機電一體化課程設計教學實踐研究*

◆李立成 徐漫琳 柯昌輔

作者：李立成，重慶大學城市科技學院助教，主要研究方向為機械電子；徐漫琳、柯昌輔，重慶大學城市科技學院（402167）。

機電一體化課程設計作為機械電子專業(yè)的實踐教學環(huán)節(jié)，要求學生綜合運用所學過的機械、電子、計算機和自動控制等方面的知識，實現(xiàn)獨立多學科的知識的有機綜合。隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，機電一體化技術在大型機械和微機上有著很重要的應用。因此，目前如何在大學教育實踐中落實創(chuàng)新能力培養(yǎng)是一個亟待解決的問題[1]。特別需要指出的是，如何在傳統(tǒng)機械工程教學中進行創(chuàng)新能力培養(yǎng)，既是新問題，又是大難題。

1 設計實踐課的基本目標

機電一體化設計實踐課程是基于機電一體化技術，整合機械精密傳動、計算機信息處理技術、傳感器檢測技術、自動控制技術、伺服驅(qū)動技術以及系統(tǒng)總體技術等，“以機為主，以電為用”。本課程設計在機械設計實踐進行之后，安排在本科第三學年下學期，從機械設計實踐的能力提升到機電系統(tǒng)設計、制作、調(diào)試等課程實踐活動，配備課程實踐器材供學生進行實踐操作，激勵學習的積極性，提高學生的機械設計能力、機械優(yōu)化設計能力，綜合運用多學科知識解決實際問題。

理論設計能力與實踐能力 在機電一體化設計實踐過程中，學生的能力客觀上存在差距，因此，課程設計的理論設計要求與實踐操作要求要存在難度梯度，在課程實踐中注重學生新思想和新理論的提出[2]，并善于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，碰到難題，善于發(fā)揮團隊的智慧和團隊力量，以彌補個人的能力不足。課程實踐使學生把所學過的機械、電氣、自動控制等理論知識綜合應用到設計實踐中。

創(chuàng)新能力培養(yǎng) 在實踐中推動學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，機械設計專業(yè)學生可以擁有自己的想法，對機械部分進行優(yōu)化設計，鼓勵學生使用當前新技術、新方法，做到“不唯書，而唯實”。要降低成本，提高設計精度和穩(wěn)定性。在課程實踐中不固定方案，比如系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，學生可以選擇曲柄搖桿機構(gòu)、齒輪齒條等，進行創(chuàng)新性探究。課程設計中只提供實踐的指導性目標和必要工具及器材，只針對設計路線進行必要的提示，不對方案進行統(tǒng)一講解，由學生自己查閱資料，自己獨立設計，遇到問題由指導教師進行分析和講解，對其方案和想法的可行性做出判斷，方向不對時應及時引導正確的方向，既能保證學生創(chuàng)新性想法的實現(xiàn)，又能有效防止學生走錯方向。

2 課程設計內(nèi)容及選題原則

根據(jù)機電一體化人才培養(yǎng)方案和本專業(yè)的課程設置，研究改革課程設計大綱基本要求。根據(jù)應用型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)要求，課題的方向主要分為兩大方向進行選擇：一類題目主要針對應用能力培養(yǎng)，把本專業(yè)的知識進行有機的綜合，提高學生的綜合實踐能力；另一類題目主要針對創(chuàng)新能力培養(yǎng)，結(jié)合創(chuàng)新設計大賽相關題目，把本專業(yè)的知識進行創(chuàng)新性應用，提高學生的創(chuàng)新設計能力。

普通型課程設計題目

1）向?qū)W生征集。在課程中學生擁有與課程設計相關的好想法，可以展開討論，要求對其方案進行分析，符合課程設計要求的，教師根據(jù)其內(nèi)容下達課程設計的任務。實踐證明，對自己提供方向的題目，學生的積極性會很強。

2）選擇典型機電一體化產(chǎn)品讓學生進行設計，結(jié)合學生的實力進行選取，同時與本專業(yè)的專業(yè)方向盡可能的相關，開發(fā)學生的潛能。比如數(shù)控方向的學生，可以選擇數(shù)控車床工作臺二維運動伺服進給系統(tǒng)設計、數(shù)控銑床工作臺三維運動伺服進給系統(tǒng)設計等，為未來職業(yè)發(fā)展打下好的基礎。

3）學習借鑒其他學校機電一體化設計的內(nèi)容，在現(xiàn)有設計內(nèi)容的基礎上，根據(jù)本校本專業(yè)課程設置的特點，對設計的內(nèi)容做以適當增減，以適合本專業(yè)的學生。

創(chuàng)新型課程設計題目 可以借鑒全國機械創(chuàng)新設計大賽的課題[3]，其中每屆成功參與全國總決賽的作品都收錄在決賽作品選集中，由高等教育出版社出版。這里面有比較好的案例，同時作品中也存在可以改進的地方，有興趣的學生可以從中選擇與機電一體化相關的課題，提升自己的能力。在條件允許的情況下，可以做出產(chǎn)品的模型，提高學生的機電一體化能力，同時也可以為學生參加今后的機械創(chuàng)新設計大賽做準備，做到“以學促賽，以賽促學”。

在專業(yè)教學中，學生經(jīng)常會困惑本專業(yè)畢業(yè)后到底有什么前途？能做什么？機電一體化課程設計教學貼近實際，能把多門專業(yè)課有機地結(jié)合起來，把枯燥的課本知識靈活地運用，極大地鼓舞了學生的興趣，激發(fā)學生對實際問題的思考，對工程實踐產(chǎn)生濃厚的興趣。堅持理論教學與實踐教學并重，可大幅提高教學效率和教學質(zhì)量，同時為選拔優(yōu)秀學生參加機械類學科競賽提供條件。

3 課程設計的實施方式

課程設計實施方案：設計報告書是對整個設計過程的總結(jié)和提升，也是進行工程交流的重要文獻資料，通過指導學生撰寫課程設計報告書，培養(yǎng)學生撰寫工程技術文檔的能力。對設計說明書的撰寫，提出如下要求：

1）嚴禁課程設計報告抄襲，基本工作獨立完成；

2）根據(jù)任務書能提出合理的設計方案和機構(gòu)的工作原理；

3）設計要符合國家標準，學會使用設計手冊、專業(yè)術語、專業(yè)名詞規(guī)范；

4）設計圖圖紙規(guī)范，符合設計說明書的要求，不照抄手冊和案例，設計參數(shù)與圖紙相一致；

5）學會使用專業(yè)相關軟件，對設計的機械機構(gòu)和控制部分進行分析和仿真，是驗證設計正確的有效手段之一；

6）課程設計配備了一些實際的零部件可供學生設計使用，以及基 本的控制電路，學生要具備一定的實踐操作能力，掌握器件的選擇與焊接，會進行程序的編寫，掌握系統(tǒng)故障的檢測與維修能力。

課程設計采用分組式進行，每個小組3～5人，視工作量而定。課題難度較大可以分五人，原則上一般三人為一組。每個小組在規(guī)定的時間完成基本要求，每個學生都要參與該組課程設計答辯，通過問題了解學生在課程設計中所做的主要工作，檢查有無抄襲情況、有無坐享其成的學生，結(jié)合設計報告書的撰寫質(zhì)量和實際所做的產(chǎn)品質(zhì)量進行綜合評定。

4 實施效果

通過在重慶大學機械電子工程專業(yè)的實踐，在機械電子工程專業(yè)中開設機電一體化課程設計，已基本摸索出培養(yǎng)機電復合型技術人才的規(guī)律。

普通型題目實現(xiàn)機電融合、知識整合 理論教學與工程實踐并重。由于在教學中缺乏機電知識綜合運用能力的培養(yǎng)和訓練，學生在學習了機械設計、機械制造和電子技術、計算機技術和傳感器技術等基礎課程后，不能很好地將機、電的知識融會貫通，大多數(shù)學生也只是了解基本的機電設備的基本功能，在系統(tǒng)運用中存在問題，在機電一體化系統(tǒng)的綜合設計方面存在不少困難。通過開設機電一體化課程設計實踐教學環(huán)節(jié)，通過理論設計與實際操作，比如數(shù)控工作臺進給系統(tǒng)的設計，從電機、聯(lián)軸器、絲杠、導軌的設計到型號的選擇、控制單片機的設計與仿真，最終實現(xiàn)數(shù)控工作臺進給系統(tǒng)的裝配與調(diào)試。機電一體化課程設計對學生的理論知識與實踐緊密地連接起來，提高了學生的綜合應用能力。

創(chuàng)新型題目為學生參加機械創(chuàng)新競賽做了鋪墊 通過課程設計，為機械學科學生參加如全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽做了鋪墊。在第六屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽（重慶賽區(qū)）中，學生榮獲重慶賽區(qū)一等獎一項、二等獎一項。其中，“幻顯黑板”作品獲得國家專利。該作品包括了框架的設計、傳動系統(tǒng)布置，控制系統(tǒng)采用單片機控制，執(zhí)行元件有步進電機、直流電機、電磁離合器、電磁制動器、光電編碼器等器件。本次參賽作品充分運用機電一體化技術，機電一體化課程設計改革效果顯著。

5 結(jié)語

機電一體化課程設計改革突破傳統(tǒng)的課程設計方式[3]，里面加入了創(chuàng)新專題，可以借鑒機械創(chuàng)新設計大賽的題目，既能滿足應用型人才培養(yǎng)的需求，又能兼顧創(chuàng)新能力的提高，實現(xiàn)因材施教。實踐證明，所采用的機電一體化課程設計改革效果顯著?！?/p>

[1]趙志超,范文利,金薇.機電一體化綜合實驗周的探索與實踐[J].電氣電子教學報,2004,26(1):75-77．

[2]潘海鴻,陳琳,黃炳瓊,等.機電一體化方向課程設計教學改革[J].廣西大學學報:哲學社會科學版,2008,30(l):24-25.

[3]李琦,王基,劉永葆．《機電一體化系統(tǒng)設計》課程教學改革與實踐[J].高等教育研究學報,2010(1):100-101.