项目驱动型系统教学法在机电一体化课程中的应用研究

武星 楼佩煌 南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016

项目驱动型系统教学法在机电一体化课程中的应用研究

武星 楼佩煌 南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016

机电一体化课程是机械制造及其自动化专业的一门重要专业课，涉及面广，实践性强。我们注重将本学科的科研成果引入课程的理论和实验教学中，自主研发教学实验系统平台，合理细化、简化项目研究内容，积极构建理论学习、实验操作、项目研究一体化的系统教学法，激发学生学习兴趣，培养学生创新意识，提高学生综合素质。

机电一体化；项目驱动；系统教学法；成果转化

引言

21世纪是一个以创造、创新、创业为特征的时代，高等学校肩负着创新型人才培养和科技创新的重任。高等工程教育的目标是要培养符合社会发展要求的合格工程师，传统的以教师为中心、以课堂讲授为主、以理论考试成绩评价学生的工程教育模式已远远满足不了现代化产业需求，这要求改革现行的工程教育方法[1]。不断改变和突破现有的教学方法及手段以提高实际教学效果[2]，以灵活多样的师生教学互动模式来激发学生的学习兴趣，使学生能够主动学习，成为课堂上学习知识的主人[3]。

科研成果作为科技创新的产出和结果，既是师资队伍素质的标志，也是体现学校水平的指标。科研是教学的底蕴，将科研成果转化为教学资源无疑是一种有效的途径[4]。我校机械制造及其自动化专业所在的学科是国家重点学科，也是江苏省重中之重学科，承担了国家自然科学基金、国家“863 计划”、国家科技攻关、国防预研等一大批科研项目，其中有相当数量的科研成果可以转化为机电一体化等相关课程的教学内容，为我们的教学研究与课程改革提供了良好的条件。

1.机电一体化课程的特点

机电一体化技术是以机械技术、电子技术、计算机技术为主的多学科相互融合形成的一门综合性技术学科，该课程是机械制造及其自动化专业的一门重要专业课，其内容涵盖机械技术、计算机与信息处理技术、检测与传感技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总体技术等，涉及面广，知识点众多；实践性强，理论必须结合实践。

作为一门综合性技术学科，机电一体化课程内容庞杂，高校一般将其安排在第7 学期，并在其之前安排一系列先修课，如机械原理、机械设计、单片机原理、PLC原理、传感器技术、控制工程基础、机床数控技术等。通过先修课的学习，学生对各部分的知识具有一定的基础。如果机电一体化课程对上述内容再进行简单地重复，则学生对该课程的反应普遍不感兴趣，教学效果不很理想。

另一方面，机电一体化技术所涉及的多方面内容对实践要求很高，而教学对象又是没有任何工程经验的在校学生。传统的教学方法及实践活动大多只针对个别知识点，缺乏对系统性和实践性的充分考虑，使得本来富于魅力的知识变成了空洞的说教和内容的堆积，学生感觉不到学习的价值所在，逐步丧失了学习的动力。

针对机电一体化课程的自身特点，在教学内容上我们避免简单重复先修课的已有知识，而是从机电融合的角度，强调以等效性和互补性为代表的系统工程观点和方法。在教学方法上我们注重引进本学科的科研成果，利用科研过程中设备创新的经验自主研发教学实验系统平台，并根据学生的实际能力水平合理细化、简化项目研究内容，积极构建理论学习、实验操作、项目研究一体化的系统教学法，以实验操作促进理论学习，以项目研究提升综合应用。

2.基于科研成果转化的项目驱动

在将科研成果引入课程理论和实验教学的过程中，可从课程教学内容组织和实验教学设备研发两方面具体开展。机电一体化课程知识点广泛且相对独立，如果单从学科理论体系发展角度讲述内容，各部分之间的关联性并不明显。如果从项目研究的角度，为了开发某一机电一体化系统所必需的各种技术方法，则更容易将分布在不同学科中的知识点联系起来，形成以一体化设计和优化设计为特色的综合性技术体系。

在将科研项目引入课程教学的过程中，教师必须认真分析项目所包含的技术要素对课程教学内容和目标的支撑作用。首先这些技术要素要能较完整覆盖课程的教学内容，其次技术要素之间的关联性要能较好反映课程理论的系统性，再次项目的技术复杂性要符合学生的实际能力水平。可能实际的科研项目很难完全满足这些要求，所以可对实际项目的内容进行重新组织，精心细化，合理简化。即使项目具有一定的工程应用背景和挑战性，容易激发学生参与的兴趣；同时也使项目具有一定的实现平台基础和可行性，容易鼓励学生产生能够顺利完成项目的信心。

考虑到项目所涉及课程教学内容的完整性，在选择项目时优先采用能够覆盖机械机构、传感器元件、控制器软硬件、伺服驱动装置的综合应用，突出机、电、信息技术的一体化。为了配合该课程的教学内容，充分利用自身的技术优势和科研过程中设备创新的经验，以投入少量的经费起步，通过自行开发实验设备和软件，逐步建成和完善了机电一体化创意实验设备平台。

在该创意实验设备平台中，机械机构包括滑块机构、丝杠传动机构、齿轮传动机构、传送带、棘轮机构、槽轮机构、龙门式机械手、笛卡尔教学机械手等。传感器元件包括电容、电感和光电传感器，各种行程开关和接近开关，专用物料自动识别装置等。控制器有台式计算机、可编程控制器和嵌入式控制器等。伺服驱动装置有交流变频驱动单元、步进驱动单元、直流伺服驱动单元、气动执行装置等。该平台不但将机构学、传感器、驱动器、控制器四个机电一体化的核心技术整合在一起，还建成了物料自动识别与装配系统、自动化立体库实验系统、自动化换刀机械手实验系统、有轨导向车实验系统等，并配有网络视频系统、集成控制平台、专门的实验系统网站等，可进一步与CAD、CAE、虚拟现实、信息化技术等现代高新技术有机结合。

需要注意的是，将科研项目引入课程教学过程，不是利用学生完成项目，而是借助项目形式培养学生。在课程教学过程中，项目不能代替教学，项目所包含的技术要素不能偏离课程教学内容，项目的技术复杂度不能超出学生的实际能力水平。

3.系统教学法的构建与应用

如前所述，机电一体化是一门建立在众多先修课程基础之上的综合性技术学科，为了避免简单重复先修课的已有知识，我们积极通过理论学习、实验操作、项目研究的不同教学过程，强调知识的系统性、技术的关联性、学科的交叉性，在教学实践中认真研究项目驱动型系统教学法。

在理论学习阶段，努力避免课程本位倾向，即片面追求本课程的理论完整性，而忽略了该门课程在整个专业课程体系中所起的作用。系统教学法是基于一个项目所涉及的实际系统，从系统的角度去讲解知识点，打破学科间的相互隔绝，加强渗透交流以改变学生的知识结构，培养学生从整体角度考虑问题。

在机电一体化课程中，我们尤其强调机电融合的观点。机电一体化技术不是简单地用电子设备代替部分机械结构，也不是孤立地发挥两种技术的长处，而是利用两种技术的有机结合而产生的新的思想方法和技术手段。一方面，当系统的某一功能单靠某一种技术无法实现时，必须进行机械、电子、信息技术等有机结合的一体化设计。另一方面，当系统某一功能的实现有多种可行的技术方案时，必须采用系统工程的观点和方法，对各种技术方案进行分析和评价，在充分考虑与其他功能单元连接和匹配的条件下，选择最优的技术方案。

在实验教学阶段，依靠不断完善的机电一体化创意实验设备平台，引导学生利用所学知识，结合自己的能力和兴趣，开展内容广泛、形式多样、深度不一的开放性实验。学生可根据拟定的实验主题，完成机械机构的创意组合，传感器元件、PLC、交直流伺服单元、变频器等传感、驱动、控制装置的综合应用。根据不同学生的学习能力，还可以开展人机控制界面、计算机网络通讯、远程控制等提高实验。

通过实验教学阶段，学生可充分体验机械设计、装配，电气设计与接线，控制系统设计与程序编写等实际操作过程，有利于调动学生学习的积极性，加深学生对所学知识的理解和综合，培养学生动手实践的能力，提高学生创新创造的意识。

在项目研究阶段，首先给出多个项目研究方向供学生参考，简要介绍项目的工程应用背景和技术要求，项目实施过程中所需的关键技术，这些技术所涉及的知识点正是课程要求的教学内容。对于学生在先修课中已学过的已有知识进行简单复习，重点解决学生未曾学过的、难以理解的知识点以及实际应用相关的经验技巧。

在项目研究过程中，通过分组讨论和集中讨论，逐一解决学生遇到的专门问题和共性问题。如在一次分组讨论中涉及室内移动机器人的定位导航问题，其属于传感检测技术和信息处理技术领域。对于学生想要采用的多超声波传感器定位导航方法，师生共同讨论了超声波测距原理、多点定位原理、导航系统的软硬件实现手段以及可能存在的导航误差和技术局限性。这些互动性强的教学环节有利于激发学生进一步拓展学习新技术的求知欲，也为其自主进入新领域学习打下了良好的知识基础。

在项目总结阶段，不仅是对所学知识的回顾和讨论，更是对综合应用知识能力的考核。机电一体化强调优化设计，对多种技术方案进行分析对比，结合系统的功能要求、技术指标和成本控制多方面因素进行综合评价，选择功能性指标、经济性指标和安全性指标都较好的优化方案，帮助学生理解实际工程系统和教学原型系统的差异。

4.结语

为了提高机电一体化课程的教学效果，我们注重将本学科的科研成果引入课程的理论和实验教学中。通过自主研发教学实验系统平台，以项目所包含的技术要素覆盖教学内容的知识点，以项目研究带动专业理论知识的学习，以实验操作加深学生对专业知识的理解，积极构建理论学习、实验操作、项目研究一体化的系统教学法，重点突出知识的系统性、技术的关联性、学科的交叉性。通过积极参与该课程的理论和实验教学过程，许多学生在知识、能力、素质等各方面得到了显著提高，并在大学生科技创新项目、大学生创业大赛、出国留学研究生选拔以及知名国际性大企业招聘中脱颖而出。学生的成功成才是高等学校在教书育人方面的重要成果，也是我们从事教学研究与课程改革的出发点和归宿点。

[1]陆一平,查建中.缤纷课堂:源于国外的工程教育实践教学方法.高等工程教育研究,2009,(6):137～142

[2]段华洽,王朔柏.深化教学改革创新教学模式.中国大学教学,2009,(4):35～37

[3]范钦珊,陈建平等.研究型大学需要研究型教学.中国大学教学,2009,(11):8～

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.04.060