基于卓越工程师计划的专业课程教学模式探索

尤丽华 张秋菊 吴静静 陈海卫 安伟

摘要：在实施卓越工程师培养计划的教学实践中，针对《机电一体化系统设计》课程进行教学模式探索，提出了多层次任务驱动教学方法，归纳设计教学内容一条主线，定任务、分层次展开教学。根据认知规律把理论教学和实际训练在这条主线上融合成有机的整体并分层次循序渐进地进行教与学。突破传统的课堂教学和实践训练相对分割，学生听多思少、看多练少、写多做少的低效率教学模式，经过几年教学实践，教学效果显著，为综合性强、知识覆盖范围宽的工科专业课程教学改革提供了思路。

关键词：卓越课程；教学模式；多层次任务驱动教学法；机电一体化

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）05-0269-03

21世纪对人才的需求向两级化发展，一是多元化，二是专门化，大学教育模式也在随之发生改变。随着国家试行的卓越工程师培养计划的实施，大学工科教育需要实行“厚基础、重实践、强能力、彰个性”的培养模式。特别是和新兴学科密切相关专业领域的教育，由于其知识的理论性、综合性、实践性强，对于教育培养模式和教学方法的革新尤其重要。针对机电工程专业的核心课程《机电一体化系统设计》，笔者进行了多年的教学方法探索，在卓越课程建设中，对教学内容、内容的相互关系、学习的层次和进程、理论和实践如何相长等一系列问题进行了进一步的分析、梳理，在研究了认知规律的基础上，提出并实践了多层次任务驱动递进教学方法，取得了较好的效果。

一、课程分析

1.课程特点。《机电一体化系统设计》课程特点是：（1）课程内容知识面广，涵盖了计算机及信息处理技术、传感与检测技术、自动控制技术、机械技术等。和当代新技术发展紧密相关，学习掌握有难度。（2）课程既有较强的理论性更具实践性，理论联系实际的特点非常突出，学生需要具备机电专业的基本理论知识和一定的分析、动手能力[1]。（3）和其他课程的纵横向联系比较紧密，学生前面的课程没有学好会在本课程的学习中遇到阻力和困惑。（4）技术发展快，不像经典理论课程几十年不变，该课程需要不断随着技术发展更新内容。

2.课程内容分析。机电一体化技术是以六项共性关键技术为基础，涵盖机械技术、电子及计算机技术、信息技术、自动控制技术、传感与检测技术、伺服驱动技术，它们统称为21世纪高新技术中基础技术[2][3]。众多的内容融合在一门课程中，只有充分分析课程内容之间的结合点，将内容有机地串在一起形成一条主线，才能形成有序的教学进程，在有限的教学学时内达到教学目的。机电一体化系统由五大结构要素和两个联接要素组成，五大结构要素：机械结构、执行机构、检测系统、控制系统、动力源；两个联接要素：各结构要素间的接口、使各要素协同工作的相关软件。图1.1表达了各要素及其关系图。图中的各构成要素所涉及技术与六项共性关键技术相对应。该课程的学习内容就是以结构要素和联接要素为具象的六项共性关键技术。

二、教学方法探索

1.认知规律分析。人的认识规律一般是从宏观到微观、从微观再到宏观的过程，还要螺旋式反复才能认知。如图2.1宏观到微观，微观至宏观的递进循环认识过程。宏观时看到整体或只是表象，从宏观到微观的过程是将对象进行分解，如图2.1中的1、2、3…n部分。当人们对一个对象中包含的各个内容已经认知，接下来就要解决从微观到宏观的问题，也就是如何把各个知识点综合形成系统的知识链。对整体的新的宏观认识相比开始的宏观认识就会有质的飞跃。这个过程需要分层次的反复进行，才能有效的和人的认知过程相适应。

我们不妨认为存在两种认知循环，第一种为切入循环，第二种为递进循环。在各循环间具有认知层次的不同。根据认知者的差异和需要达到的目的，认知所需的递进循环次数不同，但是绝大多数认知者都必须要经历切入循环、递进循环。比如切入循环的认知程度至少使认知者能够清晰地描述对象的构成和构成要素的特征。递进循环使认知者能够认知对象构成的本质和方法，认知的深入程度取决于递进循环的次数，以及循环过程中对大脑的刺激方法。以上分析表明，分层次的递进训练教学模式是科学的方法。

2.多层次递进教学法。多层次递进教学首先解决三个主要问题，一是要合理地分清层次，二是教学内容载体的确定，三是教学激励方法。根据机电一体化系统设计课程理论性和实践性强的特点，教学可分成三个层次：第一层次是课堂理论教学和分解知识训练，第二层是实际系统设计编程训练，第三层是专业化设计训练。三个层次都和深化理论、加强实践能力培养相关，训练的力度是递进深化的。教学内容载体即体现理论知识的典型具象，确定典型实际系统作为教学内容的载体。学习激励方法是不可偏废的，经过分析研究，采用以任务为驱动的激励方法和多层次递进教学法。“任务驱动”是实施探究式教学模式的一种常用教学方式[4]。它的显著特征是：教师教学与学生学习基于几项给定的具体任务展开，适合于培养学生的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力，尤其适用于实践性较强的理工科的教学。但简单、孤立的任务驱动教学已经不能满足要求，本文实施的任务驱动教学是分层次逐步深化的教学体系。图2.2显示了三个层次的任务驱动递进教学法。分为基础性任务、实验室任务（实践训练）、专业设计任务。理论知识应该始终贯穿在各个任务驱动环节。各层次任务驱动教学对于学生的认知过程都是一次宏观到微观、微观再到宏观的循环。

三、教学方法实践

为了便于实施，在教学过程中采用了三级任务驱动递进教学法，即基础性任务驱动、实验室任务驱动和创新型任务驱动。

1.基础性任务驱动教学。在切入学习内容的课堂理论教学和初级层次的任务驱动教学环节，教学内容载体的选取和基础驱动任务的确定应该是统一的，选取原则是在专业范畴中具有典型性、基础性。本课程选择的内容载体是数控进给工作台，在机械工程及自动化专业领域中是典型的位置伺服系统。具有机电一体化系统的全部构成要素。该系统在机械传动部分涉及新型的传动元件、新材料、新工艺等内容；在检测元件方面涉及对速度、位置的检测方法、信号的处理等；在执行元件方面涉及控制与驱动方法；在控制器方面涉及计算机及电子电路构成，相关软件涉及控制理论及方法等；另外使各组成要素成为有机整体的接口技术等。总体设计的基本思路是根据系统性能要求，合理选择、设计和整合各构成要素，其中系统稳定性、精度和速度是需要着重考虑的内容[5]。在课堂教学中以该位置伺服系统作载体，分五大结构要素剖析知识点，同时给学生下达基础性分步设计任务——数控进给工作台设计。课堂教学中完成结构知识学习后，学生设计相应的结构要素，当教学内容完成，学生的设计工作也完成了。这样把教学内容贯穿于课题，使学生学有所用、即学即用，比学完课程再来搞实践有效得多。这种方法首先激发了学生的学习热情和自觉性，学习的针对性强，对知识点的掌握更快、更扎实。采取这样的教学方法学生需要更多的课后答疑和指导，教与学双方交流形成良好的相长状态。

2.实验室任务驱动教学。实验室任务驱动教学分两种，一种是对基础性任务过程中的设计环节进行实践验证，另一种是应用性实践训练。采用一体化教学方法，即把理论教学和实验室实践教学融为一体，作为对课堂教学的补充和提高。如果说，前面的基础性任务驱动教学在认知循环中属于切入循环，实验室任务驱动教学则进入到了递进循环。实践验证性的任务主要针对数控进给工作台设计中需要经实验验证的基础知识点，如新型传动元件的应用，伺服电机控制，编码盘、光栅的检测原理、信号处理等。在伺服电机控制实验中，学生被要求对步进电机的加减速方法、直流和交流伺服电机的控制等进行控制方法设计、实际编程运行，控制精度评价等。使学生发现设计中的参数选取、系统配置中的问题。应用性的实验室任务加入了设计环节，相比实践验证性任务具有系统性、综合性。具体做法是：在数控进给工作台的基础上，给学生下达相对复杂一些的机电系统的设计验证任务，比如自动上料系统、物料分拣系统等，学生首先根据下达的任务，分析功能和参数，进行设计，在实验设备上进行系统搭建，并按要求进行编程、调试。这一环节需要学生发挥主观能动性，有机综合各知识点，进行系统设计、验证，完成微观向宏观的认识递进。

3.创新型任务驱动教学。创新型任务驱动教学环节主要是模拟学生走上设计岗位后的工作模式，进行实际课题训练。设计课题涉及的技术问题是典型的机电系统中的关键技术、当前行业中需要解决的技术课题。学生们组成课题组，由学生自己担任课题组长，课题组成员之间既分工又合作共同完成设计，各个小组成员横向交流，共同进步[6]。课题以伺服系统为基础，在实际的课题和真实的设计环境中，使学生找到了角色定位，强化了责任感，激发了学习潜能。

课题的设计过程要求学生完成以下几个设计步骤：（1）系统总体设计：从整体目标出发综合分析设计对象的性能设计总体方案。（2）机械系统设计：机械系统机构选型、结构设计、强度和运动计算。（3）接口设计：人机接口和机电接口的硬件设计、程序编制。（4）检测系统设计：研究检测方法、合理选择传感器和检测电路、信号预处理方法等。（5）执行元件选择：分析执行元件的性能、选择执行元件。（6）控制系统设计：控制系统硬件设计、软件的编制。最终提交设计总图、电路原理图、程序框图、部分程序、系统搭建和调试、设计说明书等技术资料。学生进一步应用理论解决实际问题，培养科研能力、锻炼工程素质、开拓创新精神以及团队合作能力。全面训练学生综合运用本专业基础知识进行机电系统创新性设计的能力。在这一环节的教学中，学生显现了较高的学习积极性，设计出很多好的方案。

四、结论

1.按科学的认知规律，设计教学方法和进程，提出并实践了多层次任务驱动递进教学法，并取得了很好的效果，证明了所提出的教学方法的科学性和实际推广价值。

2.基于多层次任务驱动递进教学法以不同层次任务为主线、以递进循环方式为向导、以发挥学生主观学习意识为着力点，为学生营造理论和实际结合、认识和能力结合、学习和创新结合、课堂和工程环境结合的新型培养环境的理念和条件，为卓越工程师人才的培养奠定了环境基础。

参考文献：

[1]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].中国科技信息，2008，（15）：241-242.

[2]张建民.机电一体化系统设计[M].北京理工大学出版社，2012.

[3]郑堤，唐可洪.机电一体化设计基础[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4]宁伟，于永春，杜明.任务驱动教学法在计算机教学中的探索与实践[J].能源技术与管理，2006，（01）：102-105.

[5]张晓宇.案例教学法在《机电一体化系统设计》课程教学中的应用[J].科学咨询（科技·管理），2012，（09）：101.

[6]李琦，王基，刘永葆.《机电一体化系统设计》课程教学改革与实践[J].高等教育研究学报，2010，（01）：100-101.