机电一体化课程设计教学实践研究*

2014-02-06李立成徐漫琳柯昌辅

中国教育技术装备 2014年20期

◆李立成徐漫琳柯昌辅

作者：李立成，重庆大学城市科技学院助教，主要研究方向为机械电子；徐漫琳、柯昌辅，重庆大学城市科技学院（402167）。

机电一体化课程设计作为机械电子专业的实践教学环节，要求学生综合运用所学过的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，实现独立多学科的知识的有机综合。随着现代社会的高速发展，机电一体化技术在大型机械和微机上有着很重要的应用。因此，目前如何在大学教育实践中落实创新能力培养是一个亟待解决的问题[1]。特别需要指出的是，如何在传统机械工程教学中进行创新能力培养，既是新问题，又是大难题。

1 设计实践课的基本目标

机电一体化设计实践课程是基于机电一体化技术，整合机械精密传动、计算机信息处理技术、传感器检测技术、自动控制技术、伺服驱动技术以及系统总体技术等，“以机为主，以电为用”。本课程设计在机械设计实践进行之后，安排在本科第三学年下学期，从机械设计实践的能力提升到机电系统设计、制作、调试等课程实践活动，配备课程实践器材供学生进行实践操作，激励学习的积极性，提高学生的机械设计能力、机械优化设计能力，综合运用多学科知识解决实际问题。

理论设计能力与实践能力在机电一体化设计实践过程中，学生的能力客观上存在差距，因此，课程设计的理论设计要求与实践操作要求要存在难度梯度，在课程实践中注重学生新思想和新理论的提出[2]，并善于发现问题、提出问题，碰到难题，善于发挥团队的智慧和团队力量，以弥补个人的能力不足。课程实践使学生把所学过的机械、电气、自动控制等理论知识综合应用到设计实践中。

创新能力培养在实践中推动学生创新能力的培养，机械设计专业学生可以拥有自己的想法，对机械部分进行优化设计，鼓励学生使用当前新技术、新方法，做到“不唯书，而唯实”。要降低成本，提高设计精度和稳定性。在课程实践中不固定方案，比如系统中的转向机构，学生可以选择曲柄摇杆机构、齿轮齿条等，进行创新性探究。课程设计中只提供实践的指导性目标和必要工具及器材，只针对设计路线进行必要的提示，不对方案进行统一讲解，由学生自己查阅资料，自己独立设计，遇到问题由指导教师进行分析和讲解，对其方案和想法的可行性做出判断，方向不对时应及时引导正确的方向，既能保证学生创新性想法的实现，又能有效防止学生走错方向。

2 课程设计内容及选题原则

根据机电一体化人才培养方案和本专业的课程设置，研究改革课程设计大纲基本要求。根据应用型和创新型人才培养要求，课题的方向主要分为两大方向进行选择：一类题目主要针对应用能力培养，把本专业的知识进行有机的综合，提高学生的综合实践能力；另一类题目主要针对创新能力培养，结合创新设计大赛相关题目，把本专业的知识进行创新性应用，提高学生的创新设计能力。

普通型课程设计题目

1）向学生征集。在课程中学生拥有与课程设计相关的好想法，可以展开讨论，要求对其方案进行分析，符合课程设计要求的，教师根据其内容下达课程设计的任务。实践证明，对自己提供方向的题目，学生的积极性会很强。

2）选择典型机电一体化产品让学生进行设计，结合学生的实力进行选取，同时与本专业的专业方向尽可能的相关，开发学生的潜能。比如数控方向的学生，可以选择数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计、数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计等，为未来职业发展打下好的基础。

3）学习借鉴其他学校机电一体化设计的内容，在现有设计内容的基础上，根据本校本专业课程设置的特点，对设计的内容做以适当增减，以适合本专业的学生。

创新型课程设计题目可以借鉴全国机械创新设计大赛的课题[3]，其中每届成功参与全国总决赛的作品都收录在决赛作品选集中，由高等教育出版社出版。这里面有比较好的案例，同时作品中也存在可以改进的地方，有兴趣的学生可以从中选择与机电一体化相关的课题，提升自己的能力。在条件允许的情况下，可以做出产品的模型，提高学生的机电一体化能力，同时也可以为学生参加今后的机械创新设计大赛做准备，做到“以学促赛，以赛促学”。

在专业教学中，学生经常会困惑本专业毕业后到底有什么前途？能做什么？机电一体化课程设计教学贴近实际，能把多门专业课有机地结合起来，把枯燥的课本知识灵活地运用，极大地鼓舞了学生的兴趣，激发学生对实际问题的思考，对工程实践产生浓厚的兴趣。坚持理论教学与实践教学并重，可大幅提高教学效率和教学质量，同时为选拔优秀学生参加机械类学科竞赛提供条件。

3 课程设计的实施方式

课程设计实施方案：设计报告书是对整个设计过程的总结和提升，也是进行工程交流的重要文献资料，通过指导学生撰写课程设计报告书，培养学生撰写工程技术文档的能力。对设计说明书的撰写，提出如下要求：

1）严禁课程设计报告抄袭，基本工作独立完成；

2）根据任务书能提出合理的设计方案和机构的工作原理；

3）设计要符合国家标准，学会使用设计手册、专业术语、专业名词规范；

4）设计图图纸规范，符合设计说明书的要求，不照抄手册和案例，设计参数与图纸相一致；

5）学会使用专业相关软件，对设计的机械机构和控制部分进行分析和仿真，是验证设计正确的有效手段之一；

6）课程设计配备了一些实际的零部件可供学生设计使用，以及基本的控制电路，学生要具备一定的实践操作能力，掌握器件的选择与焊接，会进行程序的编写，掌握系统故障的检测与维修能力。

课程设计采用分组式进行，每个小组3～5人，视工作量而定。课题难度较大可以分五人，原则上一般三人为一组。每个小组在规定的时间完成基本要求，每个学生都要参与该组课程设计答辩，通过问题了解学生在课程设计中所做的主要工作，检查有无抄袭情况、有无坐享其成的学生，结合设计报告书的撰写质量和实际所做的产品质量进行综合评定。

4 实施效果

通过在重庆大学机械电子工程专业的实践，在机械电子工程专业中开设机电一体化课程设计，已基本摸索出培养机电复合型技术人才的规律。

普通型题目实现机电融合、知识整合理论教学与工程实践并重。由于在教学中缺乏机电知识综合运用能力的培养和训练，学生在学习了机械设计、机械制造和电子技术、计算机技术和传感器技术等基础课程后，不能很好地将机、电的知识融会贯通，大多数学生也只是了解基本的机电设备的基本功能，在系统运用中存在问题，在机电一体化系统的综合设计方面存在不少困难。通过开设机电一体化课程设计实践教学环节，通过理论设计与实际操作，比如数控工作台进给系统的设计，从电机、联轴器、丝杠、导轨的设计到型号的选择、控制单片机的设计与仿真，最终实现数控工作台进给系统的装配与调试。机电一体化课程设计对学生的理论知识与实践紧密地连接起来，提高了学生的综合应用能力。

创新型题目为学生参加机械创新竞赛做了铺垫通过课程设计，为机械学科学生参加如全国大学生机械创新设计大赛做了铺垫。在第六届全国大学生机械创新设计大赛（重庆赛区）中，学生荣获重庆赛区一等奖一项、二等奖一项。其中，“幻显黑板”作品获得国家专利。该作品包括了框架的设计、传动系统布置，控制系统采用单片机控制，执行元件有步进电机、直流电机、电磁离合器、电磁制动器、光电编码器等器件。本次参赛作品充分运用机电一体化技术，机电一体化课程设计改革效果显著。