高校機電一體化技術課程教學模式改革

張麗秀++張珂++吳玉厚++王麗艷

摘 要 機電一體化技術是一門綜合性很強的課程，對培養機械類應用型人才具有重要作用。從課程教學內容、教學方法、實驗內容及考核方式改革入手，形成適應課程本身特點的教學模式，提高學生的實踐能力及創新能力。

關鍵詞 機電一體化技術；教學模式改革；實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2014）08-0089-04

Teaching Mode Reform of Mechatronics in Colleges //ZHANG Lixiu，ZHANG Ke，WU Yuhou，WANG Liyan

Abstract The curriculum of mechatronics is a comprehensive and strong practicability. It plays an important role for cultivation of Applied Talents and innovation ability. Starting from the teaching content， teaching method， experiment contents and evaluation methods， this paper forms the teaching mode to meet its own characteristics. The application of the teaching mode reform measures has certain reference function to improve the practice ability and innovation ability of students.

Key words electromechanical integration technology； teaching mode reform； experiment

1 引言

“機電一體化技術”是機械類專業的一門綜合性、應用性很強的課程，是多種學科相互交叉、滲透而形成的一門綜合性技術學科，是機械行業創新設計、科學研究的重要工具，對于培養具有一定創新能力的現代化機械類應用型人才具有重要的作用。“機電一體化技術”課程傳統的教學方法只是對先修課程的簡單重復，缺乏對學生進行實踐性及綜合性訓練，學生感到難以致用，導致學習興趣逐漸喪失。因此，在“機電一體化技術”課程教學活動中，改革現行的教學模式，尋求體現“機電一體化技術”課程教學特點的教學方法及手段成為當務之急。

隨著機械工業的蓬勃發展，世界各國對機械類專業的高等教育越來越注重實踐性、應用性及前沿性。德國機電一體化專業課程體系建設是通過校企合作和工學結合的形式，以學習者專業能力、方法應用能力和適應社會能力等綜合職業能力培養為本位，以市場需求為目標，以就業為導向，將學習和工作要素相結合，并通過分析與綜合，把工作過程的各個部分按一定的順序，導入課程體系中以構成一個有機的整體。美國賓夕法尼亞大學機械工程與應用力學系提出“機電一體化”課程改革思路，在學期項目中預定實驗方案，根據實驗方案決定課程內容[1]。馬來西亞莫納什大學工程學院在機電一體化課程教學過程中從工程項目出發，將傳統教學和項目講座相結合，有效為學生提供實際工程經驗[2]。

南京航空航天大學在機電一體化課程教學改革中，將科研成果引入課程的理論和實驗教學中，自主研發教學實驗系統平臺，簡化項目研究內容，研究一體化的系統教學法，培養學生創新意識，提高學生綜合素質[3]。鄭州航空工業管理學院采用開放式的課堂教學，基于MATLAB的虛擬實驗輔助教學及基于案例的多種教學方法進行機電一體化技術課程的教學方法改革，提高了學生對課程的學習興趣 [4]。石家莊鐵道學院將“發現體驗學習”理論應用于實踐教學中，通過機電一體化實驗內容的設計，在實驗室建設及實驗教學組織多方面采取措施，提高機電一體化技術的課程教學質量[5]。

此外，昆明理工大學為了切實培養學生的電機及控制技術的綜合應用能力，進一步促進機電結合，取得良好的教學效果，從課程的教學內容、教學方法和實驗設計等方面并結合步進電動機的教學實例，對“機電傳動控制”研究型教學進行了一些有益的探討[6]。揚州大學基于Capstone-CDIO教學理念，從知識項目化、學科交叉化、項目平臺化三方面進行課程體系實踐優化，通過調研技能、知識構建、問題解決、團隊技能四方面進行評價研究，為應用型、創新型機電一體化人才培養打下良好基礎[7]。南華大學針對機械大類開設的檢測與控制系列課程現狀，提出面向機電一體化方向整合優化課程體系和教學內容的教改目標，改變傳統教學中電、機分離的教學方式，有效引導學生形成良好的機電合一的認識，提高教學質量[8]。

國內高校關于機電一體化專業人才的教育改革各有特色，但與國外教學水平相比，仍處于初級階段，還沒有形成系統的改革方案。建立適應“機電一體化技術”課程本身特點的教學模式任重而道遠。

2 “機電一體化技術”課程教學改革思路

從“機電一體化技術”課程實踐性、綜合性特點出發，對其進行教學改革，是高校培養應用型機械類人才的關鍵。“機電一體化技術”課程教學改革主要包括教學內容改革、教學方法改革、實驗內容改革及考核方式改革四個方面，總體改革思路如圖1所示。

1）教學內容的改革，針對機電一體化課程的自身特點，在教學內容上避免簡單重復先修課的已有知識，從機電融合的角度出發，以等效性和互補性為出發點，采用系統工程觀點和方法，改革機電一體化課程的教學內容。

2）教學方法的改革，注重引進本學科的科研成果，利用科研過程中設備創新的經驗，自主研發教學實驗系統平臺，并根據學生的實際能力水平合理細化、簡化項目研究內容，構建理論學習、實驗操作、項目研究一體化的系統教學法，以實驗操作促進理論學習，以項目研究提升綜合應用能力。

3）實驗內容的改革，機電一體化作為一個學科領域，所涵蓋的內容是十分寬泛的，涉及機械設計、電路設計、控制及軟件編程等綜合性知識和技術，考慮接受創新教育學生的理解、編程、器材加工能力以及教育的連續性，使學生能夠設計出從簡單到復雜各種層次和各種不同水平的機電一體化創新產品，遵循深入淺出的原則，改革機電一體化技術課程實驗內容，使其涵蓋基本技能訓練、綜合實踐能力訓練及創新能力培養等幾個不同層次的實驗內容。

4）考核方式的改革，改變以理論考核為主、實踐技能考核為輔的做法，加大實踐技能考核的比例，探尋能夠鍛煉學生的書面表達能力，提高學生獨立動腦能力及實際動手能力，激發學生創新動力，提高學生針對實際工程問題的分析能力、解決工程問題的能力的考核方案。

3 “機電一體化技術”課程教學改革實施方案

教學內容改革實施方案 教學內容的改革將從機電一體化技術的五大要素出發，以電能作為主要動力源，確定機械系統、執行機構、傳感檢測系統及計算機控制系統的具體教學內容。其中，機械系統注重與傳統機械學的區別，重點介紹機電一體化系統設計中，精密機械零件的設計與選擇過程；執行機構中，除介紹開環系統中常用的步進電機選擇與計算外，還要介紹常用伺服電機的選擇以及無級調速用變頻器應用；在傳感檢測系統中，以常用光柵尺及編碼器為對象，介紹光柵尺及編碼器的特點、選擇及使用方法；在計算機控制系統中，以PLC為主，介紹PLC在機電一體化系統中的應用實例。

教學方法改革實施方案 在整合優化課程教學內容的基礎上，以學科現有的科研項目為基礎，通過對科研任務的簡化，確定適合機電一體化技術的教學方案，并建立相應的實驗平臺，在教學過程中通過對項目的分析、討論、實施、實驗、總結等環節，實現“做中學”與“學中做”的有機結合。如以學科科研項目“異型石材車銑加工中心”為對象，將加工中心機械部分分為橫梁、回轉工作臺、主軸頭、進給機構等模塊，為學生講解系統中齒輪、滾珠絲杠等傳動系統及支撐部件的設計方法。

由于加工中心控制系統相對復雜，不適合教學，因此在“機電一體化技術”課程其他要素的講解中，可以自制實驗平臺，即通過對傳統機床的改造，使改造后的實驗平臺包含簡單的機械結構、PLC控制系統、檢測工作臺位移的光柵尺、檢測電機位移及轉速的編碼器。將自制實驗平臺的設計改造過程作為工程實例穿插于理論教學中。此外，在理論教學中充分利用現代綜合教育技術，抓好多媒體技術、網絡技術在課堂教學中的普及應用，利用影像、動畫等豐富的多媒體信息，提高課堂教學的生動性。

實驗內容改革實施方案 加強實驗環節建設，積極開發面向知識群應用的模塊化實驗，訓練學生的基本技能，設計面向解決問題的綜合性實驗，提高學生的工程實踐能力，提供面向創新能力培養的開放性創意實驗，培養學生的創新能力和工程意識，是機電一體化技術課程實驗內容改革的宗旨。具體實驗內容如表1所示。

考核方式改革實施方案 采用理論考試、實驗考核、創新設計及作品闡述等多種方式對學生進行考核，綜合考核學生對機電一體化概念的理解能力，知識運用能力、實驗動手能力、寫作能力及創新能力。其中理論考試分為階段考試與期末考試，包括基礎性試題、綜合性試題。創新設計及作品闡述分組進行，產品設計題目自擬，在課程之初即開始實施，期末上交設計作品。實驗考核采取自擬題目和規定題目相結合的方式，即以表1中的PLC運動控制實驗作為考核項目，通過自行設計如圖2所示的工作臺運動路線及運動參數，完成工作臺的運動控制。具體考核實施路線如圖3所示。

4 結語

高等教育機械類專業注重培養學生的實踐能力及創新能力，這些能力的培養可以借助專業課的訓練獲得。“機電一體化技術”課程具有綜合性及實踐性，是培養學生上述能力的重要平臺。在“機電一體化技術”課程的教學改革中，通過教學內容、教學方法、實驗內容及考核方式的綜合改革，并在機械設計制造及其自動化專業2010、2011級學生中進行實驗，取得了較好的教學成果，提高了學生的實踐能力及創新能力。

參考文獻

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[8]朱慧玲，王玉林，謝靜.面向機械專業的機電一體化方向檢測與控制系列課程的整合和優化[J].中國教育技術裝備，2013（21）：74-76.

3）實驗內容的改革，機電一體化作為一個學科領域，所涵蓋的內容是十分寬泛的，涉及機械設計、電路設計、控制及軟件編程等綜合性知識和技術，考慮接受創新教育學生的理解、編程、器材加工能力以及教育的連續性，使學生能夠設計出從簡單到復雜各種層次和各種不同水平的機電一體化創新產品，遵循深入淺出的原則，改革機電一體化技術課程實驗內容，使其涵蓋基本技能訓練、綜合實踐能力訓練及創新能力培養等幾個不同層次的實驗內容。

4）考核方式的改革，改變以理論考核為主、實踐技能考核為輔的做法，加大實踐技能考核的比例，探尋能夠鍛煉學生的書面表達能力，提高學生獨立動腦能力及實際動手能力，激發學生創新動力，提高學生針對實際工程問題的分析能力、解決工程問題的能力的考核方案。

3 “機電一體化技術”課程教學改革實施方案

教學內容改革實施方案 教學內容的改革將從機電一體化技術的五大要素出發，以電能作為主要動力源，確定機械系統、執行機構、傳感檢測系統及計算機控制系統的具體教學內容。其中，機械系統注重與傳統機械學的區別，重點介紹機電一體化系統設計中，精密機械零件的設計與選擇過程；執行機構中，除介紹開環系統中常用的步進電機選擇與計算外，還要介紹常用伺服電機的選擇以及無級調速用變頻器應用；在傳感檢測系統中，以常用光柵尺及編碼器為對象，介紹光柵尺及編碼器的特點、選擇及使用方法；在計算機控制系統中，以PLC為主，介紹PLC在機電一體化系統中的應用實例。

教學方法改革實施方案 在整合優化課程教學內容的基礎上，以學科現有的科研項目為基礎，通過對科研任務的簡化，確定適合機電一體化技術的教學方案，并建立相應的實驗平臺，在教學過程中通過對項目的分析、討論、實施、實驗、總結等環節，實現“做中學”與“學中做”的有機結合。如以學科科研項目“異型石材車銑加工中心”為對象，將加工中心機械部分分為橫梁、回轉工作臺、主軸頭、進給機構等模塊，為學生講解系統中齒輪、滾珠絲杠等傳動系統及支撐部件的設計方法。

由于加工中心控制系統相對復雜，不適合教學，因此在“機電一體化技術”課程其他要素的講解中，可以自制實驗平臺，即通過對傳統機床的改造，使改造后的實驗平臺包含簡單的機械結構、PLC控制系統、檢測工作臺位移的光柵尺、檢測電機位移及轉速的編碼器。將自制實驗平臺的設計改造過程作為工程實例穿插于理論教學中。此外，在理論教學中充分利用現代綜合教育技術，抓好多媒體技術、網絡技術在課堂教學中的普及應用，利用影像、動畫等豐富的多媒體信息，提高課堂教學的生動性。

實驗內容改革實施方案 加強實驗環節建設，積極開發面向知識群應用的模塊化實驗，訓練學生的基本技能，設計面向解決問題的綜合性實驗，提高學生的工程實踐能力，提供面向創新能力培養的開放性創意實驗，培養學生的創新能力和工程意識，是機電一體化技術課程實驗內容改革的宗旨。具體實驗內容如表1所示。

考核方式改革實施方案 采用理論考試、實驗考核、創新設計及作品闡述等多種方式對學生進行考核，綜合考核學生對機電一體化概念的理解能力，知識運用能力、實驗動手能力、寫作能力及創新能力。其中理論考試分為階段考試與期末考試，包括基礎性試題、綜合性試題。創新設計及作品闡述分組進行，產品設計題目自擬，在課程之初即開始實施，期末上交設計作品。實驗考核采取自擬題目和規定題目相結合的方式，即以表1中的PLC運動控制實驗作為考核項目，通過自行設計如圖2所示的工作臺運動路線及運動參數，完成工作臺的運動控制。具體考核實施路線如圖3所示。

4 結語

高等教育機械類專業注重培養學生的實踐能力及創新能力，這些能力的培養可以借助專業課的訓練獲得。“機電一體化技術”課程具有綜合性及實踐性，是培養學生上述能力的重要平臺。在“機電一體化技術”課程的教學改革中，通過教學內容、教學方法、實驗內容及考核方式的綜合改革，并在機械設計制造及其自動化專業2010、2011級學生中進行實驗，取得了較好的教學成果，提高了學生的實踐能力及創新能力。

參考文獻

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[8]朱慧玲，王玉林，謝靜.面向機械專業的機電一體化方向檢測與控制系列課程的整合和優化[J].中國教育技術裝備，2013（21）：74-76.

3）實驗內容的改革，機電一體化作為一個學科領域，所涵蓋的內容是十分寬泛的，涉及機械設計、電路設計、控制及軟件編程等綜合性知識和技術，考慮接受創新教育學生的理解、編程、器材加工能力以及教育的連續性，使學生能夠設計出從簡單到復雜各種層次和各種不同水平的機電一體化創新產品，遵循深入淺出的原則，改革機電一體化技術課程實驗內容，使其涵蓋基本技能訓練、綜合實踐能力訓練及創新能力培養等幾個不同層次的實驗內容。

4）考核方式的改革，改變以理論考核為主、實踐技能考核為輔的做法，加大實踐技能考核的比例，探尋能夠鍛煉學生的書面表達能力，提高學生獨立動腦能力及實際動手能力，激發學生創新動力，提高學生針對實際工程問題的分析能力、解決工程問題的能力的考核方案。

3 “機電一體化技術”課程教學改革實施方案

教學內容改革實施方案 教學內容的改革將從機電一體化技術的五大要素出發，以電能作為主要動力源，確定機械系統、執行機構、傳感檢測系統及計算機控制系統的具體教學內容。其中，機械系統注重與傳統機械學的區別，重點介紹機電一體化系統設計中，精密機械零件的設計與選擇過程；執行機構中，除介紹開環系統中常用的步進電機選擇與計算外，還要介紹常用伺服電機的選擇以及無級調速用變頻器應用；在傳感檢測系統中，以常用光柵尺及編碼器為對象，介紹光柵尺及編碼器的特點、選擇及使用方法；在計算機控制系統中，以PLC為主，介紹PLC在機電一體化系統中的應用實例。

教學方法改革實施方案 在整合優化課程教學內容的基礎上，以學科現有的科研項目為基礎，通過對科研任務的簡化，確定適合機電一體化技術的教學方案，并建立相應的實驗平臺，在教學過程中通過對項目的分析、討論、實施、實驗、總結等環節，實現“做中學”與“學中做”的有機結合。如以學科科研項目“異型石材車銑加工中心”為對象，將加工中心機械部分分為橫梁、回轉工作臺、主軸頭、進給機構等模塊，為學生講解系統中齒輪、滾珠絲杠等傳動系統及支撐部件的設計方法。

由于加工中心控制系統相對復雜，不適合教學，因此在“機電一體化技術”課程其他要素的講解中，可以自制實驗平臺，即通過對傳統機床的改造，使改造后的實驗平臺包含簡單的機械結構、PLC控制系統、檢測工作臺位移的光柵尺、檢測電機位移及轉速的編碼器。將自制實驗平臺的設計改造過程作為工程實例穿插于理論教學中。此外，在理論教學中充分利用現代綜合教育技術，抓好多媒體技術、網絡技術在課堂教學中的普及應用，利用影像、動畫等豐富的多媒體信息，提高課堂教學的生動性。

實驗內容改革實施方案 加強實驗環節建設，積極開發面向知識群應用的模塊化實驗，訓練學生的基本技能，設計面向解決問題的綜合性實驗，提高學生的工程實踐能力，提供面向創新能力培養的開放性創意實驗，培養學生的創新能力和工程意識，是機電一體化技術課程實驗內容改革的宗旨。具體實驗內容如表1所示。

考核方式改革實施方案 采用理論考試、實驗考核、創新設計及作品闡述等多種方式對學生進行考核，綜合考核學生對機電一體化概念的理解能力，知識運用能力、實驗動手能力、寫作能力及創新能力。其中理論考試分為階段考試與期末考試，包括基礎性試題、綜合性試題。創新設計及作品闡述分組進行，產品設計題目自擬，在課程之初即開始實施，期末上交設計作品。實驗考核采取自擬題目和規定題目相結合的方式，即以表1中的PLC運動控制實驗作為考核項目，通過自行設計如圖2所示的工作臺運動路線及運動參數，完成工作臺的運動控制。具體考核實施路線如圖3所示。

4 結語

高等教育機械類專業注重培養學生的實踐能力及創新能力，這些能力的培養可以借助專業課的訓練獲得。“機電一體化技術”課程具有綜合性及實踐性，是培養學生上述能力的重要平臺。在“機電一體化技術”課程的教學改革中，通過教學內容、教學方法、實驗內容及考核方式的綜合改革，并在機械設計制造及其自動化專業2010、2011級學生中進行實驗，取得了較好的教學成果，提高了學生的實踐能力及創新能力。

參考文獻

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