任务驱动教学法在“机电一体化系统设计”课程中的研究与应用

邓鹰飞

（梧州学院，广西梧州543002）

任务驱动教学法在“机电一体化系统设计”课程中的研究与应用

邓鹰飞

（梧州学院，广西梧州543002）

文章阐述了“任务驱动法”的定义，及其在机电一体化系统设计课程中的应用。实践表明，任务驱动教学法对学生学习理论性很强的机电课程有一定的吸引力，激发了学生的学习兴趣，也培养了学生的团队合作意识，同时也发现了任务驱动教学法的一些限制，需要进一步突破。

任务驱动；机电一体化系统设计；团队合作

1 引言

随着计算机、电子行业的飞速发展，机电产品也加快了更新换代的脚步。功能更强、体积小型化、智能化、性价比越来越高的机电产品源源不断地走向市场。从事机械类设计的人员，设计的产品也要顺应市场的发展，跟上时代的步伐，相应的整个系统的设计就不能再按照以往的思路一成不变。作为培养人才的机构，我们提出要培养创新性人才，就应该体现在设计思路、设计方法、产品等都具有新颖性，这就要求在课堂教学中要教会学生如何设计、如何创新。同时要求教学方法也要适应时代发展的步伐，用传统方法只能培养出应试教育的学生，改变教学思路教学方法同样也会改变教学结果。“机电一体化系统设计”课程是机械类专业的专业限选课程，课程包含的内容很广且有一定的难度，主要包括机械系统部件的选择设计、执行元件的选择与设计、传感器检测、微电子信息技术、控制工程以及相关的接口技术等多门学科，包含大量的基础知识、设计原理和设计方法，充分体现了“以机为主、以电为用、机电有机集合”的原则［1］，是一门综合设计性课程。“机电一体化系统设计”课程在传统的教学中，一般是以理论为主，大量的课时主要用在讲授理论知识，加以少量的实验课时，这样的教学模式最后的结果是学生只是为了应付考试而学习，缺乏创新精神和实践能力，这与学院提出的发展应用型人才是相互违背的。为此，笔者对“机电一体化系统设计”课程进行了任务驱动法教学的研究。

2 任务驱动教学法与传统教学法比较

任务驱动，又称项目驱动、目标驱动或问题驱动，是实施探究式教学模式的一种教学方式［2］。教学过程不再是教师的“一言堂”、“填鸭式”教育。首先教师详细讲解原理和知识重点难点，然后在课堂中提出一个或多个任务，学生也分成对应的几个组，围绕这个任务学习并且讨论，课堂中讨论出一个解决方案，课后完成设计。“机电一体化系统设计”课程中每一章节都有一个或多个任务，比如第二章中的机械传动部件设计，有各种传动方式，如齿轮传动、丝杠螺母机构、滚珠丝杠副传动、挠性传动部件、间歇传动机构，每一个任务中可以考虑采用两种传动方法设计，然后比较出两种不同机构的优缺点，或者每一小组采用一种传动方法设计，最后通过综合设计比较讨论得出该任务所选的最优方案。任务有一定的深度和难度，学生通过查阅资料、互相探讨之后得出最优方案，设计完成通过三维动画仿真验证。在任务中，每个学生都有自己的责任和目标，完成一个小设计也是一份收获。这就激发了学生的学习兴趣、探索求知精神、团队合作精神、创新精神。同时对学生学习整个专业课程体系也有一定的帮助，通过小设计把学生三年所学专业知识贯穿起来，做到融会贯通。

传统的教学方法，主要是以教师课堂讲授理论为主，做些课后练习，加上少量的实验，考试也是理论课笔试考核。这门课程内容覆盖面很广，每一章节都包含了几门专业课的知识，比如微机控制系统这一章，它包含了微机原理、单片机、PLC等几门课程，主要内容就是对这些微机如何做选择并选择相应的接口电路。教师讲解各种微机的应用后学生可以选择它，但是要在深入理解它们的原理和熟练应用的情况下，才能熟练地编写语句和设计接口电路。因为很少学生能做到熟练应用各种软硬件，所以在教师讲解过程中学生觉得难以理解、不能接受、理论课枯燥无味，这样的情绪将会一直持续到本门课程结束。同时大多数教材的课后练习都是以概念原理问题居多，附加一些计算题，设计性题目很少，也没有达到锻炼的目的。实验课主要是以验证性实验为主，学生主要根据实验项目要求完成实验，设计类实验很少，这就造成了学生动手能力不强，无法提升学生的设计能力。课程考核一般以理论考核为主，主要是教师出题目，围绕着常见的选择题、填空题、计算题来测试学生的成绩，这一些题目类型与本门课程的设计两个字没有多少联系，达不到考核的目的。所以说传统的教学都是应试教育，学生为了应付考试而学习，而不是自觉地、自愿地去认真读懂书中的每一章节。

那么通过两种教学方法的比较，我们可以看到任务驱动教学法比传统的教学方法有很多优势。首先从讲授方面来说，不再是老师的一言堂，老师只是讲解原理部分，主要以学生讨论为主，体现了学生的主人翁精神、发挥了学生主观能动性、提高了学习热情、提升了学习氛围。俗话说得好“兴趣是最好的老师”，学生有了兴趣，愿意付出时间和精力，没有什么难题是不能解决。再从课后作业来看，作业不是简单的概念原理，而是一些设计题目，这都要求学生在充分理解了概念原理的基础上总结实践才能完成这些课题，这些内容比笔试考核要丰富很多，学生的理解能力、计算能力、设计能力都能够得到提高，也能考出学生的真正水平。

3 任务驱动教学法在“机电一体化系统设计”中的实践

在这里结合本门课程的特点，我们把任务分成了5个子系统的对应模块。每个模块看似毫无联系，但要设计一个机电产品必须把所学专业知识全部融合起来，按照设计一个产品的几个相关技术功能来分析。第一章绪论，把机电一体化产品的5个子系统与对应任务中的几个模块一一对应，着重分析每一构件的功能和要求。后续的每章是对应它的每一个子系统，最后是总体的设计。首先根据每一章节一个任务，把学生分成两个小组，每小组的每位同学都有具体的分工，通过查阅大量资料，结合学过的专业知识，探索和讨论来解决问题。

例如：一个护栏清洗机的设计中，我们对护拦清洗机的结构分析：驱动部件是由两个履带结构组成，清洗部件由两对清洗刷组成，水循环系统、控制部分有电机2台，还有采用无线收发遥控控制。这个设计中包含了机械结构和机械传动部分，电机选择，电子技术的遥控部分，还有相应的计算和接口的设计。我们就分成了4个小作业，运用机械传动知识设计履带结构和清洗刷的选择，运用电机及拖动基础的知识来选择电机部分，运用电子技术和单片机的知识来完成无线遥控的设计，各部件之间的接口部分要相互匹配。

笔者的方法是在每章节分析了原理后让学生讨论并进行分析设计，在每一模块都有对应的任务，模块与功能如下表所示。在第二章机械部件设计中对护栏清洗机的机构部分提出该设计的运动要求和护栏要求，学生根据所学内容进行选择他们的传动部件、材料以及相应的校核，并做出三维仿真。每一组要完成设计并与其他组方案进行比较，比如第一小组采用同步带传动，第二小组采用的是钢带传动，那么两组要说明选择的原理并比较得出本组设计的优缺点。完成全部的设计有一定的工作量和难度，这就需要学生之间进行相互合作、相互学习探索。在第三章的动力系统设计中，教师提出它的清洗速度和清洁度，要求学生计算参数选择电动机并进行校核，同样的分别要求第一小组采用交流电机，第二小组采用的是直流电机，两组学生都要说明所选择的电机型号的计算方法和交、直流电机的区别。在第四章检测控制中提出清洗机控制方式，学生要运用各种电子技术和传感器检测技术相关知识来完成系统的控制检测，选择面板控制和遥控控制同时进行。在这里同样的我们分别要求第一小组采用单片机，第二小组采用可编程控制器，通过仿真比较可以看出两者的差别并说明两者的成本差别。第五章的总体设计中再对所有的模块进行汇总，选择匹配的接口，前面分组中每个模块相同的设计就决定了接口方式的差异，要求两组同学比较接口电路的变换方式。最后，把完成的设计结果进行比较，如对仿真、机构的复杂性、系统的稳定性、面板操作性、成本和市场分析等进行比较，得出设计最佳方案，作为考核学生设计的一个重要指标。

机电一体化系统构成与护栏清洗机构成要素的对应关系

任务的评价是该教学方法的重要组成部分，学生不能走过场。笔者要求学生对每次任务进行跟踪记录，并要求每个任务都要以仿真的形式演示产品的功能。设计全部完成后，最后以机电一体化产品的评价标准是否满足“高性能、低价格、省能源、轻薄短小化”来评价任务完成的质量，以达到考核的目的。

经过教学实践，与传统教学法相比较，教学效果有了很大的提升，具体列表如下：

4 实践任务驱动教学法存在问题

通过实践发现任务驱动法也存在一些问题和不足。第一，要求教师具有丰富的实践经验，知识面广。本课程的每章节都要求学生采用设计小产品的形式完成教学，这也要求教师要具备丰富的设计经验，精通各种软硬件知识，有较强的实践能力，否则无法为学生答疑解惑。因为“机电一体化系统设计”所包涵的内容非常广泛，所涉及到的知识点也很丰富，包括机械设计、电机选择、微机的选择与设计、传感检测设计等多门课程。教师需要通过参加各种机械、电子类设计大赛和完成多项科研项目才能积累丰富的设计经验和提升教师的设计能力，按照目前的现状，在教师的科研水平普遍不强的前提下很难完成这种形式的教学。第二，任务驱动法很难全面开展。每布置一个任务，一般由一个小组5～6个学生共同完成，每个学生都有自己的任务和责任，就不会造成一些学生滥竽充数、浑水摸鱼的情况。目前主要以大班上课为主，一般是每班60～70人，一次分有10个组，最少也有4个题目。题目太少，学生互相抄袭现象严重，没有创新性，题目太多教师也指导不过来。所以要以小班规模上课，30～40人每班，每次2个题目，教师也能在自己的能力范围内给学生指导。第三，学生的设计能力有待提高。前面所说本课程包含丰富的知识，多门专业课的结合体，要求学生能够完成设计的前提是前面的基础要牢固。设计要求学生有一定的分析问题能力、计算能力、计算机应用能力等，这些都要求学生从大一的高等数学、大学物理，到大二的理论力学、工程力学、机械原理、机械设计等基础知识能够熟练地应用，有一些设计性的科目还要有设计的经验，有一定的动手能力。否则到大四才考虑设计，学生无从下手，也无法在短时间内完成每章节的课题设计，更别提综合设计了。

5 结束语

任务驱动法是教师与学生共同参与教学活动的过程，学生是主体，学生在查阅资料探索设计的过程中加深了对产品设计流程的理解，掌握了设计思路和设计方法，也激发了浓厚的学习兴趣和团队创新精神。任务驱动法在实践中也发现了一些不足，这些不是通过各方面的提升可以得到改善的。总之，任务驱动教学法改变了传统的以教师为主、学生为辅的教学方法，提高了教学质量。

[1]张建民.机电一体化系统设计[M].北京:高等教育出版社,2007.

[2]胡庆芳，程可拉.美国项目研究模式的学习概论[J].外国教育研究,2003(8).

[3]王晶.第三届全国大学生机械创新设计大赛决赛作品选集[M].北京:高等教育出版社,2010.

G642.0

A

1673-8535(2013)06-0093-04

邓鹰飞（1979-），女，广西南宁人，梧州学院电子信息工程系教师，主要研究方向：仪器仪表工程。

（责任编辑：覃华巧）

2013-09-12