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机电一体化系统课程教学改革研究

摘要:为了应对工程教育认证的需要,从工程实际需求出发,分析和讨论机电一体化系统设计教学现状和存在的问题,围绕课堂教学内容、实验、考核和教学方法进行教学改革探究。

关键词:工程教育;专业认证;机电一体化系统设计;教学改革

1前言

为了促进机械专业的跨越式发展和国际化进程,进一步提升机械设计制造及其自动化专业的教学质量、社会声誉和国际视野,促进本科毕业生的国际交流,为工程师执业资格认证奠定基础[1],从2013年下半年开始,贵州大学机械工程学院机械制造及其自动化专业开始着手准备进行工程教育认证,于2014年顺利通过该认证。在以“认证”为目标,不断促进教学改革的过程中,全院教师始终坚持以能力为导向,重在加强学生的培养质量和利用学科知识分析解决工程实际问题的能力[2];同时以学生为中心,以不断优化和改进的培养目标和毕业要求,建立、建设优质的课程体系和师资队伍,配备必要的教研设备。在“迎接认证”、不断改进的过程中发现一些专业课程存在的问题,以培养目标和毕业要求的工程性不强为代表,主要体现有教学内容缺乏实际工程拓展,课程教学方法有待拓宽,特别是工程实践能力的培养还需要进一步加强。机电一体化系统设计作为机械电子工程方向一门重要的专业课,亟待相关教学改革,以适应工程教育认证的要求。

2现状与问题基本现状

机电一体化系统设计是机械制造及其自动化专业机械电子工程方向的一门重要的专业课程,目的是培养学生对机电一体化系统的应用和设计能力,掌握机械系统元部件设计和微机控制系统及其接口设计方法,培养机电结合的专门人才。本课程的基本任务是使学生掌握对机电一体化系统的分析应用和设计基本方法。该课程涉及的机械传动部件、电机、微机接口技术和机电一体化设计思路等,可以说是对本专业前期所学专业课程进行融合、需要实践深入消化和提高认识的一个重要环节。并且贵州大学机械工程学院不仅是机械电子工程方向开设本课程,机械制造和农业机械化专业方向也开设了本课程,学生普遍反映教学枯燥,工程实践性不强,部分知识无法理解。为了使机电一体化系统设计课程与“工程教育认证”要求相适应,更好地帮助学生掌握本门课程知识内容和加强工程实践能力培养,达到学以致用的目的,需要对机电一体化系统设计课程的教学内容和方法进行改革研究。主要存在的问题贵州大学机械工程学院于21世纪初开始在机械电子工程专业方向的本科班开设机电一体化系统设计,随着十多年教学经验的积累,已形成一套较为完善的教学方案和体系。但是随着技术的不断革新,社会和工作岗位对学生要求的不断提升,越发觉得本课程的传统教学中存在一些问题,主要表现在以下几个方面。1)教学内容陈旧,过于侧重机械结构的讲解。通过工程教育认证评估,充分和企业沟通后,发现一些课程所教授的内容和技术已经在当下机电产品中被新技术所取代。另外,由于在教授本课程前有单片机原理、接口技术和机械控制工程等课程,在机电一体化系统设计的教学中都会以典型机电系统的传动结构为主,使“机”和“电”在教学过程中不能充分结合。2)实验教学设施不足,实验内容受到限制。本专业拥有的机电一体化教学设备较少,有的仅仅停留在十字工作台、单片机和传感器方面,对于机电系统的稳定性和优化部分的实验暂时空缺,这不利于学生提高感官认识。3)教学方法单一,缺乏与工程实际的联系。现有教学基本上是以课堂教学为主,辅以少量实验,大多采用讲授法通过多媒体教学平台进行授课,而且大多是纸上谈兵,课程教学与实验教学同工程实践联系甚少,与“工程教育认证”的要求存在差距。4)学生反映学习难度大,应用能力不强。在教学过程中,一些学生反映部分知识点难以理解,不清楚这些知识能“干什么”,能解决什么问题。另外,从考试反馈来看,学生对综合应用机电技术的能力还有待提高,特别是不能将一些来自工程实际的问题和书本知识结合起来分析。

3教学改革教学内容的改革

1)树立“机电结合”的系统教学思路。机电一体化的目的是提高产品或系统的附加价值,实现多功能、高效率、高可靠性、省材料、省能源,并使产品结构向轻、薄、短、小化方向发展。因此,机电一体化的研究方法不能只是简单拼凑,应该从系统设计方案开始到各元部件选择到系统最终成形的全过程,都要贯彻系统设计的思想[3]。机电一体化系统设计课程的教学也是如此。在课程讲述过程中,如果只是根据教材的章节顺序进行讲解,会在学生脑海中形成一个个的知识孤岛。因此需要将整个课程用几个典型案例把所有章节贯穿起来,做到前后呼应。如在教学“机械结构”中的“机架和支撑稳定性”时,可以和“元部件特性分析”中的“静、动态特性分析”结合起来,在讲机械结构时就引入控制工程中的一些知识点。另外,教材的最后一章有很多案例,可以根据这些案例的特点,将其穿插进前面的章节讲解,在讲授每一部分内容时都结合案例,并将系统设计方法融于其中,不仅利于学生对知识的掌握,还可以举一反三、加深理解。2)选择性地介绍章节重点。要有选择性地介绍机电一体化各组成部分。对于机械系统部件,要重点讲解传动原理和典型结构,一些特殊的部件可以留给学生自学。对于执行元件和控制器由于在先修课程中有所学习,因此对其基础知识不做详细介绍,重点内容放在典型元件特性及其驱动和接口部分。这样既可以避免使学员因重复学习而失去兴趣,又可以有更多的时间放在牢固树立系统的观点,深入理解组成机电一体化系统的各构成要素之间的关系。3)以“看得见、摸得着”的机电产品为突破口。要更多地从教学团队科研真题和本地企业合作项目寻找典型案例,让更多的案例“看得见,摸得着”。一方面可以带领学生参观企业,另一方面要鼓励一些教师展示机电一体化方面的科研样机,让学生可以直接参与教师科研课题。同时要及时更新案例,给学生展示最新的技术和产品,了解机电一体化产品的前沿;还要充分给予成绩较好者学习空间,特别是对于一些比较复杂或精度要求高的运动定位控制和智能控制,可以让学生结合学过的自动控制理论知识设计运动控制算法,为研究生阶段的学习做准备。教学方法的改革教学方法是教学过程的核心,教师的教学方法一定程度上决定了教学质量和学生对知识的吸收情况。传统的教学方法是教师根据课程教学大纲的要求,在课堂上为学生讲解教学大纲上规定的教学内容,按部就班地向学生灌输知识,学生完全处于被动学习状态,教学效果大打折扣。为了有效提高学生积极性和学习主动性,可以将课堂讲授、讨论、开放性实验和实地参观结合起来,激发学生的学习兴趣、学习主动性和培养学生的创新意识和能力。例如:在介绍“滚珠丝杠”和“导轨副”时可以将实物拿到课堂上,先抛出问题并让学生进行拆装,再让学生分组讨论结构特点和问题,最后有针对性地讲解难点和强调重点内容;“单片机与接口技术”的讲授可以开设开放性实验,提供单片机平台,让学生自行设计开发单片机控制系统,并要求演示;在讲解“机电一体化系统的元、部件的特性分析”时可以开展上机实验,结合MATLAB软件仿真模块,让学生产生直观认识。课程实验的开设“工程教育认证”的核心就是要确保毕业生达到全球行业认可的机械工程从业人员基本要求。因此,为了让学生更好地掌握机电一体化系统设计相关基础理论和提高学生的创新意识与工程实践能力,提升毕业生的机械行业从业能力,需加强本课程的课程实验建设。首先,要整合现有校内实验资源。本课程综合性强,很多实验需要和其他课程实验结合起来,如与机械传动、微机原理和控制工程等课程。其次,要积极构建新实验平台。特别是机电一体化典型系统的实验平台方面,亟待购置新设备,开发新实验。最后,可以整合校外合作单位实验资源,开设一些与工程实践紧密结合的课程实验和基于仿真软件的系统稳定性分析实验。考核方式的改革本课程各章节具有一定独立性,涉及机械和电子技术各个方面。针对此特点,考核方法应该重在应用与综合,不应以识记为主,所以考试形式由原来闭卷改为开卷。这样可以减轻学生考试压力,把学习的重点放在知识的应用和解决实际问题的能力训练上。考核可以采用试卷(开卷)、实验、报告或者作品(机电一体化系统)等多种形式,加大实验环节和平时表现的成绩占比,解决了实际问题或提出了创新方法就可以获得高分。

4结束语

随着科技的发展,机电一体化系统设计课程所涉及的知识和技术发展尤为迅猛,而且所涉及的知识面非常广,因此要满足工程教育的认证要求,就必须从教学内容、教学方式、教学方法等方面都进行改革创新。在教学内容上强调以系统设计方法为主线,在教学方式中重视培养学生的学习兴趣,努力拓展课程实验,不拘泥于考核形式。这些变革将会更进一步激发学生的学习兴趣,最大限度地提高学生解决实际问题的能力,达到工程教育认证的要求。

作者:曹阳 杨桃月 张大斌 蔡家斌 杨绿 单位:贵州大学机械工程学院

参考文献

[1]蒲彧.美国工程学士能力培养研究[D].大连:大连理工大学,2010.

[2]崔军.回归工程实践:我国高等工程教育课程改革研究[D].南京:南京大学,2011.

[3]郝娟,肖定国,贾玉平.《机电一体化系统设计》课程教学改革探讨[J].教育教学论坛,2012(36):29-30.

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