面向卓越工程師的機(jī)電系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程建設(shè)與教學(xué)改革

鮑久圣 楊善國 劉同岡 陰妍

摘 要 針對現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的機(jī)電一體化發(fā)展趨勢，分析機(jī)電系統(tǒng)類課程在課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面的現(xiàn)狀與不足，認(rèn)為高校應(yīng)結(jié)合自身辦學(xué)優(yōu)勢和行業(yè)特點(diǎn)，科學(xué)設(shè)置開課模式，精心編寫特色教材，積極開展教學(xué)改革；以中國礦業(yè)大學(xué)培養(yǎng)卓越采礦工程師為例，從教學(xué)內(nèi)容組織、特色教材編寫、教學(xué)方法改革、考核方式革新等四個方面，給出具體課程建設(shè)與教學(xué)改革措施及建議，可為開展機(jī)電系統(tǒng)類課程建設(shè)與教學(xué)改革提供有益參考。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)；卓越工程師；機(jī)電系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)；機(jī)電一體化系統(tǒng)；教學(xué)改革；課程建設(shè)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）23-0105-03

Abstract Aiming at the development trend of mechatronics in the modern machinery industry， the current situation and deficiencies in curriculum setting， teaching content， teaching methods of analysis and design of mechatronics system course were investigated and analyzed. It is pointed out that universities should combine their own advantages and characteristics to set up the course model scientifically， compile characteristic teaching materials elaborately， and carry out teaching reform actively. By taking the training of out-standing mining engineers at China University of Mining and Tech-nology as an example， the course construction and teaching reform actions and suggestions were discussed in terms of teaching content organization， characteristic teaching materials compilation， teaching method reformation， and assessment mode innovation. It is believed that the results could provide useful reference for course construc-tion and teaching reform of mechatronics courses.

Key words modern machinery industry； outstanding engineers； ana-lysis and design of mechatronics system； mechatronics system； tea-ching reform； course construction

1 前言

機(jī)電一體化系統(tǒng)融合了機(jī)械、電力、電子、信息和控制等工科領(lǐng)域的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的必然發(fā)展方向，熟練掌握機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和分析方法是廣大工科院校培養(yǎng)卓越機(jī)械工程師必備的理論基礎(chǔ)和專業(yè)技能[1-2]。在礦山機(jī)械領(lǐng)域，采礦及運(yùn)輸作業(yè)正日益趨向于自動化、智能化乃至于無人化發(fā)展，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)就是以采煤機(jī)、提升機(jī)等為代表的各類智能化礦山裝備[3]。目前，幾乎所有智能化礦山裝備都是機(jī)電一體化系統(tǒng)。因此，熟練掌握礦山機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析方法，是各類礦業(yè)類高校培養(yǎng)卓越采礦工程師必備的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

2 機(jī)電系統(tǒng)類課程現(xiàn)狀調(diào)研與分析

機(jī)電一體化系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)電流的強(qiáng)度可將其劃分為電力拖動系統(tǒng)（強(qiáng)電）和機(jī)電控制系統(tǒng)（弱電）兩大部分，弱電控制強(qiáng)電，強(qiáng)電影響弱電，兩者相輔相成，缺一不可。作為現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備的重要理論和技術(shù)基礎(chǔ)，機(jī)電系統(tǒng)類課程在各大高校的機(jī)械工程、電氣工程等相關(guān)專業(yè)普遍開設(shè)。經(jīng)過多年發(fā)展，機(jī)電系統(tǒng)類課程建設(shè)已取得顯著成績，但仍然存在一些問題與不足。

教學(xué)內(nèi)容分化 當(dāng)前在我國高校機(jī)電系統(tǒng)類課程設(shè)置中，一般都將強(qiáng)電和弱電兩大內(nèi)容分化為兩門課程，分別對應(yīng)為機(jī)電傳動控制（或電力拖動與控制）、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。機(jī)電傳動控制課程重點(diǎn)講解以電動機(jī)為基礎(chǔ)的電力拖動系統(tǒng)設(shè)計(jì)，屬于強(qiáng)電范疇；機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程則偏重于講授以單片機(jī)、PLC為核心的機(jī)電系統(tǒng)控制問題，偏重于傳授弱電知識。以中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)為例，過去這兩門課程一直分方向而設(shè)，機(jī)電傳動控制課程安排在機(jī)械電子方向，而機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程則安排在機(jī)械設(shè)計(jì)方向，不同方向的學(xué)生只能選修其中一門課程，導(dǎo)致難以將機(jī)電系統(tǒng)必備的兩大知識體系完整傳授給學(xué)生，使其無法形成機(jī)電系統(tǒng)的整體概念。

缺少實(shí)際案例分析 機(jī)電系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)是直接面向于應(yīng)用的專業(yè)課程，因此應(yīng)該將教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際緊密結(jié)合起來，但現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容普遍缺乏實(shí)際案例及其具體分析，導(dǎo)致教師難以講授，學(xué)生認(rèn)知困難。現(xiàn)有教材即使設(shè)置了一些機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造案例，也多偏向于早期的機(jī)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)方法及控制方案沒有及時推陳出新，已經(jīng)跟不上時代發(fā)展，學(xué)生學(xué)習(xí)后實(shí)際應(yīng)用價值并不高。

沒有融入學(xué)校辦學(xué)特色 根據(jù)行業(yè)不同，機(jī)電系統(tǒng)又細(xì)分為通用機(jī)電設(shè)備、礦山機(jī)電設(shè)備、工程機(jī)電設(shè)備等多種類型。為了體現(xiàn)各高校的辦學(xué)特色，在機(jī)電系統(tǒng)類課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上應(yīng)有所區(qū)分。如對中國礦業(yè)大學(xué)而言，面向?qū)W校培養(yǎng)卓越采礦工程師的課程要求，有必要在教學(xué)內(nèi)容中更多地融入礦山機(jī)電裝備的知識體系，并應(yīng)結(jié)合當(dāng)前礦山裝備的智能化及無人化發(fā)展趨勢，組織編寫具有礦業(yè)特色的新教材。

教學(xué)模式傳統(tǒng)，學(xué)生參與度低 目前，機(jī)電系統(tǒng)類課程的教學(xué)模式大多還是采用以教師講授為主的教學(xué)方式，一些教師教學(xué)思維固化，大量簡單復(fù)述課件內(nèi)容，很容易就讓原本就枯燥的理論知識變成生硬的報告展示。這種教學(xué)方式注重灌輸，教學(xué)方法偏重講授，教學(xué)過程缺乏引導(dǎo)，學(xué)生參與度不高，獨(dú)立思考機(jī)會過少，嚴(yán)重限制了個性發(fā)揮。

3 機(jī)電系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程建設(shè)與教學(xué)改革探討——以中國礦業(yè)大學(xué)為例

針對當(dāng)前機(jī)電系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程在課程設(shè)置、教材內(nèi)容和教學(xué)方法等方面存在的不足，下面以中國礦業(yè)大學(xué)培養(yǎng)卓越采礦工程師為例，從教學(xué)內(nèi)容組織、特色教材編寫、教學(xué)方法革新等三個方面給出具體的課程建設(shè)與教學(xué)改革措施及建議。

整合強(qiáng)電和弱電知識，構(gòu)建完整課程教學(xué)內(nèi)容 針對如前所述的教學(xué)內(nèi)容分化、學(xué)生選課受限等問題，中國礦業(yè)大學(xué)在機(jī)械工程專業(yè)2016版教學(xué)計(jì)劃中新增開設(shè)專業(yè)主干課程“機(jī)電系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)”，不分方向面向本專業(yè)所有學(xué)生開課。在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上，整合原機(jī)械設(shè)計(jì)方向“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”和原機(jī)械電子方向“機(jī)電傳動控制”兩門專業(yè)主干課的教學(xué)內(nèi)容，將強(qiáng)電與弱電兩大知識點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來，豐富和完善了機(jī)電系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容和知識體系，可使學(xué)生在了解機(jī)電系統(tǒng)完整結(jié)構(gòu)和功能原理的基礎(chǔ)上，掌握對機(jī)電系統(tǒng)的綜合分析與設(shè)計(jì)計(jì)算方法，從而能夠靈活運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)開發(fā)工作。

面向煤炭行業(yè)特點(diǎn)編寫教材，豐富典型礦山裝備案例分析 為了體現(xiàn)中國礦業(yè)大學(xué)面向煤炭行業(yè)辦學(xué)的特色與優(yōu)勢，根據(jù)培養(yǎng)卓越采礦工程師的教學(xué)要求，組織編寫新編教材《機(jī)電系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》。在教材內(nèi)容的設(shè)置上，整合機(jī)電系統(tǒng)的強(qiáng)電和弱電兩大知識點(diǎn)，考慮礦山機(jī)電裝備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來組織內(nèi)容，大幅增加典型礦山機(jī)電裝備的設(shè)計(jì)與分析案例。如在緒論部分除了介紹通用機(jī)電設(shè)備以外，還介紹采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等典型礦山機(jī)電裝備現(xiàn)狀；在講授機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成時，選擇幾種典型礦山機(jī)電裝備為例，進(jìn)行結(jié)構(gòu)解剖與原理解析；在教材中辟出一章專題講解機(jī)電裝備的智能化問題，并以掘進(jìn)機(jī)自動截割成型控制等先進(jìn)技術(shù)為例，展開智能化設(shè)備案例分析。

倡導(dǎo)師生互動活躍課堂氣氛，結(jié)合實(shí)踐提高學(xué)生認(rèn)知能力 教師作為傳授知識的設(shè)計(jì)者和實(shí)施者，要學(xué)會因材施教，對于不同的教學(xué)對象與內(nèi)容可靈活采用案例式、啟發(fā)式、討論式、互動式和辯論式等不同教學(xué)方法，讓學(xué)生盡可能多地參與進(jìn)來，改變課堂上教師獨(dú)自傳授知識的狀況，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。如在本課程教學(xué)中可以考慮引入研討環(huán)節(jié)，選擇某一典型機(jī)電系統(tǒng)讓學(xué)生以小組為單位，在課后去查閱調(diào)研文獻(xiàn)，課上預(yù)留時間讓學(xué)生來講解其結(jié)構(gòu)和原理；在課堂上采用啟發(fā)、提問方式，讓學(xué)生自我發(fā)現(xiàn)、提出并解決在生活和實(shí)踐中所遇到的機(jī)電系統(tǒng)問題；介紹一些成功或失敗的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例，引導(dǎo)學(xué)生展開討論和分析，激發(fā)其創(chuàng)新思維和解決實(shí)際問題能力。

機(jī)電系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)是一門面向應(yīng)用的專業(yè)課程，有條件的高校應(yīng)該開發(fā)配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，鞏固學(xué)生在課堂上所學(xué)的理論知識。更進(jìn)一步，若能結(jié)合高校的特色科研實(shí)驗(yàn)室給學(xué)生提供一些參觀和實(shí)踐的機(jī)會或?qū)⒏哂袑?shí)際意義。如中國礦業(yè)大學(xué)就面向本科生開放了江蘇省礦山智能采掘裝備協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省綜采綜掘智能化裝備工程技術(shù)中心等高層次科研平臺，讓學(xué)生對機(jī)電系統(tǒng)的認(rèn)知不局限于教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，也能有機(jī)會在科研實(shí)驗(yàn)室中得到實(shí)踐驗(yàn)證。

革新課程考核方式，夯實(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)效果 一般課程大多采用閉卷考試結(jié)合平時考核得到總評成績的考核方式，其弊端在于：考試內(nèi)容局限于課本，試卷題目過于呆板，易讓學(xué)生養(yǎng)成死記硬背而不注重理解的習(xí)慣；考核指標(biāo)注重考查學(xué)生對關(guān)鍵知識點(diǎn)即所謂“重點(diǎn)”的掌握程度，學(xué)生通過快速突擊往往就能通過考試，但知識實(shí)際掌握并不扎實(shí)。因此，為了夯實(shí)課程教學(xué)效果，讓學(xué)生真正“學(xué)懂、弄通、會用”機(jī)電系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法，有必要對傳統(tǒng)教學(xué)考核方式進(jìn)行改革，通過采取多種形式相結(jié)合的綜合考核方式來促使學(xué)生增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

1）在平時考核中應(yīng)加強(qiáng)對學(xué)生綜合能力的考核環(huán)節(jié)。如讓學(xué)生在課后針對某一典型機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，在課上預(yù)留時間讓學(xué)生講解和研討，對于受課時限制未能參與自主講解的學(xué)生，可以讓他們以科技小論文的形式提交調(diào)研和分析報告。這個環(huán)節(jié)不僅可以鍛煉學(xué)生的文獻(xiàn)調(diào)研及綜合分析能力，也可以培養(yǎng)他們的科技論文寫作和口頭/書面表達(dá)能力。

2）在結(jié)課考試中設(shè)置至少30%以上的綜合分析題，這種題沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，學(xué)生需要自主提出設(shè)計(jì)方案，并應(yīng)能簡要分析其具體實(shí)現(xiàn)方式。這樣可以有效考核學(xué)生對于課程基礎(chǔ)知識點(diǎn)的掌握程度和實(shí)際運(yùn)用能力。

3）鼓勵學(xué)生積極參與各類大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目和機(jī)電專業(yè)相關(guān)競賽，只要學(xué)生能夠提供參與這類項(xiàng)目和競賽的有效證明，就可以在平時成績中予以適當(dāng)加分，以此來激勵學(xué)生學(xué)以致用。

4 結(jié)語

機(jī)電系統(tǒng)類課程承載著機(jī)電一體化高技能卓越工程師的培養(yǎng)重任，但現(xiàn)有課程體系在課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面都存在諸多不足。面向現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的智能化發(fā)展趨勢，各高校應(yīng)結(jié)合辦學(xué)優(yōu)勢和行業(yè)特點(diǎn)，科學(xué)設(shè)置機(jī)電系統(tǒng)類課程的開設(shè)模式，精心編寫適合本校特色的機(jī)電系統(tǒng)教材，同時應(yīng)適應(yīng)新時代特點(diǎn)，積極開展教學(xué)方法改革，培養(yǎng)具有時代特色和行業(yè)優(yōu)勢的機(jī)電一體化人才。

參考文獻(xiàn)

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