“机电一体化系统设计”教学方法改革探索

黄西娜 赵四海

［摘 要］ 在新工科、一流专业建设和工程教育认证的大背景下，机械工程专业迎来了重要的机遇，同时为机械工程专业的课程评价、毕业要求及人才培养体系的改革带来了巨大的挑战。因此，结合新时代学生的特点，为实现高素质综合应用型机械工程专业人才的培养，“机电一体化系统设计”课程教学小组对教学方法进行了一系列改革。课题组指出了传统教学方法在现代应用的局限性，在此基础上开展了以调动学生积极性和培养学生综合能力为主的教学改革，并对改革过程中遇到的困难和问题进行了详细探讨。

［关键词］ 机电一体化系统设计；教学内容；教学方法；交流方式

［基金项目］ 2022年度中国矿业大学（北京）本科教育教学改革与研究项目“机电一体化系统设计混合式教学改革探索”（J220407）

［作者简介］ 黄西娜（1987—），女，天津人，博士，中国矿业大学（北京）机械与电气工程学院讲师（通信作者），主要从事增材制造及高温高压成形研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）27-0053-04 ［收稿日期］ 2022-09-24

2017年，新工科建设的提出奏响了人才培养的主旋律，开拓了工程教育改革的新途径，为培养工程创新人才开启了新篇章。2019年，一流本科专业建设“双万计划”启动，作为“双万计划”核心的学科建设、专业建设和课程建设是当前全国高等教育改革重要政策的抓手。一流专业要“以本为本”，能坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的基本理念，积极推进新工科等“四新”建设，不断完善协同育人和实践教学机制。此外，工程教育认证的积极开展，使教育理念逐渐向成果（能力）导向教育、目标导向教育、需求导向教育的方向发展［1］。在新时代教育大背景下，各高校正面临培养适应国家发展需要的高素质综合应用型人才的巨大挑战［2-3］。机械工程专业被誉为“工科之母”，是全球工业化、信息化及智能化的基础，对于培养高素质综合应用型机械工程专业人才具有重要意义。“机电一体化系统设计”课程是教育部认定的首批国家级一流本科课程，融合了机械工程、电气工程、计算机科学和信息技术等新兴学科［4-5］，突出了理论性强、实践性强和综合性强的特点，在机械工程专业本科生培养中具有重要地位［6］。然而，传统的教学方法已无法适应新时代的教育背景，机电一体化系统设计人才的培养面临诸多问题。因此，培养机电一体化系统设计的复合型人才的高校教育方法仍需不断改革和探索。

一、“机电一体化系统设计”课程特点

“机电一体化系统设计”是在大规模集成电路和微电子技术的基础上发展起来的，该课程融合了机械工程、电气工程、计算机科学和信息技术等学科，内容涉及了传感器的静态、动态特性，伺服电机开环、闭环的稳态特性，以及控制系统的数学模型等，是一门理论性和综合性极强的课程。此外，机电一体化系统的应用十分广泛，从数控机床、加工中心到智能机器人、柔性制造系统、计算机集成制造系统等［7］，对学生的设计能力和实践能力提出了更高的要求。因此，“机电一体化系统设计”除了理论性、综合性极强之外，也是一门应用性、实践性极强的课程，这使得“机电一体化系统设计”课程的教学改革面临更大的难度和挑战。因此，为培养复合型人才，可以从课程的理论性、综合性和实践性等多个角度入手，实现“机电一体化系统设计”课程的系统性改革。

二、教学方法的改革

高等学校教育改革的目标是培养适应社会发展需要的复合型人才，教育改革的对象是当代大学生。要想高效地实现教学改革，首先必须了解当代大学生的特点。当代大学生崇尚理性，他们善于思考，崇尚自主；当代大学生追求新潮，他们更加开放，乐于尝试新鲜事物；当代大学生尊重知识，他们借助科技手段，开辟了更广、更快的知识获取途径；当代大学生乐于交往，他们喜欢参加实践活动，从中获取知识。因此，如何根据当代大学生的特点选择适合他们的教学方法是“机电一体化系统设计”课程教学改革初期的重点。本文将从以下几个方面阐述教学团队在课程改革过程中提出的方法。

（一）优化教学内容

“机电一体化系统设计”是一门综合性极强的课程，由于教学学时不断缩减，教师照搬课本上的知识进行教授，导致大部分学生到课程结束时很难真正理解该课程的实质。因此，在制订教学计划之初，应充分调研企业的实际用人需求，结合教学内容（见表1）制订合理的教学计划，依据教学计划将教学内容进行模块化分解，并保证每个模块的教学内容之间存在合理的逻辑关系，以期达成每部分内容教授结束后，学生可以根据自己的理解绘制出各个知识点之间的思维导图，力求使学生摆脱枯燥单纯的理论教学方法，培养学生能够真正掌握机电一体化系统或产品的设计方法和工程路线，能够结合教学内容，利用系统工程方法，分析各个组成要素之间的关系，确定各个组成之间的接口，分析各功能之间的关系，并进行合理的规划和分析，最终培养出能够开发机电一体化系统或产品的应用型人才。此外，在实际授课过程中，依据模块化分解后的核心内容，结合科技最新发展，设计具体的教学内容。这样可以使教学不再拘泥于课本，结合最新实际发展，能够极大地提高学生学习的积极性，促进学生在课后自主对课堂上教师教授的新内容展开更深层次的认识，从侧面激发学生自主学习。

（二）丰富教学形式

传统的教学方式是以教师讲授为主，学生被动接受为辅，但是机电一体化系统设计是一门理论性较强的学科，知识点较为抽象，数学模型较多，学生很难理解［8］。因此，这种教学形式在“机电一体化系统设计”课程中已经不能很好地适应当代大学生的特点，甚至在很大程度上会限制学生学习的积极性和主动性。因此，除了按照上述模块化分解的教学内容进行专题授课之外，还可以开展实例分析、课堂讨论、小组演讲等（见图1）。例如，在讲到机电一体化系统组成这部分内容时，可以在课堂上给学生播放抓取机器人的视频，通过视频进行实例讲解机器人的各个组成，这样学生可以更加直观清晰地认识机电一体化系统的组成。此外，可以引导学生主动分析生活中的实例，如学校餐厅的送餐机器人，这样可以极大地调动学生学习的积极性和热情。除了专题教授和案例分析之外，可以让学生以小组的形式对课上教师所讲的内容进行讨论，加深学生的认识和理解。每个模块内容学习结束之后，让学生分组对该模块的内容进行演讲，其他组学生和教师作为评委，让学生更多地参与到课堂授课和讨论中，将传统的“教师为主、学生为辅”的教学形式转变为“教师、学生都为主”的形式，提升學生的参与度，调动学生的积极性。

（三）扩展交流方式

打破传统教学中单一的教师讲授、学生听取的交流方式，开展师生之间多样化的交流方式，如设问、疑问、直接问答等。此外，还可以开展线上互动平台，让学生将生活中接触到的机电一体化产品随时分享在平台上。通过形式多样的互动环节，师生之间的单向交流逐渐转变为互动交流，交流方式更加平凡顺畅。这样多维的交流方式可能会激发出更多的灵感和“火花”，达到更好的教学效果。

三、具体实施情况

“机电一体化系统设计”课程的核心内容是机械设计、检测传感、伺服驱动、计算机控制及系统工程五部分，在授课过程中将其设计成五个专题，这五个专题主要由教师讲授重点核心内容，目的在于夯实学生的理论基础。教师在讲课过程中，要尽可能多地设计设问、疑问、直接问答等交流环节，从而提高整体的理论教学效果。在专题讲授过程中，要注意结合实践。例如，在讲到检测傳感专题中的采样保持器时，可以通过举例新冠疫情期间进出各大商场需要扫描健康宝登记的事例，生动形象地阐述采样保持器的作用，使学生能够更加深入地理解相关理论知识，有利于提高学生思维的延展性。在教学实践过程中还设置了课堂分组讨论环节。例如，在讲到机电一体化系统组成时，让学生分组讨论，举例说明自己在日常生活中见到的哪些产品是机电一体化产品，如果学生在讨论过程中出现了分歧，可以向教师寻求帮助。在讨论过程中，有学生问教师自行车是机电一体化产品吗？还有学生问电动自行车是机电一体化产品吗？笔者发现，这样明确的课堂讨论环节，不仅可以促进思维活跃的学生积极参与，也引导了另一部分学生的参与，缓解了一些学生的“默不作声”。在专题讲授结束后，将学生进行分组，分配演讲内容，学生课后准备好资料和PPT，每组选出代表进行课堂演讲，评委是其他小组的学生，这一环节极大地增强了学生的自主学习能力。学生在课后认真准备演讲资料，各个小组之间存在一个良性竞争，在演讲过程中，其他组的学生（评委）也会认真听取别人的演讲。学生认为课堂演讲的开展，提高了自己的理论认知和理解，以及制作PPT、演讲及互相协作的能力。

四、存在的问题及思考

在上述教学方法改革实施过程中取得了较大的收获，但仍然存在一些问题需要不断改进。

（一）要更加注重理论与实践的有机结合

教师直接讲授理论知识和通过实例分析进行代入式讲授，学生的积极性和集中程度存在较大差异。经过研究，学生对实例分析的讲授方式表现出了更大的接受度和参与度，实例分析的讲授方法使学生更有代入感，学生能够更加简单、快速地理解复杂的理论知识。因此，在今后的教学过程中，教师应逐步增加实例分析的内容，尽可能地调动学生学习的积极性。

（二）师生互动之余，可以增加学生之间的互动交流

通过前期改革过程中互动方式的增加，学生在课上和课下都增加了对课程知识的关注度，但目前还处在初级阶段。在以后的教学过程中，教师要继续加强师生之间的互动，采取各种有效的方式，调动起学生互动的热情，从而提高学生自主学习的积极性。此外，还可以增加学生之间的互动，例如在学生演讲环节，可以增加其他小组对演讲内容的讲评，让每个学生对演讲内容发表各自的看法，这样可以使学生认识到他们对课程理解存在的差异，然后通过课堂讨论和课下对作业及周边产品或系统的探讨，缩小这些差异。

（三）要注重课堂教学管理

教学内容、教学形式和互动方式的多样化促进了学生参与课堂的积极性，提升了课堂的教学氛围，也增加了教师与学生之间的互动。但是，改革带来这些优点的同时，提高了课堂秩序混乱的风险。教学方法改革的目的和根本是让学生更多、更深、更全面地学习知识，并能够灵活运用这些知识解决实际问题，而不是单纯地活跃气氛。因此，在改革授课过程中，在保证学生积极性和热情的同时，一定要注重课堂教学管理，确保课堂上的每名学生都能够学有所得。

结语

机械工程专业人才的培养关系国家经济和科技的发展，以行业、企业实际需求为导向，保证人才培养的具体要求契合机械行业的发展方向，从而培养具有综合能力的应用型机械人才。在综合应用型机械人才的培养过程中，要特别注意教学内容、教学方式和交流方式的有机结合，提高学生课堂参与的积极性，增强学生的综合能力。本文探索了一条适用于培养综合能力较强的应用型机械人才的教学方法，通过专题教授、案例分析、课堂讨论和分组演讲等形式的深度融合，调动学生自主学习、自主创新的积极性，为机械专业建设和教学方法的改革提供了一些思路。

参考文献

［1］王珍，张文卓，关乐，等.新工科背景下地方高校机械工程硕士课程建设探索［J］.教育教学论坛，2022（11）：105-108.

［2］章培培，王东生.新工科背景下《机械设计》金课教学方法探析［J］.铜陵学院学报，2021，20（3）：123-125.

［3］邓文娟，李萍，高兴军.机械设计教学方法改革探索［J］.大学教育，2022（4）：57-59.

［4］张秋菊，王金娥，訾斌，等.机电一体化系统设计［M］.北京：科学出版社，2016：1-3.

［5］李雪丽，乔雪涛，张素香.《机电一体化系统设计》课程教学改革探讨［J］.轻工科技，2016，32（9）：162-163.

［6］高进可，袁明新，张德义.机电一体化课程案例教学的资源库系统设计与实现［J］.中国现代教育装备，2017（17）：5-6.

［7］侯力，樊庆文，黄成祥，等.机电一体化系统设计［M］.北京：高等教育出版社，2004：13-14.

［8］嵇海旭，梁秀娟.机电一体化教学存在的问题及其改革［J］.教育教学论坛，2020（27）：175-176.

Exploration on the Teaching Methods Reform of Mechatronics System Design

HUANG Xi-na， ZHAO Si-hai

（School of Mechanical and Electrical Engineering， China University of Mining and Technology

（Beijing）， Beijing 100083， China）

Abstract： Under the background of emerging engineering education， first-class professional construction and engineering education certification， the important opportunities and huge challenges to the course evaluation， graduation requirements and reform of the talent training system were brought for the major of mechanical engineering. Therefore， a series of reforms on the teaching methods were carried out by the teaching team of “mechatronics system design” in order to realize the cultivation of high-quality comprehensive application mechanical engineering professionals combining with the characteristics of undergraduates in the new era. The teaching team pointed out the limitations of traditional teaching methods in modern applications. And on this basis， the teaching reform was carried out on mobilizing the enthusiasm of undergraduates and cultivating their comprehensive ability. In addition， the difficulties and problems encountered in the reform process were discussed in detail.

Key words： Mechatronics System Design; teaching content; teaching method; communication way