学生工程实践能力培养案例教学法实践

崔洪斌，赵月静，李红彦，任有志，张戌社，李玥华，杨 光

(河北科技大学 机械工程学院，河北 石家庄 050018)

为深入贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020 年)》，2012 年教育部颁布实施了《关于全面提高高等教育质量的若干意见》，提出要创新人才培养模式，完善人才培养质量标准体系，加大应用型和技能型人才培养力度[1]。学生的工程实践能力是指能熟练掌握社会生产或社会活动的基础知识和基本技能，能将专业知识和技能应用于实践的能力[2]。机电一体化技术是机械行业创新设计、科学研究的重要工具，对于培养具有工程实践和创新能力的现代化机械类应用型人才具有重要的作用[3]。机电专业学生的工程实践能力在各门专业课程的学习中逐渐养成。案例教学法是实现该目的的一种有效手段。

1 案例教学法介绍

案例教学(case teaching )起源于美国哈佛大学工商管理学院,是以典型案例为教学载体,作为整个教学的核心，将学习目标、能力培养、技能训练及科学知识等环节和内容都蕴含在案例当中[4]。通过设计合适的案例进行教学，来引导学生自主探索、分析、理解案例中所包含的多学科科学问题和相关技术及方法途径,最终掌握案例中的科学知识。学生可以将自己掌握的科学知识进行分析、应用、综合和评价,以培养独立思考、分析和解决工程实践问题的能力[5-7]。

案例教学法强调以理论知识为基础，理论联系实际，注重教育的主体性和互动性，突出教育的实践性和应用性，培养和提高学生的创新意识与应用能力，对高校培养应用型人才和提高高等教育质量，具有极其重要的现实作用。

2 机电专业课程现状分析

目前在河北科技大学机电专业模块中，有数控技术、机械制造自动化技术及机电一体化系统设计等专业课程，现有教学体系都是以理论讲述为主，实践教学为辅，无法开展足够的工程实践训练教学内容[8-11]。

机电一体化系统设计是机械设计制造及自动化专业的专业核心课程，是多学科交叉渗透形成的一门综合性应用型专业课[11]，也是培养学生创新设计能力、综合实践能力的重要教学内容，对于培养综合设计创新能力的机电工程类应用型人才具有重要作用[11-14]。由于该课程涉及机械原理、机械设计、机电传动与控制、传感器技术及自动控制等多门学科,包含大量的基本概念、方法和原理，具有知识面广、理论性和实践性都较强、综合性、应用性强的特点,要求学生熟练掌握，先修有关基础课内容[15]。现行传统教学中采用按学科序列分章节横向编排教学内容的方法，如图1所示。即课程的各章节独立介绍一个学科的内容，而各章节所介绍的内容学科不同，各部分内容之间相对独立且不深入,缺少一个可以将各多学科知识串联起来的主题，贯穿整个教学过程[15]。授课时容易造成内容割裂,变成各门先修课程的简单重复，学生在学习过程中很难将不同的章节知识串联起来。同时传统的教学方法很难与综合实践性训练内容相结合，难以达到这门课程的教学目的，导致学生兴趣逐渐丧失。受教学模式和时间条件的限制，现有的教学模式大多以理论知识讲授为主，对学生实践和应用能力的培养较少，导致大部分学生在毕业设计过程初期对设计的题目感到无从下手，没有思路，后面的方案设计及后续各部分的设计进展缓慢，毕业设计的质量和锻炼设计能力的效果很差，影响学生的就业及就业后的工作能力。

图1 传统教学中按学科序列分章节横向编排教学体系

机电一体化系统设计是机械专业机电方向面向生产实际的多学科综合课程，也是培养机电专业学生多学科知识的综合运用能力和工程实践能力相结合的典型课程[15]。本文以机电一体化系统设计课程为背景开展案例教学对学生工程实践能力培养的研究与实践，为后续其他专业课程的案例教学实施起到示范和推动作用。

3 案例式教学培养学生工程实践能力

把案例教学法应用在专业课程群的教学中的思路，为专业课程教学提出了一种新的教学模式，在此基础上建立实践平台，为学生工程实践能力培养提供了手段。如图2所示，选取典型机电系统案例作为教学主线，把各相关学科内容系统地联系起来，具体分析案例中的各个组成部分的原理和实现方法，构成一个系统的教学体系[15]，使学生对各学科知识进行综合运用，提高分析解决机电一体化专业工程问题的能力；同时充分利用综合实践教学环节，构建有关典型案例的教学实践平台；组织学生根据个人兴趣申报案例，设计实践环节分组，进行设计、装拆、调试和运行控制实验，完成整个机电一体化产品的综合设计工程实践练习，加强学生对典型机电产品设计开发过程的全面了解，掌握机电系统的一般设计方法，提高学生的工程实践能力。这种教学模式为工科专业课程教学提供了一种新的模式，该教学模式的探讨与运用对其他工科专业课的教学方式有一定的借鉴与启示作用。

图2 典型机电系统案例作为教学主线的教学体系

4 实施步骤

案例教学法在机电一体化系统中的应用可以按照如图3所示步骤进行。

4.1 教学内容和方法重构

收集典型机电一体化系统案例，按照案例材料的典型性、信息的适量性、案例的适用性、对案例进行内容的详细分析选择，既保证每个案例的特色鲜明，针对性强，同时又将多个案例重 复的理论知识合并集中，既保证机械、液压、气动、传感器检测技术、电气控制、PLC控制、PC总线控制、单片机控制、功率驱动及软件开发原理等学科知识覆盖全面，同时又避免不同案例中讲授重复内容，节约宝贵的理论教学时间。

图3 案例教学法在机电一体化系统中的应用实施步骤

对于每个教学案例，编写了教学内容简介，在学期初发给学生供学生了解并根据兴趣选择其中一个案例作为个性化后续案例实践实训题目，同时对各个案例的教学大纲、教案PPT及实践课程指导书等制定了统一的格式，由各个案例的负责教师分别撰写编制。

该课程理论学时40学时，分5个案例，每个案例讲授8学时，工程实践实训4周时间。

4.2 对典型案例进行案例设计

为了兼顾各学科知识的覆盖面及学科完整性，我们遴选设计了7个机电系统典型案例作为教学内容，即立体仓库、电梯、MPS模块化生产系统、自导引小车、基于PC总线X-Y工作台、柔性制造输送系统及气动机械手。

4.3 搭建综合实践练习平台

针对每一个案例的教学内容，我们都设计了相应的实践教学装置或制作材料。通过自制或改造及新设备采购等多种手段提供设计、装配、调试及运行机电系统的教学实践环节，给学生提供了动手实践的平台和时间，构建了一个实践教学体系。搭建了5个实践平台，保证了教学内容中每个案例都能与实践教学训练环节无缝对接，提高了学生的学习兴趣。利用个性化培养，学生根据自己的兴趣选择个性化的不同案例进行动手实践，把前边学到的理论知识与工程训练实践有机结合，培养和提高了同学们解决实际工程问题的能力。

4.4 对学生评价方法研究

案例教学的及时评价和教学反思，对案例教学起到指引、检测、鉴别和激励作用。合理的评价体系能提高学生在案例教学中体现的主动性、积极性与创造性等特质，能激发、强化学生主动学习、积极参与的浓厚兴趣。教学内容分理论与实践两个部分，因此，考核评价方式将分为笔试试卷和案例实训两个部分。笔试试卷部分考核案例理论知识；实训内容以分组形式，各组成员分工合作，最后完成以下内容：1)案例设计说明书一份；2)机械结构三维模型图1张(电子版)，二维设计装配图一张及主要零件图；3)电气系统原理图一张；4)调试通过的程序清单；5)演示视频。最后以小组为单位进行答辩，以整个设备能够调试运行通过为主要指标，同时每个人对设备的总体方案和主要内容进行陈述，对其负责的部分内容进行答辩询问，回答问题完整正确才算通过。这个可以督促每个人认真训练，达到培养工程实践能力的目的。

5 结束语

本次采用案例教学法和个性化工程实训教学方法对机电一体化技术课程进行改革教学实践,收到了较好的效果。通过案例教学法，案例中贯通知识结构系统性和教学体系完整性,使学生对机电一体化技术有较全面的认识,通过具体的案例，学生系统地掌握机电一体化系统总体设计的基本理论方法，各组成部分元部件的选择、计算，具备机电一体化系统的设计能力[11]。通过后续个性化工程实训，培养和提高了学生解决实际工程问题的能力[9]。我们深深体会到作为工科院校,专业课程的教学必须理论和实践相结合,才有利于调动学生的积极性、主动性和创造性,有利于培养学生的工程实践能力和创新能力。同时该项目的实施也为后续其他专业课程的案例教学实施起到示范和推动作用。

[1]许进杰.实践案例教学与应用型人才培养模式探析[J].大学教育，2013(6):60-61.

[2]钱锐.新时期高等院校应用型人才培养机制的构建[J].赤峰学院学报(汉文哲学社会科学版)，2012，33(4):207-209.

[3]张丽秀，张珂，吴玉厚，等.高校机电一体化技术课程教学模式改革[J].中国教育技术装备，2014(8):89-92.

[4]张国政.基于案例教学与PBL模式的教学改革与实践[J].宿州学院学报，2013，28(10):68-71.

[5]甄翠敏,杨洁.基于能力培养的案例教学方案[J].河北联合大学学报(社会科学版)，2013，13(2):89-92.

[6]陈福松.案例教学与创新型人才培养[J].扬州大学学报(高教研究版),2009，13(5)：82-84.

[7]孙松丽，王荣林，瞿志俊.机电一体化技术与系统课程教学改革与实践[J].大学教育，2015(10)：155-156.

[8]汪超.机电一体化技能型人才培养体系建设的研究[J]．商丘职业技术学院学报，2013，12(5):82-84.

[9]刘启航，安林超，王伟.机电一体化课程教学改革与实践教学适应性分析[J].中国教育技术装备，2013(21):139-140.

[10]姜庆昌，郭士清，陈光军.基于CDIO理念的机电一体化系统设计课程教学改革实践[J].黑龙江教育(高教研究与评估)，2012(1):8-9.

[11]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，2010，33(1):100-101.

[12]赵永生，姚建涛，郑魁敬，等.五位一体式“机电一体化系统设计”课程教学体系的建构与实践[J].中国大学教学，2010(3):40-42.

[13]杨中秀，魏学忠，程艳辉.加强机电一体化专业建设 培养高素质技能型人才[J].中国教育技术装备，2009(20):94-95.

[14]杨兴林.应用型人才及其培养模式的研究[J].黑龙江高教研究，2007(6):164-167.

[15]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，2012(9):101.