项目式教学过程中对机电专业学生工程能力培养的探索与研究

张红勇 郑勐 张晓晖 黄军勤 刘玮 徐瑾

摘要：工程教育认证通用标准明确要求工科毕业生具备“设计复杂工程问题解决方案”的工程能力。工程能力体现在解决工程问题的技术方案佳、成本低、性能强、操控清晰、运行安全可靠、布局规划合理等方面。文章以项目式教学过程中的机电项目为例，对如何培养机电专业学生具备综合工程能力进行探索与研究。

关键词：工程教育认证；复杂工程问题；工程能力

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）31-0088-02

一、教学项目规划

项目式教学让学生真实体验工程项目的整个实施过程，以小见大。针对工程人才实际需求和学生专业知识参差不齐的情况，不同专业的教师团队设计和规划切合工程实际、覆盖专业宽的多层次、高质量综合项目，将工程能力涉及的方方面面渗透到项目教学实施过程中的各个环节：（1）设计、测试环节，培养学生的自主学习意识，查阅资料，了解专业知识及相关工程实际现状、不足、迫切需要解决的问题等；设计技术方案，测试可行性，确保运行安全可靠，核算成本。（2）加工生产、组装调试阶段，引导学生仔细观察、发现问题，用理论分析解决问题，提出改进思路。（3）激发学生敢于想象，灵活思维，对项目整体性能进行优化、提升和创新。

二、教学过程具体实施

教学过程中，教师根据学生的专业知识层次将学生分组，以项目团队形式在规定学时完成项目选择、方案设计、测试验证、装配调试、撰写报告的整个实践过程。方案佳、成本低、性能强、操控清晰、运行安全可靠、布局规划合理的项目，是工程设计人员综合工程能力强的真实体现。如何使学生初步具备上述解决复杂工程问题的能力，是一个值得探索的课题。

1.引导学生了解项目多样化的实际需求，通过对比论证不同技术方案，培养学生具有设计方案佳、成本低、性能强的工程能力。复杂的机电项目，由若干相互独立的子功能项目或相互耦合的子功能项目构成，对相互耦合的子功能项目，某一子功能项目调整，不仅其自己独立的部分性能状态发生变化，而且与其耦合的其他子功能项目性能状态也会受影响，发生变化。因此，方案设计时，把项目拆解成相互独立或耦合程度尽可能弱的多项子功能项目，是顺利完成整个项目至关重要的环节。

对拆解的每一子功能项目，查阅资料，在掌握了解类似项目技术现状、存在问题的基础上，精心研究，设计方案，保持或改变任何感兴趣的可调变量，应变量随之相应改变，项目性能状态调整，达到期望的要求。以机电项目为例，机械专业学生提出各自的想法，有不同的结构、传动及链接；电气控制专业的学生根据不同机械结构、传动提出多种控制方案。以基础的电机驱动为例，选择不同的控制元件、控制方式、驱动电机（如图1），达到同一目标。

项目拆解、设计方案过程中，项目成员探索讨论，相互协作，对负责设计内容进行调整时，必须顾及对其他队友负责设计部分可能带来的影响，培养良好的团队意识。多种想法思路的碰撞，不同专业知识的渗透制约，促动探求欲强学生持续性、自主性学习能力的不断提升。预算不同方案的各种成本，包括元件、加工生产及后期运行维护成本等，将实际成本控制在课程项目计划的范围，培养学生的综合成本控制意识。衡量性能、成本之比，作为选择项目最佳控制方案的主要条件，达到锻炼学生选择低成本、强功能方案的工程意识和能力。

2.引导学生了解项目使用背景，培养学生设计操作系统清晰易懂、符合使用人员习惯的工程能力。HMI（Human Machine Interface）是系统和使用者之间交换信息的窗口。要让学生明确：HMI必须全面展示项目的各种功能，各功能间的制约、联动及重要监控参数、报警信息等，这要依靠条理清晰易懂的HMI可操作信息和提示信息。培养学生具有下列品质：（1）按照项目对象的应用场合及各子功能项目类型、使用频率高低，合理划分功能区域，提高操作效率；（2）通过不同颜色的窗口、字体等信息区分不同功能，减少误操作；（3）思考顧及使用人员的背景。基于上述因素，培养学生设计适合操作人员背景的友好、易懂的HMI操作界面的工程能力。

3.引导学生了解项目的使用环境，培养学生设计项目运行稳定、可靠安全，实物布局、规划合理的工程能力。稳定、可靠、安全的意识贯穿项目教学整个过程。（1）工程项目保护部分比主控部分更重要，设计阶段全面考虑常见的传动超行程、电机拖动过载、短路，温度超温等，以及各功能单元的制约互锁等，从技术方案源头确保安全；（2）加工装配阶段，学生动手操作，涉及各种设备、工具的规范使用，安全操作；（3）调试阶段，尽力减少可以避免的损失，规范操作，打开电源开关之前进行电源检测，避免由于电源类型、幅值不正确造成元件的损坏；通电以后，仔细观察是否有怪声、过热等异常现象，随时做好断电的准备；如有异常，立刻断电，查明故障，未查明原因，不得通电。项目教学过程中要将工程安全、可靠意识印在每一个学生心里。

复杂工程项目，分为三大单元，即执行单元、本地操作控制单元和远程操作控制单元。本地操作控制单元为项目的检测调试、现场维护提供方便；远程操作控制单元改善工作环境，自动化、智能化程度提高。项目合理布局、规划体现在：（1）分析工程项目的实际运行状况，远程和本地操作控制的功能分类合理，避免冗余重复；（2）执行单元内部工程件布局合理，保证工程件安装方便，确保足够的运转空间，拆装维护空间、散热空间；操作控制单元，保证物理空间，确保控制元器件的布局合理，连线方便，避免电磁感应的干扰；（3）各单元间布局合理，符合规范标准。保护不同单元间传输信号的连接部分，对运动单元的连接，确保在运动过程中不会出现拧绞、长度不够、拉断等损坏现象。

三、教学项目实例展示

图2是教学项目带传动运送物件实例：机械结构设计了运送物件和推物件两套运动系统；电控功能，两套电机驱动控制；推物件电机驱动根据是否有物件运送到位的检测信号周期性启动、停止；对物件计数，达到设定数量，传送电机驱动停止，发出提示信息。整个项目达到模拟实际工程应用的效果。

四、结束语

在新形势、新需求下，加强工科生工程综合能力培养，是对新工科学生培养方式、内容的探索，是对工科学科建设的优化和内容升级的基础。我们在工程技术综合实践项目式教学过程中，将不断探索、总结、改进，使其成为我校各专业学生理论学习的延伸、实践学习的依托，真正发挥其跨学科、综合性的教学优势。

参考文献：

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