動態性能分析，繼而評價整個產品的運行性能。

2.5 基于產教學融合的課程教學模式

新工科背景下，產教學融合被賦予新的時代屬性。其中產是支撐，教是核心，學是根本，將三者充分融合，最大化發揮高等院校培養人才的優勢，共同塑造和培養出符合社會需要的復合型人才。根據教育部、國家發展改革委、財政部聯合發布的《關于引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》，高校要把辦學思路真正轉到服務地方經濟社會發展上來，把辦學定位轉到培養應用型技術技能型人才、增強學生創新創業能力上來，把辦學模式轉到產教融合校企合作上來。將產教學融合引入機電一體化系統設計課程教學過程中，更有利于提高人才培養的質量。

例如，佛山堅持以制造業當家，重點布局戰略性新興產業——高端裝備制造業，成為加快形成新質生產力的重要抓手。佛山大學圍繞高端裝備制造業的產業需求，結合課程的特點與性質，在教學過程中充分將產業與行業領域發展存在的技術壁壘與課程教學內容相結合，促使學生在理論知識學習和實踐探索中始終面向工程應用存在的問題，以問題和需求為導向，鞏固和加強理論與實踐應用的緊密連接。通過學校與廣東嘉騰機器人自動化有限公司、佛山市星光傳動機械有限公司、安德里茨（中國）有限公司、佛山艾樂博機器人科技有限公司、三技精密技術股份有限公司等多家企業的合作，學生不僅能了解到所學課程的應用價值，還能圍繞企業存在的問題運用所學知識進行探索和破題，真正實現學以致用、融會貫通。

3 結語

新工科建設作為高等教育領域的重要改革方向，對機電一體化系統設計這門跨學科、應用性強的課程教學模式的轉變起到了強大的推動作用。結合該課程的特點及教學現狀，本文提出將研究性學習實踐、課題項目融合、OBE教育理念、CDIO理念、產教學融合等引入課程教學，以有效促進課程內容與工程應用的緊密結合，提升學生的實踐能力、創新能力、就業核心競爭力，也為我國高等教育的發展注入新的活力。

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