研究生的“機(jī)電一體化”思維培養(yǎng)及創(chuàng)新能力提升

隋修武 牛雪娟 杜玉紅 桑宏強(qiáng)

摘 要 本文結(jié)合天津工業(yè)大學(xué)的“機(jī)械電子工程”優(yōu)秀課程、優(yōu)秀教材及教學(xué)改革項目建設(shè)，對如何培養(yǎng)機(jī)械工程學(xué)科研究生的“機(jī)電一體化”的設(shè)計思想，在教學(xué)理念、教學(xué)手段、實踐模式、創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面采取了一系列措施。多年來的教學(xué)實踐表明，這些措施對提高研究生的機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用能力、科研能力、繼續(xù)深造的能力和就業(yè)能力都取得了非常好的效果。

關(guān)鍵詞 機(jī)械電子工程 研究生培養(yǎng) 教學(xué)改革 創(chuàng)新意識

中圖分類號：G643 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Graduate Students' "Mechatronics" Training

and Innovative Ability Improvement

SUI Xiuwu， NIU Xuejuan， DU Yuhong， SANG Hongqiang

（Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387）

Abstract In this paper， combined with Tianjin Polytechnic University "Mechanical and Electronic Engineering" excellent curriculum， outstanding teaching and teaching reform project on how to train a graduate student in mechanical engineering disciplines "mechatronics" design thinking， teaching philosophy， teaching methods， practice patterns， innovation aspects of consciousness and innovative ability， such as a series of measures. Teaching practice over the years shows that the application of these measures to improve the ability of graduate mechatronics technologies， research capabilities， the ability to continue their education and employability have achieved very good results.

Key words Mechanical and Electronic Engineering； graduates' training； teaching reform； innovative awareness

1 “機(jī)電一體化”思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)

1.1 創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要意義

研究生的綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力，從大的方面講，對綜合國力的增強(qiáng)、高水平大學(xué)的建設(shè)和發(fā)展都具有積極的意義，從小的方面講，是學(xué)生就業(yè)能力、考博能力、職業(yè)生存能力的基本保障，因而其意義十分重要。目前我國研究生創(chuàng)新能力，尤其是原創(chuàng)能力較差，參與創(chuàng)新研究的機(jī)會少、有影響的創(chuàng)新成果少。①為此，2013年3月，教育部、國家發(fā)展改革委、財政部三部委聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于深化研究生教育改革的意見》中明確提出：“強(qiáng)化創(chuàng)新能力培養(yǎng)，探索形成各具特色的培養(yǎng)模式”。 ②

1.2 “機(jī)電一體化”思維的主要內(nèi)容

現(xiàn)代的機(jī)械工程已不是簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用，機(jī)電一體化是大勢所趨，機(jī)械電子工程是一門綜合技術(shù)，它的設(shè)計與開發(fā)范圍是非常廣泛的，一般包括六大共性關(guān)鍵技術(shù)：機(jī)械技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、計算機(jī)與信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、伺服傳動技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)。

機(jī)械工程學(xué)科的研究生，大多數(shù)出自機(jī)械工程及自動化本科專業(yè)，一般具有較扎實的機(jī)械專業(yè)的基礎(chǔ)，在“機(jī)械設(shè)計、機(jī)械制造”領(lǐng)域具備一定的專業(yè)知識，但是電子方面的基礎(chǔ)知識卻比較薄弱，許多研究生連常識性的電子知識都不具備，甚至對“測量”、“控制”領(lǐng)域一無所知。因此需對其在電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)集成技術(shù)等方面進(jìn)行專業(yè)培養(yǎng)。

機(jī)械電子系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)在智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、人格化、綠色化。針對機(jī)械電子工程系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，與時俱進(jìn)地改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，將上述思想引入教學(xué)，使研究生能夠抓住學(xué)科發(fā)展前沿，對科研產(chǎn)生濃厚興趣，培養(yǎng)基本的機(jī)電一體化的設(shè)計思想。③④

2 “機(jī)械電子工程”的教學(xué)改革

“機(jī)電一體化”的設(shè)計思想培養(yǎng)，依托“機(jī)械電子工程”課程，在課堂教學(xué)內(nèi)容上重新設(shè)計。在測量傳感技術(shù)中，重點講解機(jī)械工程領(lǐng)域的傳感技術(shù)，如力覺、視覺、觸覺、位置、運(yùn)動的檢測等的檢測原理與方法，而不再重復(fù)通用的工業(yè)領(lǐng)域的溫度、壓力、流量、物位等的檢測；在控制技術(shù)中，重點講解單片機(jī)、PLC，并適當(dāng)介紹嵌入式系統(tǒng)STM、DSP處理器及PMAC多軸運(yùn)動控制卡等；控制算法中除了介紹傳統(tǒng)的PID控制策略及其改進(jìn)，重點介紹模糊控制的原理和應(yīng)用；在機(jī)電系統(tǒng)的集成技術(shù)中，重點講解機(jī)電系統(tǒng)的各模塊之間的級聯(lián)問題、機(jī)電系統(tǒng)的電磁兼容問題等。

在整個教學(xué)過程中，以典型的應(yīng)用案例“加工中心”、“工業(yè)機(jī)器人”貫穿始終，特別是將工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的科研成果及前沿技術(shù)引入教學(xué)。在教學(xué)過程中，與時俱進(jìn)地豐富研究生課程內(nèi)容，尤其是運(yùn)用最新機(jī)電一體化的案例作為分析對象，最大程度地吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)研究生的學(xué)習(xí)動力。將機(jī)械工程領(lǐng)域的“設(shè)計、制造”與“測量、控制”有機(jī)地結(jié)合起來，在培養(yǎng)研究生機(jī)電一體化領(lǐng)域堅實的基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，將測、控、傳等各專業(yè)技能充分融合起來，提高研究生的機(jī)電一體化的系統(tǒng)集成能力、工程應(yīng)用能力、科研創(chuàng)新能力。

同時，充分利用豐富的數(shù)字化教學(xué)資源、“機(jī)械電子工程”課程網(wǎng)站、優(yōu)秀的多媒體課件，結(jié)合學(xué)生來自不同學(xué)校，基礎(chǔ)差別較大的現(xiàn)狀，采用模塊化教學(xué)方式，將教學(xué)內(nèi)容分為基本要求、中等要求和較高要求，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自身條件及科研需要有針對性地選擇要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，做到因需施教，因材施教。實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與多種教學(xué)手段的有效結(jié)合。

3 加強(qiáng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

3.1 案例教學(xué)

結(jié)合學(xué)院辦學(xué)條件，并與企業(yè)進(jìn)一步加強(qiáng)合作，以自動導(dǎo)引搬運(yùn)車（AGV）、汽車防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、工業(yè)機(jī)器人、自動化生產(chǎn)線等典型機(jī)電一體化技術(shù)為實例，對常用機(jī)構(gòu)的選擇、運(yùn)動的檢測與控制、控制算法的實現(xiàn)等進(jìn)行深入的剖析和講解，使學(xué)生對機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的集成技術(shù)有了深入的認(rèn)識和理解。

3.2 開放式作業(yè)

設(shè)計了若干個開放式作業(yè)，如機(jī)器手運(yùn)動中的直流電機(jī)運(yùn)動控制、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制，高能鋰電池生產(chǎn)線的鋰電池恒流放電系統(tǒng)的模糊控制等，學(xué)生們通過自主查閱資料，自主設(shè)計方案，實現(xiàn)預(yù)期功能。通過這些訓(xùn)練，強(qiáng)化了學(xué)生進(jìn)行信號處理及運(yùn)用計算機(jī)控制知識的能力。

3.3 企業(yè)導(dǎo)師進(jìn)課堂

一些學(xué)校引進(jìn)企業(yè)導(dǎo)師進(jìn)課堂，在本科生培養(yǎng)，特別是卓越工程師班的教學(xué)中發(fā)揮了重要作用，而在研究生的培養(yǎng)中尚很少引入。本文的企業(yè)導(dǎo)師進(jìn)課堂針對的是低年級的研究生，與學(xué)術(shù)報告不同，更多的是結(jié)合企業(yè)的需求，先進(jìn)前沿技術(shù)，更側(cè)重于應(yīng)用。本項目引入多次企業(yè)導(dǎo)師教學(xué)，包括機(jī)器視覺技術(shù)與應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用等。

3.4 展會現(xiàn)場教學(xué)

利用地域和行業(yè)的優(yōu)勢，參觀一年二次的國際裝備制造業(yè)博覽會。在展會上進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)，學(xué)生們就“加工中心”、“工業(yè)機(jī)器人”、“自動導(dǎo)引車”、“三維掃描儀”等設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行了深入探討，由任課教師和現(xiàn)場工程師進(jìn)行細(xì)致講解。通過展會的現(xiàn)場教學(xué)，學(xué)生們了解了制造業(yè)的發(fā)展新水平，學(xué)習(xí)了制造業(yè)的新技術(shù)，認(rèn)識了制造業(yè)的新設(shè)備，收獲頗豐。

3.5 研究生實踐報告

每個研究生結(jié)合自己的未來的研究方向，完成一個“機(jī)電一體化綜合案例”的應(yīng)用設(shè)計報告。要求給出設(shè)計要求、設(shè)計背景、總體方案、各功能模塊的具體實現(xiàn)思路等。在進(jìn)入課題研究之前，先對機(jī)電一體化的課題研究形成初步的設(shè)計思想，對結(jié)構(gòu)、測量、控制系統(tǒng)的設(shè)計，以及如何協(xié)調(diào)各模塊的工作有直觀的認(rèn)識。

4 結(jié)語

文章構(gòu)建的“機(jī)械電子工程”課程的課程建設(shè)體系、教材建設(shè)和教學(xué)改革建設(shè)，立足于本校研究生教育的現(xiàn)狀，以高校機(jī)械工程學(xué)科研究生的“機(jī)電一體化”思想培養(yǎng)與創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為切入點，在近幾年的研究生培養(yǎng)中積累了豐富的經(jīng)驗，取得了良好的效果。該教材已經(jīng)列入“普通高等學(xué)校“十二五規(guī)劃”教材”、“普通高等學(xué)校研究生系列優(yōu)秀教材”，該教學(xué)改革的一些思想，比如“模塊化教學(xué)”、“企業(yè)導(dǎo)師進(jìn)課堂”、“展會現(xiàn)場教學(xué)”等，已推介到學(xué)校其他學(xué)科應(yīng)用，研究成果已得到了一定程度的推廣和認(rèn)可。

注釋

① 袁本濤，延建林.我國研究生創(chuàng)新能力現(xiàn)狀及其影響因素分析——基于三次研究生教育質(zhì)量調(diào)查的結(jié)果[J].北京大學(xué)教育評論，2009（2）：12.

② 教育部，國家發(fā)展改革委，財政部.教研[2013]1 號.關(guān)于深化研究生教育改革的意見.

③ 王孫安.機(jī)械電子工程原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

④ 隋修武.機(jī)械電子工程原理與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014.