基于卓越工程師計劃的專業課程教學模式探索

尤麗華 張秋菊 吳靜靜 陳海衛 安偉

摘要：在實施卓越工程師培養計劃的教學實踐中，針對《機電一體化系統設計》課程進行教學模式探索，提出了多層次任務驅動教學方法，歸納設計教學內容一條主線，定任務、分層次展開教學。根據認知規律把理論教學和實際訓練在這條主線上融合成有機的整體并分層次循序漸進地進行教與學。突破傳統的課堂教學和實踐訓練相對分割，學生聽多思少、看多練少、寫多做少的低效率教學模式，經過幾年教學實踐，教學效果顯著，為綜合性強、知識覆蓋范圍寬的工科專業課程教學改革提供了思路。

關鍵詞：卓越課程；教學模式；多層次任務驅動教學法；機電一體化

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）05-0269-03

21世紀對人才的需求向兩級化發展，一是多元化，二是專門化，大學教育模式也在隨之發生改變。隨著國家試行的卓越工程師培養計劃的實施，大學工科教育需要實行“厚基礎、重實踐、強能力、彰個性”的培養模式。特別是和新興學科密切相關專業領域的教育，由于其知識的理論性、綜合性、實踐性強，對于教育培養模式和教學方法的革新尤其重要。針對機電工程專業的核心課程《機電一體化系統設計》，筆者進行了多年的教學方法探索，在卓越課程建設中，對教學內容、內容的相互關系、學習的層次和進程、理論和實踐如何相長等一系列問題進行了進一步的分析、梳理，在研究了認知規律的基礎上，提出并實踐了多層次任務驅動遞進教學方法，取得了較好的效果。

一、課程分析

1.課程特點。《機電一體化系統設計》課程特點是：（1）課程內容知識面廣，涵蓋了計算機及信息處理技術、傳感與檢測技術、自動控制技術、機械技術等。和當代新技術發展緊密相關，學習掌握有難度。（2）課程既有較強的理論性更具實踐性，理論聯系實際的特點非常突出，學生需要具備機電專業的基本理論知識和一定的分析、動手能力[1]。（3）和其他課程的縱橫向聯系比較緊密，學生前面的課程沒有學好會在本課程的學習中遇到阻力和困惑。（4）技術發展快，不像經典理論課程幾十年不變，該課程需要不斷隨著技術發展更新內容。

2.課程內容分析。機電一體化技術是以六項共性關鍵技術為基礎，涵蓋機械技術、電子及計算機技術、信息技術、自動控制技術、傳感與檢測技術、伺服驅動技術，它們統稱為21世紀高新技術中基礎技術[2][3]。眾多的內容融合在一門課程中，只有充分分析課程內容之間的結合點，將內容有機地串在一起形成一條主線，才能形成有序的教學進程，在有限的教學學時內達到教學目的。機電一體化系統由五大結構要素和兩個聯接要素組成，五大結構要素：機械結構、執行機構、檢測系統、控制系統、動力源；兩個聯接要素：各結構要素間的接口、使各要素協同工作的相關軟件。圖1.1表達了各要素及其關系圖。圖中的各構成要素所涉及技術與六項共性關鍵技術相對應。該課程的學習內容就是以結構要素和聯接要素為具象的六項共性關鍵技術。

二、教學方法探索

1.認知規律分析。人的認識規律一般是從宏觀到微觀、從微觀再到宏觀的過程，還要螺旋式反復才能認知。如圖2.1宏觀到微觀，微觀至宏觀的遞進循環認識過程。宏觀時看到整體或只是表象，從宏觀到微觀的過程是將對象進行分解，如圖2.1中的1、2、3…n部分。當人們對一個對象中包含的各個內容已經認知，接下來就要解決從微觀到宏觀的問題，也就是如何把各個知識點綜合形成系統的知識鏈。對整體的新的宏觀認識相比開始的宏觀認識就會有質的飛躍。這個過程需要分層次的反復進行，才能有效的和人的認知過程相適應。

我們不妨認為存在兩種認知循環，第一種為切入循環，第二種為遞進循環。在各循環間具有認知層次的不同。根據認知者的差異和需要達到的目的，認知所需的遞進循環次數不同，但是絕大多數認知者都必須要經歷切入循環、遞進循環。比如切入循環的認知程度至少使認知者能夠清晰地描述對象的構成和構成要素的特征。遞進循環使認知者能夠認知對象構成的本質和方法，認知的深入程度取決于遞進循環的次數，以及循環過程中對大腦的刺激方法。以上分析表明，分層次的遞進訓練教學模式是科學的方法。

2.多層次遞進教學法。多層次遞進教學首先解決三個主要問題，一是要合理地分清層次，二是教學內容載體的確定，三是教學激勵方法。根據機電一體化系統設計課程理論性和實踐性強的特點，教學可分成三個層次：第一層次是課堂理論教學和分解知識訓練，第二層是實際系統設計編程訓練，第三層是專業化設計訓練。三個層次都和深化理論、加強實踐能力培養相關，訓練的力度是遞進深化的。教學內容載體即體現理論知識的典型具象，確定典型實際系統作為教學內容的載體。學習激勵方法是不可偏廢的，經過分析研究，采用以任務為驅動的激勵方法和多層次遞進教學法。“任務驅動”是實施探究式教學模式的一種常用教學方式[4]。它的顯著特征是：教師教學與學生學習基于幾項給定的具體任務展開，適合于培養學生的自學能力和獨立分析問題、解決問題的能力，尤其適用于實踐性較強的理工科的教學。但簡單、孤立的任務驅動教學已經不能滿足要求，本文實施的任務驅動教學是分層次逐步深化的教學體系。圖2.2顯示了三個層次的任務驅動遞進教學法。分為基礎性任務、實驗室任務（實踐訓練）、專業設計任務。理論知識應該始終貫穿在各個任務驅動環節。各層次任務驅動教學對于學生的認知過程都是一次宏觀到微觀、微觀再到宏觀的循環。

三、教學方法實踐

為了便于實施，在教學過程中采用了三級任務驅動遞進教學法，即基礎性任務驅動、實驗室任務驅動和創新型任務驅動。

1.基礎性任務驅動教學。在切入學習內容的課堂理論教學和初級層次的任務驅動教學環節，教學內容載體的選取和基礎驅動任務的確定應該是統一的，選取原則是在專業范疇中具有典型性、基礎性。本課程選擇的內容載體是數控進給工作臺，在機械工程及自動化專業領域中是典型的位置伺服系統。具有機電一體化系統的全部構成要素。該系統在機械傳動部分涉及新型的傳動元件、新材料、新工藝等內容；在檢測元件方面涉及對速度、位置的檢測方法、信號的處理等；在執行元件方面涉及控制與驅動方法；在控制器方面涉及計算機及電子電路構成，相關軟件涉及控制理論及方法等；另外使各組成要素成為有機整體的接口技術等。總體設計的基本思路是根據系統性能要求，合理選擇、設計和整合各構成要素，其中系統穩定性、精度和速度是需要著重考慮的內容[5]。在課堂教學中以該位置伺服系統作載體，分五大結構要素剖析知識點，同時給學生下達基礎性分步設計任務——數控進給工作臺設計。課堂教學中完成結構知識學習后，學生設計相應的結構要素，當教學內容完成，學生的設計工作也完成了。這樣把教學內容貫穿于課題，使學生學有所用、即學即用，比學完課程再來搞實踐有效得多。這種方法首先激發了學生的學習熱情和自覺性，學習的針對性強，對知識點的掌握更快、更扎實。采取這樣的教學方法學生需要更多的課后答疑和指導，教與學雙方交流形成良好的相長狀態。

2.實驗室任務驅動教學。實驗室任務驅動教學分兩種，一種是對基礎性任務過程中的設計環節進行實踐驗證，另一種是應用性實踐訓練。采用一體化教學方法，即把理論教學和實驗室實踐教學融為一體，作為對課堂教學的補充和提高。如果說，前面的基礎性任務驅動教學在認知循環中屬于切入循環，實驗室任務驅動教學則進入到了遞進循環。實踐驗證性的任務主要針對數控進給工作臺設計中需要經實驗驗證的基礎知識點，如新型傳動元件的應用，伺服電機控制，編碼盤、光柵的檢測原理、信號處理等。在伺服電機控制實驗中，學生被要求對步進電機的加減速方法、直流和交流伺服電機的控制等進行控制方法設計、實際編程運行，控制精度評價等。使學生發現設計中的參數選取、系統配置中的問題。應用性的實驗室任務加入了設計環節，相比實踐驗證性任務具有系統性、綜合性。具體做法是：在數控進給工作臺的基礎上，給學生下達相對復雜一些的機電系統的設計驗證任務，比如自動上料系統、物料分揀系統等，學生首先根據下達的任務，分析功能和參數，進行設計，在實驗設備上進行系統搭建，并按要求進行編程、調試。這一環節需要學生發揮主觀能動性，有機綜合各知識點，進行系統設計、驗證，完成微觀向宏觀的認識遞進。

3.創新型任務驅動教學。創新型任務驅動教學環節主要是模擬學生走上設計崗位后的工作模式，進行實際課題訓練。設計課題涉及的技術問題是典型的機電系統中的關鍵技術、當前行業中需要解決的技術課題。學生們組成課題組，由學生自己擔任課題組長，課題組成員之間既分工又合作共同完成設計，各個小組成員橫向交流，共同進步[6]。課題以伺服系統為基礎，在實際的課題和真實的設計環境中，使學生找到了角色定位，強化了責任感，激發了學習潛能。

課題的設計過程要求學生完成以下幾個設計步驟：（1）系統總體設計：從整體目標出發綜合分析設計對象的性能設計總體方案。（2）機械系統設計：機械系統機構選型、結構設計、強度和運動計算。（3）接口設計：人機接口和機電接口的硬件設計、程序編制。（4）檢測系統設計：研究檢測方法、合理選擇傳感器和檢測電路、信號預處理方法等。（5）執行元件選擇：分析執行元件的性能、選擇執行元件。（6）控制系統設計：控制系統硬件設計、軟件的編制。最終提交設計總圖、電路原理圖、程序框圖、部分程序、系統搭建和調試、設計說明書等技術資料。學生進一步應用理論解決實際問題，培養科研能力、鍛煉工程素質、開拓創新精神以及團隊合作能力。全面訓練學生綜合運用本專業基礎知識進行機電系統創新性設計的能力。在這一環節的教學中，學生顯現了較高的學習積極性，設計出很多好的方案。

四、結論

1.按科學的認知規律，設計教學方法和進程，提出并實踐了多層次任務驅動遞進教學法，并取得了很好的效果，證明了所提出的教學方法的科學性和實際推廣價值。

2.基于多層次任務驅動遞進教學法以不同層次任務為主線、以遞進循環方式為向導、以發揮學生主觀學習意識為著力點，為學生營造理論和實際結合、認識和能力結合、學習和創新結合、課堂和工程環境結合的新型培養環境的理念和條件，為卓越工程師人才的培養奠定了環境基礎。

參考文獻：

[1]閆華，汪木蘭，朱思洪.《機電一體化系統設計》課程教學改革的實踐[J].中國科技信息，2008，（15）：241-242.

[2]張建民.機電一體化系統設計[M].北京理工大學出版社，2012.

[3]鄭堤，唐可洪.機電一體化設計基礎[M].北京：機械工業出版社，2005.

[4]寧偉，于永春，杜明.任務驅動教學法在計算機教學中的探索與實踐[J].能源技術與管理，2006，（01）：102-105.

[5]張曉宇.案例教學法在《機電一體化系統設計》課程教學中的應用[J].科學咨詢（科技·管理），2012，（09）：101.

[6]李琦，王基，劉永葆.《機電一體化系統設計》課程教學改革與實踐[J].高等教育研究學報，2010，（01）：100-101.