機電一體化產(chǎn)品設計課程教學探討

陳 超，王 佳

（江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

《機電一體化產(chǎn)品設計》（有的學校課程名稱為《機電一體化系統(tǒng)設計》）是機械電子工程專業(yè)比較重要的一門專業(yè)課，該課程內(nèi)容涵蓋機械技術、微電子技術、信息技術、傳感器技術、自動控制技術和系統(tǒng)總體設計等多學科相互交叉滲透的綜合課程。該課程綜合性很強，基本上囊括了機械電子專業(yè)的所有課程（如圖一所示）。圖一以典型機電一體化產(chǎn)品控制模型的流程圖，所包含的各個環(huán)節(jié)均可以用以外所學課程內(nèi)容來包括。因此該課程對學生的學習難度比較大，相對來說對授課教師的要求也會比較高。

圖1 機電一體化產(chǎn)品設計課程內(nèi)容的組成

一般來說機電類畢業(yè)生主要面向先進裝備制造行業(yè)、機電產(chǎn)品生產(chǎn)或經(jīng)營企業(yè)，畢業(yè)之后從事與機電一體化產(chǎn)品相關的設計制造、科研開發(fā)以及運行管理等方面的工作。因此要求畢業(yè)生具備機電一體化的基本理論知識，同時針對機電一體化的典型產(chǎn)品具備一定的創(chuàng)新設計、分析以及動手能力。因此這門課程所涉及的知識范圍比較廣、知識點多、綜合性和實用性強，同時在目前的機電類培養(yǎng)方案中不可能給予這樣一門專業(yè)方向課太多的學時，因此在有限的授課學時內(nèi)，如何提高課程教學效果，更好的培養(yǎng)學生在課程學習的創(chuàng)新思維以及較好的動手實踐能力是授課老師面臨的一個重大挑戰(zhàn)。本文根據(jù)《機電一體化產(chǎn)品設計》課程特點以及目前學生在課程學習中間所存在的問題，提出了改革教學內(nèi)容、教學方式以及相關實踐環(huán)節(jié)的全新機電一體化產(chǎn)品課程教學新模式。

1.課堂教學內(nèi)容改革

《機電一體化產(chǎn)品設計》課程學時一般為 32～40學時（不同學校安排也許存在一定差異），該課程涵蓋其他課程教學內(nèi)容較廣，學科知識較雜，因此要教好這門課程存在較大的講授難度，對教師的教學方法和教學水平提出了較高的要求。本文根據(jù)該課程的特點以及講授該課程多年的教學經(jīng)驗，典型機電一體化的產(chǎn)品開發(fā)流程如圖2所示，在教學內(nèi)容上，針對典型機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)過程，提煉出機電一體化產(chǎn)品中的共性特點，以某型號的典型機電一體化產(chǎn)品作為經(jīng)典設計案例來進行講解。比如以某型號的數(shù)控機床為例，先在課堂上組織學生們進行研討，共同提出該機床的設計總體目標，由設計目標和設計功能出發(fā)來構建針對該型機床的功能分解組建功能樹，根據(jù)功能分解的結果來構建該型號機床的形態(tài)學矩陣，并由形態(tài)學矩陣來遴選出該產(chǎn)品的原理方案設計，由原理方案設計然后組織同學進行分組的結構方案設計，而具體的結構方案設計內(nèi)容可以作為課外作業(yè)或者討論課內(nèi)容組織學生在任課老師的指導下來完成，其中通過對該型機床的機械部分的設計和選型、控制系統(tǒng)的設計和選型、驅(qū)動部分的設計和選型以及傳感器部分的設計和選型用近乎實戰(zhàn)的要求來完成課程各個部分內(nèi)容上的講解和分析，教學內(nèi)容的這種改革能夠激起學生較大的參與熱情，同時也有具體任務的安排能夠讓大部分同學獲得較大的參與度加入團隊協(xié)作。該課程的教學方法可以總結為“以典型產(chǎn)品為主線、由點及面的教學方法”，通過這幾年的教學方法改革和實踐，在該課程的教學上以及教學內(nèi)容的安排上深受學生好評，同時也取得了相當不錯的教學效果。

圖2 典型機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)流程

2.課堂教學手段改革

課堂的教學手段上，和傳統(tǒng)的課堂授課方式有較大的區(qū)別，基本采用多媒體講授、課堂討論、分組協(xié)作設計、課外實踐等幾個部分，多媒體講授主要針對典型機電一體化產(chǎn)品的結構特點，分數(shù)控機床、機器人、汽車自動電子系統(tǒng)、家電等產(chǎn)品進行設計過程和設計方法的講解。課堂討論主要是針對不同類型的機電一體化產(chǎn)品的功能樹的建立和形態(tài)學矩陣的構建等內(nèi)容上，充分發(fā)揮和調(diào)動學生的參與熱情，來完成對某類型的機電一體化產(chǎn)品的原理方案的設計。分組協(xié)作設計是在既定機電一體化產(chǎn)品的原理方案完成的基礎上，按照學生的設計興趣和專業(yè)特長進行分組結構方案設計，在結構方案設計中，因為各個設計小組的相關模塊的結構方案設計會互相存在有交叉，因此各個設計小組的設計結果和設計過程要經(jīng)常進行交流和探討。課外實踐環(huán)節(jié)是根據(jù)課程的知識要點和設計過程提供給學生的一個實際動手操作的一個環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)一般以單片機或者PLC作為控制器的小型機電一體化產(chǎn)品，比如各種類型的小型機器人的設計等等。通過項目實踐讓學生更好地對課程知識有一個鞏固和消化的過程。學生的最終成績考核在這幾個環(huán)節(jié)中由指導老師來進行評比和打分，而不僅僅依靠一張試卷和課堂表現(xiàn)來評分，更好的考核了學生的總體素質(zhì)和綜合能力。

3.課外實踐項目改革

為了更好的課程內(nèi)容教學，結合江蘇科技大學每年一屆的大學生科技創(chuàng)新計劃項目申報，組織學生參與和開展各種單片機和PLC控制的機電一體化產(chǎn)品設計。這些作品都是本科生結合課程內(nèi)容以項目分組形式分工協(xié)作制作出來的，這些作品在江蘇省大學生機械創(chuàng)新大賽中榮獲多次二等獎和三等獎的獎勵。

4.總結

通過課程內(nèi)容的調(diào)節(jié)和課程授課環(huán)節(jié)的改革，結合學生在機電一體化實際產(chǎn)品設計與開發(fā)實踐鍛煉，學生能夠?qū)ⅰ稒C電一體化產(chǎn)品設計》中設計到的各個相關課程知識有效結合起來，使教學效果和教學質(zhì)量在近幾年都得到了穩(wěn)步的提升。近三年來，機電專業(yè)的學生就業(yè)率都保持在100%，學生就業(yè)后從用人單位反饋的信息也都十分良好。

[1]劉杰等. 機電一體化技術基礎與產(chǎn)品設計[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[2]韓向可，李菲. 《機電一體化系統(tǒng)設計》課程的教學改革[J]. 中國科技信息，2010，09.

[3]張建民. 機電一體化系統(tǒng)設計[M]. 北京：高等教育出版社，2007.