机电一体化系统设计课程教学改革与实践

张卫亮 刘明君

宝鸡文理学院机械工程学院 陕西宝鸡 721016

机电一体化系统设计是由多种技术学科相互交叉、渗透而形成的一门综合性课程，所涉及的技术领域较为广泛，对培养学生机电产品设计能力、创新能力和动手能力具有重要作用[1,2]。传统教学多以课堂理论教学为主，实践环节偏少，由于本课程涉及知识点多、各章节连贯性差、知识跳跃性大、内容抽象难理解，大部分学生对本课程不感兴趣，导致本课程教学效果并不理想。

经问卷调查和学生反馈发现，学生对机电一体化系统设计课程学习过程中存在的主要问题大致如下：(1)学生对本课程兴趣较低，不能将生活中出现的机电一体系统和本课程联系起来，因此感觉本课程知识点枯燥乏味。(2)本课程对学生的知识面要求较广，由于学生对已学课程遗忘，因此学习过程中感到本课程较难。(3)本课程密切联系实践，但学生在本课程学习过程中反映出理论联系实际、动手能力较差。(4)本课程所涉及的技术领域较为广泛，传统的考核方式无法体现学生对课程的学习情况，流于形式。(5)本课程各章节内容相对独立，有些内容学生在相关的课程中已学习，如单片机、传感器等，主讲教师在教学过程中往往不加注意，使本课程变成“炒剩饭”，影响学生的学习兴趣和教学效果。(6)本课程教学过程中多以课堂理论教学为主，知识点很零散，学生难以掌握，如此的培养造成学生知识“全而不专”，无法在当前严峻的就业人群中脱颖而出。传统机电一体化系统设计课程组成如图1所示。

图1 传统机电一体化系统设计课程组成

鉴于此，改变传统的教学内容、教学方式和考核方式，提高学生对机电一体化系统设计课程的兴趣和学习积极性，培养学生的动手能力、创新意识和实践能力，使工科学生能够真正实现学以致用的任务迫在眉睫。

1 国内外机电一体化系统设计课程改革现状

为了提高学生的学习积极性，改善教学效果，国内外许多高校都对该课程的教学方式进行了各种探索和研究。麻省理工学院Trumper等学者，介绍了麻省理工学院机电一体化系统设计课程设置和相关实验室设施的发展，认为该课程以实验室实验为中心，因此在麻省理工学院实验室引进利用模块图形来编程的DSP板，使学生能够专注于每个实验，学生的成绩主要是通过专业教师答辩和实验室报告相结合给出[3-7]。国内如北京理工大学郝娟等学者，认为应该从教学内容和教学方式两个方面进行教学改革，其中，在教学内容上强调以系统设计方法为主线，以理论联系实际为导向，在教学方式中重视培养学生的学习兴趣和基础知识，对授课的内容不是“一刀切”，而是避轻就重[8-10]。

2 以项目为主导和以提高学生专业技能为目标的教改措施

秉承高校服务地方的宗旨，在国家倡导“产教融合、校企合作”的大背景下，本文提出以“立足区域经济发展需求、服务地方经济发展”为理念，以“提高学生专业技能、增强学生就业竞争力”为目标，以“推进校企合作，加强实践、实训和实验环节，改进传统教学方法”为手段，培养具有较强动手能力、创新意识和实践能力，拥有过硬的专业技能，能够解决工业生产中实际问题的工科人才，适合高校机电一体化系统设计课程教学改革的新措施，具体包括以下内容。

2.1 教学方式

针对机电一体化系统设计教学中存在的问题，本文提出教学方式改进措施如下：(1)针对课程章节内容跳跃性大的特点，主讲教师在理论课堂上，应该以典型机电一体系统实例为指引，将不同章节有跨越性的内容很好地结合起来，通过实例升华到本课程的相关知识和原理，增加学生对本课程的兴趣，做到深入浅出。(2)主讲教师在课后布置任务，让学生复习下节课要用的以前学过的知识点，这样通过本课程的学习，可以让学生系统复习与本课程相关的旧知识，温故而知新，将大学所学的不同课程的知识串起来，做到学以致用。

2.2 教学内容

国家每年举办各种大学生科技创新活动，大多高校都有相应的政策支持，在教学中充分利用这一条件，带领学生搭建各种机械模块，如机器人、智能家电、智能车等，完成其电机、传感器的选择、安装，完成其控制电路板的设计、制作、调试和软件编程的调试，培养学生的动手能力和创新意识，使学生学以致用，同时开发的机电产品也可作为课堂教具或实验装置，丰富实践教学内容。

2.3 教学环节

教学环节加入大量实验内容，增强学生的动手能力，通过实验也可以提高学生对课程的兴趣和成就感，通过学生在不同实验中的表现和兴趣，采取教师指导、自由组团的方式，将学生分为机械结构设计组、测试系统设计组、机器人创意组、数控加工组等，不同小组之间合作实施项目，设计机电一体化产品。

2.4 考核环节

对机电类专业实践性较强的核心课程(如单片机、PLC、测试技术等)，采取更加科学和全面的考核办法，即采用项目主导制，让学生利用所学知识设计工程实物，如测试系统设计、步进电机控制、焊接电路等，真正让学生学以致用，将专业课知识应用到实际生产中。学生以PowerPoint形式在项目完成后进行答辩。学生成绩由学生在项目实施过程中的表现(占50%)，学生最终答辩过程中的表现(占30%)，学生撰写项目心得(占20%)的方式考核(如图2所示)。

图2 考核方式流程图

3 机电一体化系统设计课程教改实施思路

机电一体化系统设计课程教改实施的主要思路如图3所示，在传统的机电一体化系统设计课程大纲和培养计划的基础上，充分利用学院现有实验设备和资源，增加单片机硬件系统实验、传感器与测试技术实验、工业自动化实训实验、3D打印实验等与课程相关的实验环节，考虑到机械专业学生对电方面内容较为薄弱，因此实验内容侧重于电方面，通过课程教学过程中的实验，增强学生对课程的兴趣、提高学生的动手能力和实践能力。

图3 教改实施的主要思路

如图4所示，根据学生在实验过程中的兴趣，采取自由组合的方式，将学生分为“机械结构设计组、单片机硬件电路组、控制系统和机电融合设计组、测试系统设计组、机器人创意组”等若干团队，区别团队方向差异，带学生去相关企业参观，由企业教师指导企业专业方面的知识，之后在企业和校内教师的指导下，将项目任务下达学生团队，并由学生做出项目实施的方案，项目方案通过答辩后，由学生实施项目研究和设计，中期项目团队以PowerPoint形式定期向指导教师汇报项目实施情况。考虑到机电一体化系统较为复杂，因此团队之间采用“并行”的方式，对于复杂系统，可以将系统分解给多个团队，团队之间在项目实施过程中定期沟通、协商，完成各自负责的部分，之后再将不同团队的设计内容整合为机电一体化系统。项目如此进行的目的，主要是为了让学生掌握机电一体系统知识的同时，具有自己擅长的方向，最大限度地保证学生就业过程中具有与众不同的亮点，能够脱颖而出。

图4 团队分组合作模式

由于项目团队成员在完成项目的整个过程中，掌握了相关专业方面扎实的知识，因此，可以推荐优秀项目团队成员到相关企业工作，优秀项目团队成员上班后，可以通过QQ群、邮件、微信群等网络方式继续参与学校团队，指导学弟、学妹的项目研究，并为项目提供创意和最新的行业发展、就业招聘信息。此外，优秀项目团队成员可以根据企业需求，对学院人才培养计划和人才培养模式进行反馈，学院论证后根据企业需求改进学校的人才培养模式。

整个人才培养过程中搭建了“企业-高校-学生”三位一体人才培养模式，高校人才培养过程中将“满足企业对人才的需求”作为高校人才培养的目标，培养过程注重提高工科学生的专业技能、动手能力、团队合作能力和创新能力，确保学生拥有一技之长，可以找到满意的工作。而且企业和毕业学生可以对高校的人才培养进行反馈，这些良性循环的措施确保培养的人才水平越来越高。

4 教学改革成效

采用本文所述方案实施教学改革之后，大大提高了学生的学习热情和主观能动性，授课班级学生先后参加陕西省“互联网+”创新创业大赛、第四届全球创客嘉年华(Global Innovator Festa，GIF)和中国机器人大赛等创新创业比赛，取得一定收获和成绩。

此外，采用本文所述方案改革之后，极大增强了学生对机电一体化系统设计课程的学习兴趣。以下抽取我院机械电子工程(简称“机电”)和机械设计制造及自动化(简称“机制”)两个专业共同开设的课程机电一体化系统设计课程进行调查分析，其中，样本1为采用教改方案的2014级机电1班学号前30号的学生，样本2为未采用教改方案的2014级机制3班学号前30号的学生，结果见表1。

表1 问卷统计表

统计结果显示，本文所述教改方案对提高学生学习兴趣、增加学生实践动手能力和创新能力，均有一定的效果。

5 结语

(1)本文对传统课程考核方式的不足进行改革，提出通过让学生团队合作，设计产品和撰写课程学习体会的方式，对课程进行考核，这种考核方式，提高了学生实践动手能力和创新能力，增加学生对专业知识的兴趣。

(2)本文采用反馈式闭环结构，让优秀毕业团队成员参与整个项目环节，可以对学院培养计划和教学大纲等进行反馈，参与整个培养环节，有助于课程改革模式提升。

(3)根据学生兴趣，让学生形成专业方向团队，参与项目解决实际问题，因此经过本项目后，改变了目前大学生知识“全而不专”导致就业难的现状，提高了学生专业技能和工程能力，增加了学生的就业机会。

(4)本文所述培养过程中，要求学生到校企合作的企业实际考察，真正实现了“企业-高校-学生”三位一体的培养模式。