任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程中的研究與應(yīng)用

鄧鷹飛

（梧州學(xué)院，廣西梧州543002）

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程中的研究與應(yīng)用

鄧鷹飛

（梧州學(xué)院，廣西梧州543002）

文章闡述了“任務(wù)驅(qū)動(dòng)法”的定義，及其在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程中的應(yīng)用。實(shí)踐表明，任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)理論性很強(qiáng)的機(jī)電課程有一定的吸引力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的一些限制，需要進(jìn)一步突破。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)；機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)；團(tuán)隊(duì)合作

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)、電子行業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品也加快了更新?lián)Q代的腳步。功能更強(qiáng)、體積小型化、智能化、性價(jià)比越來越高的機(jī)電產(chǎn)品源源不斷地走向市場。從事機(jī)械類設(shè)計(jì)的人員，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品也要順應(yīng)市場的發(fā)展，跟上時(shí)代的步伐，相應(yīng)的整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就不能再按照以往的思路一成不變。作為培養(yǎng)人才的機(jī)構(gòu)，我們提出要培養(yǎng)創(chuàng)新性人才，就應(yīng)該體現(xiàn)在設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)方法、產(chǎn)品等都具有新穎性，這就要求在課堂教學(xué)中要教會(huì)學(xué)生如何設(shè)計(jì)、如何創(chuàng)新。同時(shí)要求教學(xué)方法也要適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的步伐，用傳統(tǒng)方法只能培養(yǎng)出應(yīng)試教育的學(xué)生，改變教學(xué)思路教學(xué)方法同樣也會(huì)改變教學(xué)結(jié)果。“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程是機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)限選課程，課程包含的內(nèi)容很廣且有一定的難度，主要包括機(jī)械系統(tǒng)部件的選擇設(shè)計(jì)、執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)、傳感器檢測、微電子信息技術(shù)、控制工程以及相關(guān)的接口技術(shù)等多門學(xué)科，包含大量的基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法，充分體現(xiàn)了“以機(jī)為主、以電為用、機(jī)電有機(jī)集合”的原則［1］，是一門綜合設(shè)計(jì)性課程。“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程在傳統(tǒng)的教學(xué)中，一般是以理論為主，大量的課時(shí)主要用在講授理論知識(shí)，加以少量的實(shí)驗(yàn)課時(shí)，這樣的教學(xué)模式最后的結(jié)果是學(xué)生只是為了應(yīng)付考試而學(xué)習(xí)，缺乏創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，這與學(xué)院提出的發(fā)展應(yīng)用型人才是相互違背的。為此，筆者對(duì)“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程進(jìn)行了任務(wù)驅(qū)動(dòng)法教學(xué)的研究。

2 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法與傳統(tǒng)教學(xué)法比較

任務(wù)驅(qū)動(dòng)，又稱項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、目標(biāo)驅(qū)動(dòng)或問題驅(qū)動(dòng)，是實(shí)施探究式教學(xué)模式的一種教學(xué)方式［2］。教學(xué)過程不再是教師的“一言堂”、“填鴨式”教育。首先教師詳細(xì)講解原理和知識(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)，然后在課堂中提出一個(gè)或多個(gè)任務(wù)，學(xué)生也分成對(duì)應(yīng)的幾個(gè)組，圍繞這個(gè)任務(wù)學(xué)習(xí)并且討論，課堂中討論出一個(gè)解決方案，課后完成設(shè)計(jì)。“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程中每一章節(jié)都有一個(gè)或多個(gè)任務(wù)，比如第二章中的機(jī)械傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)，有各種傳動(dòng)方式，如齒輪傳動(dòng)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠副傳動(dòng)、撓性傳動(dòng)部件、間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，每一個(gè)任務(wù)中可以考慮采用兩種傳動(dòng)方法設(shè)計(jì)，然后比較出兩種不同機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，或者每一小組采用一種傳動(dòng)方法設(shè)計(jì)，最后通過綜合設(shè)計(jì)比較討論得出該任務(wù)所選的最優(yōu)方案。任務(wù)有一定的深度和難度，學(xué)生通過查閱資料、互相探討之后得出最優(yōu)方案，設(shè)計(jì)完成通過三維動(dòng)畫仿真驗(yàn)證。在任務(wù)中，每個(gè)學(xué)生都有自己的責(zé)任和目標(biāo)，完成一個(gè)小設(shè)計(jì)也是一份收獲。這就激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、探索求知精神、團(tuán)隊(duì)合作精神、創(chuàng)新精神。同時(shí)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)整個(gè)專業(yè)課程體系也有一定的幫助，通過小設(shè)計(jì)把學(xué)生三年所學(xué)專業(yè)知識(shí)貫穿起來，做到融會(huì)貫通。

傳統(tǒng)的教學(xué)方法，主要是以教師課堂講授理論為主，做些課后練習(xí)，加上少量的實(shí)驗(yàn)，考試也是理論課筆試考核。這門課程內(nèi)容覆蓋面很廣，每一章節(jié)都包含了幾門專業(yè)課的知識(shí)，比如微機(jī)控制系統(tǒng)這一章，它包含了微機(jī)原理、單片機(jī)、PLC等幾門課程，主要內(nèi)容就是對(duì)這些微機(jī)如何做選擇并選擇相應(yīng)的接口電路。教師講解各種微機(jī)的應(yīng)用后學(xué)生可以選擇它，但是要在深入理解它們的原理和熟練應(yīng)用的情況下，才能熟練地編寫語句和設(shè)計(jì)接口電路。因?yàn)楹苌賹W(xué)生能做到熟練應(yīng)用各種軟硬件，所以在教師講解過程中學(xué)生覺得難以理解、不能接受、理論課枯燥無味，這樣的情緒將會(huì)一直持續(xù)到本門課程結(jié)束。同時(shí)大多數(shù)教材的課后練習(xí)都是以概念原理問題居多，附加一些計(jì)算題，設(shè)計(jì)性題目很少，也沒有達(dá)到鍛煉的目的。實(shí)驗(yàn)課主要是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求完成實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)很少，這就造成了學(xué)生動(dòng)手能力不強(qiáng)，無法提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。課程考核一般以理論考核為主，主要是教師出題目，圍繞著常見的選擇題、填空題、計(jì)算題來測試學(xué)生的成績，這一些題目類型與本門課程的設(shè)計(jì)兩個(gè)字沒有多少聯(lián)系，達(dá)不到考核的目的。所以說傳統(tǒng)的教學(xué)都是應(yīng)試教育，學(xué)生為了應(yīng)付考試而學(xué)習(xí)，而不是自覺地、自愿地去認(rèn)真讀懂書中的每一章節(jié)。

那么通過兩種教學(xué)方法的比較，我們可以看到任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法比傳統(tǒng)的教學(xué)方法有很多優(yōu)勢(shì)。首先從講授方面來說，不再是老師的一言堂，老師只是講解原理部分，主要以學(xué)生討論為主，體現(xiàn)了學(xué)生的主人翁精神、發(fā)揮了學(xué)生主觀能動(dòng)性、提高了學(xué)習(xí)熱情、提升了學(xué)習(xí)氛圍。俗話說得好“興趣是最好的老師”，學(xué)生有了興趣，愿意付出時(shí)間和精力，沒有什么難題是不能解決。再從課后作業(yè)來看，作業(yè)不是簡單的概念原理，而是一些設(shè)計(jì)題目，這都要求學(xué)生在充分理解了概念原理的基礎(chǔ)上總結(jié)實(shí)踐才能完成這些課題，這些內(nèi)容比筆試考核要豐富很多，學(xué)生的理解能力、計(jì)算能力、設(shè)計(jì)能力都能夠得到提高，也能考出學(xué)生的真正水平。

3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”中的實(shí)踐

在這里結(jié)合本門課程的特點(diǎn)，我們把任務(wù)分成了5個(gè)子系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)模塊。每個(gè)模塊看似毫無聯(lián)系，但要設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)電產(chǎn)品必須把所學(xué)專業(yè)知識(shí)全部融合起來，按照設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品的幾個(gè)相關(guān)技術(shù)功能來分析。第一章緒論，把機(jī)電一體化產(chǎn)品的5個(gè)子系統(tǒng)與對(duì)應(yīng)任務(wù)中的幾個(gè)模塊一一對(duì)應(yīng)，著重分析每一構(gòu)件的功能和要求。后續(xù)的每章是對(duì)應(yīng)它的每一個(gè)子系統(tǒng)，最后是總體的設(shè)計(jì)。首先根據(jù)每一章節(jié)一個(gè)任務(wù)，把學(xué)生分成兩個(gè)小組，每小組的每位同學(xué)都有具體的分工，通過查閱大量資料，結(jié)合學(xué)過的專業(yè)知識(shí)，探索和討論來解決問題。

例如：一個(gè)護(hù)欄清洗機(jī)的設(shè)計(jì)中，我們對(duì)護(hù)攔清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)分析：驅(qū)動(dòng)部件是由兩個(gè)履帶結(jié)構(gòu)組成，清洗部件由兩對(duì)清洗刷組成，水循環(huán)系統(tǒng)、控制部分有電機(jī)2臺(tái)，還有采用無線收發(fā)遙控控制。這個(gè)設(shè)計(jì)中包含了機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)部分，電機(jī)選擇，電子技術(shù)的遙控部分，還有相應(yīng)的計(jì)算和接口的設(shè)計(jì)。我們就分成了4個(gè)小作業(yè)，運(yùn)用機(jī)械傳動(dòng)知識(shí)設(shè)計(jì)履帶結(jié)構(gòu)和清洗刷的選擇，運(yùn)用電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)的知識(shí)來選擇電機(jī)部分，運(yùn)用電子技術(shù)和單片機(jī)的知識(shí)來完成無線遙控的設(shè)計(jì)，各部件之間的接口部分要相互匹配。

筆者的方法是在每章節(jié)分析了原理后讓學(xué)生討論并進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，在每一模塊都有對(duì)應(yīng)的任務(wù)，模塊與功能如下表所示。在第二章機(jī)械部件設(shè)計(jì)中對(duì)護(hù)欄清洗機(jī)的機(jī)構(gòu)部分提出該設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)要求和護(hù)欄要求，學(xué)生根據(jù)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行選擇他們的傳動(dòng)部件、材料以及相應(yīng)的校核，并做出三維仿真。每一組要完成設(shè)計(jì)并與其他組方案進(jìn)行比較，比如第一小組采用同步帶傳動(dòng)，第二小組采用的是鋼帶傳動(dòng)，那么兩組要說明選擇的原理并比較得出本組設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。完成全部的設(shè)計(jì)有一定的工作量和難度，這就需要學(xué)生之間進(jìn)行相互合作、相互學(xué)習(xí)探索。在第三章的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，教師提出它的清洗速度和清潔度，要求學(xué)生計(jì)算參數(shù)選擇電動(dòng)機(jī)并進(jìn)行校核，同樣的分別要求第一小組采用交流電機(jī)，第二小組采用的是直流電機(jī)，兩組學(xué)生都要說明所選擇的電機(jī)型號(hào)的計(jì)算方法和交、直流電機(jī)的區(qū)別。在第四章檢測控制中提出清洗機(jī)控制方式，學(xué)生要運(yùn)用各種電子技術(shù)和傳感器檢測技術(shù)相關(guān)知識(shí)來完成系統(tǒng)的控制檢測，選擇面板控制和遙控控制同時(shí)進(jìn)行。在這里同樣的我們分別要求第一小組采用單片機(jī)，第二小組采用可編程控制器，通過仿真比較可以看出兩者的差別并說明兩者的成本差別。第五章的總體設(shè)計(jì)中再對(duì)所有的模塊進(jìn)行匯總，選擇匹配的接口，前面分組中每個(gè)模塊相同的設(shè)計(jì)就決定了接口方式的差異，要求兩組同學(xué)比較接口電路的變換方式。最后，把完成的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較，如對(duì)仿真、機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、面板操作性、成本和市場分析等進(jìn)行比較，得出設(shè)計(jì)最佳方案，作為考核學(xué)生設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。

機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成與護(hù)欄清洗機(jī)構(gòu)成要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系

任務(wù)的評(píng)價(jià)是該教學(xué)方法的重要組成部分，學(xué)生不能走過場。筆者要求學(xué)生對(duì)每次任務(wù)進(jìn)行跟蹤記錄，并要求每個(gè)任務(wù)都要以仿真的形式演示產(chǎn)品的功能。設(shè)計(jì)全部完成后，最后以機(jī)電一體化產(chǎn)品的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是否滿足“高性能、低價(jià)格、省能源、輕薄短小化”來評(píng)價(jià)任務(wù)完成的質(zhì)量，以達(dá)到考核的目的。

經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，與傳統(tǒng)教學(xué)法相比較，教學(xué)效果有了很大的提升，具體列表如下：

4 實(shí)踐任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法存在問題

通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)任務(wù)驅(qū)動(dòng)法也存在一些問題和不足。第一，要求教師具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，知識(shí)面廣。本課程的每章節(jié)都要求學(xué)生采用設(shè)計(jì)小產(chǎn)品的形式完成教學(xué)，這也要求教師要具備豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，精通各種軟硬件知識(shí)，有較強(qiáng)的實(shí)踐能力，否則無法為學(xué)生答疑解惑。因?yàn)椤皺C(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”所包涵的內(nèi)容非常廣泛，所涉及到的知識(shí)點(diǎn)也很豐富，包括機(jī)械設(shè)計(jì)、電機(jī)選擇、微機(jī)的選擇與設(shè)計(jì)、傳感檢測設(shè)計(jì)等多門課程。教師需要通過參加各種機(jī)械、電子類設(shè)計(jì)大賽和完成多項(xiàng)科研項(xiàng)目才能積累豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和提升教師的設(shè)計(jì)能力，按照目前的現(xiàn)狀，在教師的科研水平普遍不強(qiáng)的前提下很難完成這種形式的教學(xué)。第二，任務(wù)驅(qū)動(dòng)法很難全面開展。每布置一個(gè)任務(wù)，一般由一個(gè)小組5～6個(gè)學(xué)生共同完成，每個(gè)學(xué)生都有自己的任務(wù)和責(zé)任，就不會(huì)造成一些學(xué)生濫竽充數(shù)、渾水摸魚的情況。目前主要以大班上課為主，一般是每班60～70人，一次分有10個(gè)組，最少也有4個(gè)題目。題目太少，學(xué)生互相抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，沒有創(chuàng)新性，題目太多教師也指導(dǎo)不過來。所以要以小班規(guī)模上課，30～40人每班，每次2個(gè)題目，教師也能在自己的能力范圍內(nèi)給學(xué)生指導(dǎo)。第三，學(xué)生的設(shè)計(jì)能力有待提高。前面所說本課程包含豐富的知識(shí)，多門專業(yè)課的結(jié)合體，要求學(xué)生能夠完成設(shè)計(jì)的前提是前面的基礎(chǔ)要牢固。設(shè)計(jì)要求學(xué)生有一定的分析問題能力、計(jì)算能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力等，這些都要求學(xué)生從大一的高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理，到大二的理論力學(xué)、工程力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)知識(shí)能夠熟練地應(yīng)用，有一些設(shè)計(jì)性的科目還要有設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，有一定的動(dòng)手能力。否則到大四才考慮設(shè)計(jì)，學(xué)生無從下手，也無法在短時(shí)間內(nèi)完成每章節(jié)的課題設(shè)計(jì)，更別提綜合設(shè)計(jì)了。

5 結(jié)束語

任務(wù)驅(qū)動(dòng)法是教師與學(xué)生共同參與教學(xué)活動(dòng)的過程，學(xué)生是主體，學(xué)生在查閱資料探索設(shè)計(jì)的過程中加深了對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的理解，掌握了設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，也激發(fā)了濃厚的學(xué)習(xí)興趣和團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新精神。任務(wù)驅(qū)動(dòng)法在實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)了一些不足，這些不是通過各方面的提升可以得到改善的。總之，任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法改變了傳統(tǒng)的以教師為主、學(xué)生為輔的教學(xué)方法，提高了教學(xué)質(zhì)量。

[1]張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2007.

[2]胡慶芳，程可拉.美國項(xiàng)目研究模式的學(xué)習(xí)概論[J].外國教育研究,2003(8).

[3]王晶.第三屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽決賽作品選集[M].北京:高等教育出版社,2010.

G642.0

A

1673-8535(2013)06-0093-04

鄧鷹飛（1979-），女，廣西南寧人，梧州學(xué)院電子信息工程系教師，主要研究方向：儀器儀表工程。

（責(zé)任編輯：覃華巧）

2013-09-12