《机电一体化系统设计》课程的项目教学实践

文 韬，龚中良，陈 飞，李立君，胡劲松，易春峰

（中南林业科技大学 机电工程学院，湖南 长沙 410004）

《机电一体化系统设计》课程的项目教学实践

文 韬，龚中良，陈 飞，李立君，胡劲松，易春峰

（中南林业科技大学 机电工程学院，湖南 长沙 410004）

鉴于《机电一体化系统设计》课程理论与实践紧密结合的特点，提出了项目驱动的一体化教学方法，并结合零件加工生产线机动升降转台课程项目，建立了《机电一体化系统设计》课程一体化内容体系。两年来的教学实践证明该教学方法能有效地完成了教学任务，激发了学生学习主观能动性，使学生学习机电一体化系统设计知识系统、连贯，真正提高其设计能力，值得同类型学科教学借鉴和参考。

机电一体化；项目驱动；教学实践

高等教育工学类本科培养目标是培育符合社会工业产业发展要求的专业性人才，工学类本科教学课程设置分为基础课、专业基础课和专业课3大类别，[1]传统的以教师为中心，以课堂理论知识讲授为主体、采用理论考试成绩评价学生素质的教育模式已不能顺应现代产业发展导向和适应社会发展需求。[2]

《机电一体化系统设计》课程强调运用多种专业理论知识解决具体工程实践问题，具有较高的综合性和实践性。[3]传统教学方法侧重理论讲授，与实践联系不够紧密，使学生对所学知识不能融会贯通，知识和技术的转化存在严重脱节，难以达到学以致用的教学要求。鉴于《机电一体化系统设计》课程理论与实践紧密结合的特点，本文提出一种项目驱动的一体化教学方法，采取项目任务引导理论教学和理论教学指导项目实践的互动方式，将项目实施和理论讲授有机融合，提高教学效果。

一、课程教学目标及体系构建

《机电一体化系统设计》是机械设计制造及其自动化专业的主干课程，是一门理论和实践紧密结合的专业提升课。[4]近年来，笔者所在的教研组不断进行课程教学改革，结合课程体系建设的培养目标，根据项目管理培养方式重新整合教学资源，积极探索构建了以学生为主体的“理论教学”与“项目研究”相辅相成的一体化教学体系，体现了对学生“知识和技能综合培养”的教学思想。

课程教学体系由理论教学和项目研究2部分构成，两者形式上相互独立，教学过程贯通融合。理论教学强调知识结构系统性和教学体系完整性的统一，侧重将机械设计、电工电子、传感器检测、自动控制和计算机应用技术有机地结合；项目研究激发学生的学习兴趣和创新精神，引导学生对机械本体和电子、电气控制的软硬件设计过程进行全面学习，提高其分析问题和解决实际工程问题的能力，培养学生的工程化能力，将整个“机电”真正有机而系统地结合起来，使抽象理论通过项目实践具体化。

二、项目驱动的教学理念

项目教学（Project based learning, PBL），[5]是基于建构主义学习理论的教学方法，指通过实施一个完整的项目而进行的教学活动。建构主义学习理论认为，知识的获取不是通过教师传授获得，而是学生在一定的情景下，借助教师和同学的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得。[6]在建构主义学习理论指导下的项目教学法适用于各类实践性和操作性较强的知识和技能的学习。《机电一体化系统设计》课程偏重于操作和实践活动，因此项目教学法是深化课程实践、引导学生学以致用的理想教学法。

机电一体化系统设计的核心问题是机械与电子有机结合，实现系统或产品整体性能最优，系统设计过程中涉及机械设计、伺服驱动、传感检测、自动控制和信息处理等知识，且每部分知识都有理论和工程实现两方面的内容，教学目标不但要让学生懂得其原理，而且还要掌握如何运用所学知识对机电一体化产品进行分析或设计。[7]鉴于上述教学要求，采用一个项目贯穿整个机电一体化系统设计的理论和实践教学环节，通过剖析某一具体机电一体化系统设计过程串联讲解理论知识，构建机电一体化技术的知识体系，进行一体化教学，是一个可行且有效的方法。

针对零件加工生产线机动升降转台机电一体化设计任务进行知识分解，可建立机电一体化系统设计课程的一体化教学体系。首先从项目实施角度开展机动升降转台机电一体化系统设计包括：1）明确设计需求：全自动控制机动转台工作；2）分析技术要求：①升降机构提升高度为83 cm，使待转动台面高于挡板；②保证转台转过角度为90°的准确性；3）调研类似产品和查阅相关技术文献；4）划分功能模块：①机械传动、旋转、支撑部件设计；②执行元件的选择与设计；③控制系统传感元件选择与检测控制接口设计；④选取合适的控制算法；⑤计算机仿真和实验分析控制性能；5）方案对比定型；6）拟定总体设计技术路线；7）编写总体设计说明书。然后将项目设计实践中所涉及的理论知识总结和梳理归纳为机械系统部件的选择和设计、执行元件选择和设计、微机控制系统的选择与设计及机电一体化系统元、部件特性分析5部分内容，形成机电一体化系统设计课程的理论教学体系。课程教学过程以零件加工生产线机动升降转台机电一体化设计项目为主线，通过项目实施剖析教学重点，形成基于项目驱动的一体化教学体系，实现理论教学和实践工作有机融合。

三、机电一体化系统设计教学实施

项目教学，强调通过项目研究实践中提出的问题，提炼出课程教学中的基本知识点、重点和难点，掌握系统的设计方法。教学过程参考项目实施方案，包括计划、实施、评定三个阶段，使学生认识实际项目实施的流程，并在这个过程中掌握机电一体化系统设计的理论知识，构建学生的知识体系，培养其分析问题和解决问题的能力。

(一 ) 制定项目计划书

在讲解完机电一体化系统设计课程绪论后，由教师制定机电一体化系统设计任务书，任务书包括设计题目、功能需求及技术要求，并指明项目教学的任务和意义：一是明确课程学习重点；二是掌握系统的设计方法完成项目任务需求；三是培养团队协作能力。

根据自由结合的原则，把全班分成几个小组布置项目任务，学生分别就任务书进行讨论、研究教材和查找资料，撰写项目实施计划书，内容包括项目完成预期目标、技术路线、技术难点、实施计划和人员安排等，促使学生明确理论学习内容和开展实践任务。

(二 ) 任务引导

按照任务引导的方式，教师指导学生根据项目实施设计书所涉及的知识模块，按技术路线划分任务节点，让学生确定完成任务存在哪些问题，解决上述问题需要掌握哪些知识点或工具。相应的基础理论知识由教师讲解，最后学生结合教师的讲授和自己搜集的资料解决问题完成任务。如在机械系统部件的选择与设计中精密螺旋传动部件设计任务节点，首先确定问题为螺旋传动机构选型、传动形式分类、差动传动原理、轴向间隙预紧和支承方式选取，然后由教师讲授上述问题的工作原理及实现方式，最后由学生应用理论知识开展自行设计实践。在完成整个精密螺旋传动部件设计项目后，要求学生提交项目设计技术报告，总结所用理论和技术，并论述所设计的传动部件性能是否达到了技术指标。

(三 ) 成绩评定

各学习小组课程执行情况和学习效果，先由学生对项目完成情况和课程学习体会进行自我评估，总结收获和不足。小组讨论给出成绩之后再由教师对项目完成情况进行综合评定，评分依据可通过学生完成的设计图纸、控制系统设计仿真实验数据和设计说明书进行评判，重点评价在项目工作中问题分析和解决方案，引导学生掌握学习重点与难点，分析理论学习和实践工作之间的区别和联系，加深理解机电一体化系统设计的理论和方法。

四、教学实践和效果评估

《机电一体化系统设计》课程改革实施以来，学生反响强烈，学生自身学习主观能动性得到很大激发，为了检验该课程教学模式改变后的教学效果，本课程将考核评估安排在教学过程中的最后一周进行，采取课堂互动讨论形式开展。以下是2010级机械设计制造及其自动化专业进行的一次讨论课情况。

讨论的内容为机动升降转台项目中升降和旋转机械部分设计方案比较。课堂讨论中首先由各小组主讲人汇报各自的设计方案。针对工作台升降旋转机械部分设计，本次课共提出了3种设计方案。A组方案为液压缸推动工作台升降，上升过程中工作台面超过挡板后，启动三相异步电动机带动涡轮蜗杆，使工作台旋转90°；B组方案同为液压缸推动工作台，但设计区别在于工作台固定轴安装在特制的套筒内，套筒表面设计有曲槽，工作台固定轴在液压缸推动下沿曲槽轨迹运动，当固定轴推至曲槽顶部时工作台面自动完成90°旋转；C组方案为工作台面升降通过丝杠螺母副传动和双连杆机构实现，连杆机构中的支撑杆安装在丝杠螺母副机构上，通过丝杠的旋转带动支撑杆水平移动，使连杆伸张和收缩实现台面升降，当工作台面超过挡板后，启动三相异步电动机带动涡轮蜗杆，使工作台旋转90°。

由于课堂方案汇报演讲采取教师随机确定每小组的汇报主讲人，这就要求小组的每位成员都必须融入到项目设计的各个环节，对所讨论的内容熟练掌握，明确任务分工，不作“甩手掌柜”。学生在讲解各自方案时，将设计图纸、试验仿真结果和计算分析过程通过PPT进行展示，突出将项目研究过程中存在的相关技术问题和理论知识紧密结合，综合运用专业知识分析和解决问题。各组设计方案汇报结束后，同学们可就提出的方案提问，答辩小组的同学针对问题集思广益，互相补充，课堂气氛活跃，互动场面热烈。最后环节，教师针对各小组的设计方案和问答环节表现情况，做最后点评，一方面肯定学生的成绩，另一方面指出设计中不足，提出建设性意见，梳理和归纳系统设计中的理论知识和关键技术，最后给每个汇报小组打出考核成绩。

通过讨论课围绕具体项目实施和理论学习开展互动讨论，全面检验了项目驱动的教学改革效果，检验的对象是学生和教师，学生通过在讨论课中的演讲、答辩、设计图纸展示和讲解设计理论，充分检验了学生阅读教材、文献和相关技术资料的学习过程，利用项目驱动方式培养了学生实践能力，加深了对机电一体化系统设计的知识理解。教师作为知识技能的传播者，通过在课堂教学中引入项目实施让理论讲授和实践应用结合更为紧密，侧重教授知识转化成技术的方法，使教学内容与时俱进，体验教学相长的过程，不断提升自身知识结构和教学水平。

五、结语

综合《机电一体化系统设计》课程复合性和实践性的课程性质，本文提出了项目驱动的一体化教学方法，并结合零件加工生产线机动升降转台课程项目，建立了《机电一体化系统设计》课程一体化内容体系。通过两年来项目驱动的教学实践取得了以下效果：①项目牵引的教学过程，增强了学生自主学习的主动性，引发其创新思维，培养了实践能力；②通过项目实施，制定任务书，提升了学生阅读教材、查阅文献和相关技术资料分析和解决问题的能力；③分组学习开展项目实施工作，使学生在团队中的沟通能力、协作能力和责任感得到锻炼和提高。整个教学过程以学生为主体，努力让学生自己构建机电一体化系统设计知识体系，取得了较好的教学效果，学生们普遍反映该教学模式新颖，知识学习系统、连贯，能真正提高自身设计能力，值得同类型学科教学借鉴和参考。

[1] 陶冬冰,孟宪军,张佰清,等.科研与教学相结合的人才培养模式的探索与实践[J].实验技术与管理,2011, 28(7):223-225.

[2] 周权锁,徐国华,尹晓明,等. 农业院校以科研促进实验教学的实践[J]. 高校实验室工作研究，2009, 101(3):1-3.

[3] 赵永生,郑魁敬,姚建涛.主动体验型互动教学模式探讨——《机电一体化系统设计》讨论课改革[J].教学研究,2010,33(4):47-49.

[4] 闫 华,汪木兰,朱思洪.《机电一体化系统设计》课程教学改革的实践[J].科技教育创新,2008, (15):240-242.

[5] 徐年华. 项目教学法在《电工技能与训练》课程教学中的应用[J].教育现代化,2006, (11):63.

[6] 王田苗,陈殿生,吴永亮.《机电控制基础》一体化项目教学实践[J].北京航空航天大学学报(社会科学版).2008, 21(2):77-80.

[7] 刘克非,汤小红,吴庆定.工程制图创新型教学体系的改革与实践——以建筑制图课程为例[J].中南林业科技大学学报(社会科学版),2013,7(5):213-215.

Projects Teaching Practices for the Course of Mechatronic System Design

WEN Tao, GONG Zhong-liang, CHEN Fei, LI Li-jun, HU Jin-song, YI Chun-feng
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

According to theories combined with practices closely characteristics for the course of mechatronic system design,an integrated teaching method based on projects driving was proposed and integrated teaching contents were build combined with a course project of automatic lifting and rotated platforms applied in parts processing fl ow lines in this paper. Teaching practices using the method mentioned over two years proved that teaching tasks have been accomplished. The method could inspire students’ motivation, promote students’ specialty knowledge studying systematically and consistently, enhance students’designing abilities and was worth learning and recommending for other similar courses teaching.

mechatronic; projects driving; teaching practices

G420

A

1673-9272(2014)04-0167-03

2014-05-06

湖南省普通高等学校改革研究项目：“林业院校本科专业创新人才培养模式的研究与实践”（编号：2011-137）。

文 韬（1983-），男，湖南长沙人，中南林业科技大学机电工程学院讲师，博士，研究方向：农业工程、机电一体化和信息技术研究。

[本文编校：李浩慧]