新工科背景下機械電子工程專業綜合課程設計教學改革與探索

張征凱，溫慶國，李鵬舉

（西安建筑科技大學 機電工程學院，陜西西安 710055）

在這個科技飛速發展的時代，物聯網技術、人工智能技術水平的不斷提高，推動著新的產業變革。但是，智能制造、物聯網、人工智能等領域相關人才的供給存在巨大的缺口。面對世界范圍內新一輪科技革命和產業變革對工程教育提出的挑戰，培養出滿足新時代需要的高素質復合型新工科人才成為我國工程教育發展的重大任務。新工科建設正是對上述社會變化和需求做出的積極回應。從2017年以來，教育部一直在積極推進新工科建設，取得了一系列成果，形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”[1-5]。我國教育界正在努力探索適合本國工程教育的全新模式，以此實現教育強國的建設目標。

社會需求的變化必然推動工程教育理念的改革和轉型，從而使機械電子工程專業的“綜合課程設計”在教學上面臨新的挑戰，需要根據新工科改革的需要將教學內容和相關專業知識進行重組和優化，實現對現有課程設計教學過程的整體革新。

1 機械電子工程專業綜合課程設計方面存在的不足

機械電子工程專業也被稱為機電一體化專業，是機械工程與自動化的一種。該專業培養的人才需要掌握的知識涵蓋基礎理論知識、機械設計理論、機械制造方法以及計算機軟硬件相關的應用知識。機械電子工程匯集了機械、電子、測控、自動化等領域的技術特點，打破了傳統的學科分類，因而代表了未來新技術、新思想、新產業革命的變革方向。

但是，機械電子工程專業的綜合性也影響了本專業學生對這個專業的理解和認知。因此，需要在機械電子工程專業的教學過程中進行一次綜合課程設計，從而幫助本專業學生更好地認識和理解所學專業的內涵及外延。

綜合課程設計是機械電子工程專業的核心專業課程，它結合機械結構設計、電子軟硬件設計、信息技術于一體，是一門具有很強應用導向的課程，如圖1所示。從日常生活到工業生產中的各種自動化設備，都可看到機電一體化系統的身影。特別是近年來隨著智能設備、物聯網設備的大規模應用，社會急需實踐能力強、創新能力強、能進行全生命周期研發的、具有多領域知識和能力的新工科人才。

圖1 機械電子工程專業的知識結構

但是，機械電子工程專業綜合課程設計在教學過程中存在著不足：

（1）課程設計的內容還是停留在鍛煉和考察制圖、編程等基本知識的層面，這也導致課程設計的應用性與實踐性不強。

（2）設計任務的制定往往主要考查學生對某方面知識的掌握程度，缺少對知識進行綜合應用的鍛煉。

（3）綜合課程設計中與當前社會發展需求相關的內容較少，缺乏緊跟社會發展需求的相關內容。設計題目大多局限于比較傳統的機電控制設備，和當前熱門的技術發展趨勢脫節，也難以調動學生的設計積極性。

（4）在課程設計過程中，仍然以指導教師為中心，學生僅根據設計指導手冊按照步驟進行設計，因而缺乏對重要知識點的主動思考與分析。

為響應我國高等教育新工科政策的提出，順應當前技術革命和行業變革的潮流，針對新工科人才培養需求和當前課程設計的開設情況，需要對機械電子工程專業教學內容進行深層次地評估和分析，對綜合課程設計的設計題目、教學過程進行深層次的更新、整合和完善。

2 面向新工科的機械電子工程專業綜合課程設計的實踐內容

2.1 結合社會需求，明確教學目標

教學目標是教學工作的重中之重，是教學設計的依據[6]。因此，機械電子工程專業綜合課程設計教學目標的確立應該以社會需求為指導方向，結合新工科理念，引導學生以解決生產生活中的實際問題為方向，著力培養學生分析問題解，決問題的能力。為此，本課程設計的目的如下：

（1）要求學生能夠綜合運用所學的機械、電子、計算機和自動控制等方面的知識，獨立進行機電結合的設計。

（2）通過機電一體化系統設計方面的設計訓練，培養學生在相關領域的工程設計能力，要求學生能夠進行機電一體化系統總體設計方案的分析、擬定和比較。

（3）學生通過獨立或合作訓練，掌握機械、控制、電路的設計、元件選型和初步設計，掌握對機電系統性能分析和優化的方法，培養學生獨立分析問題、解決問題的能力，并初步建立“系統設計”的思想。

2.2 面向實際應用，選擇設計題目

與傳統工科相比，新工科更強調學科的實用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通訊、電子控制、軟件設計等新技術與傳統工業技術的緊密結合。為此在整個機械電子工程專業綜合課程設計過程中，需要明確面向新工科教育的目的，以當前機電設備智能化、網絡化的應用需求為背景、以機電系統綜合應用的思想為指導。在課程設計的題目上要充分體現新工科對實用性、交叉性與綜合性的要求，更強調接近實際、接近生活，符合行業未來的發展方向。新工科強調多領域知識的交叉融合，因此在命題中應滿足對機械電子工程專業中“機械”“電子”“控制”“測試測量”等方面知識的綜合應用。在綜合課程設計過程中學生需要參與機械結構的方案確定、總體結構及零部件的設計計算、控制系統的方案確定、測量電路及控制電路的設計及元件選型、測控系統軟件編程、液壓系統回路設計和元件選型以及機電一體化系統數學建模仿真等一系列工程設計任務。并在設計過程中鍛煉自己工程圖紙繪制、計算機建模仿真和程序編寫能力。

綜合課程設計題目通常來源于指導教師自己的科研項目，經過提煉加工形成適合學生的設計題目和任務要求，然后由學生自由選題。也可以由學生根據本人的設計能力以及興趣自主制定題目和設計任務，并由指導教師幫助審查后敲定。

新工科對培養學生實踐能力有很高要求，因此在題目分配給學生前，先編訂好設計任務書，模擬實際機電設備設計項目的任務交代情況。這樣由任務目標來驅動學生的設計行為，引導學生的設計實踐。

2.3 注重過程管理，強化創新能力提高

機械電子工程專業的綜合課程設計需要學生們從實際出發，通過資料檢索、方案篩選比較、可行性分析、設計校核計算、編程制圖、樣機調試等環節，最終得到滿足任務要求的理想設計方案。因此，綜合課程設計的評價體系與傳統理論課程的評價體系不同，對設計過程更為重視，更加強調以“學生為中心”來推動設計的進行。

為了滿足新工科對培養學生實踐能力的要求，課程設計的教學過程應該盡可能模擬實際機電產品研發的工作流程，以此培養學生的工程意識。為了引導學生和啟發學生的實際動手能力，讓學生親手制作或通過仿真方法演示自己的設計作品，以此激發學生的參與興趣。為了更好地模仿實際的設計工作流程，設計了綜合課程設計的開展流程，如圖2所示。

圖2 機械電子工程專業綜合課程設計流程圖

指導教師應注意引領學生，對設計過程進行有效的控制，應該在設計流程的每個階段向學生講解該階段的工作內容和要求。學生按照自己所選的設計題目，根據該階段的設計要求，進行任務分解、資料查詢、討論交流等設計過程所需的各項工作。通過這種模仿實際設計工作的過程，鍛煉學生分析問題和解決問題的能力。

為了能夠掌握學生在設計過程中的狀態，指導教師應在每個設計階段組織學生進行階段成果的匯報，以及學生之間的自評與互評活動，及時對學生設計過程中遇到的問題進行答疑、糾錯和引導。

新工科要求培養具有創新能力的人才，指導教師應在指導過程中鼓勵和啟發學生創造性地解決遇到的技術問題，對學生的創新思維給予正面評價。通過激發學生的設計熱情，增進學生創新的動力，同時也幫助學生及時了解自己設計水平，幫助他們有效掌控自己的學習過程[7]。

2.4 反饋設計問題，落實教學效果

新工科要求教學中要充分利用虛擬仿真等技術創新工程實踐教學方式。為了學生能夠直觀地了解設計作品中存在的問題。綜合課程設計結束時，學生除了完成并上交設計報告和相應的工程設計圖紙外，還應進行基于仿真軟件或實物模型的功能演示，力圖使設計結果可視化和直觀化。指導教師應當場對仿真作品或實物模型進行分析和點評，指出設計作品的優缺點和設計中存在的問題，幫助學生分析如何改進。這樣可以讓學生通過問題的反饋直觀地了解到自己設計中存在的不足，同時讓設計工作中潛在的問題得到更為直觀的表達，提高了教學內容的可理解性和可操作性。確保了最終教學效果的提高。

以往的綜合課程設計沒有將設計過程中學生的設計創新性、設計難度以及表達能力作為評價內容。因此，需要構建綜合評價體系，以真正評估學生的設計能力。因此，機械電子工程專業綜合課程設計的評價體系采用過程和結果并重的評價方式。最終成績由以下三個部分組成：

（1）設計過程（30%），這部分成績主要來源于學生在設計過程的態度、能力以及階段性匯報時學生的表現情況。

（2）最終答辯（20%），這部分成績來源于學生在最終答辯中所表現出的對設計任務所涉及的設計背景、工程知識、設計思路及設計方法的掌握情況，以及對教師的提問的反應情況和答辯中語言的流暢性、邏輯性。

（3）設計報告（50%），這部分成績主要根據學生設計報告的撰寫結構、圖表規范性、文字準確性和設計內容的創新性等方面來綜合進行評價。

3 結語

創新能力和實踐能力是新工科對未來人才的基本要求。機電設備綜合設計能力是機械電子工程專業培養人才的重要核心，也體現了新工科人才培養的目標。將機械電子工程綜合課程設計作為創新和實踐能力的載體，通過綜合課程設計將前期所學到的機械、電子、控制、測試測量等方面的知識進行綜合應用，并以自動化設備、物聯網、人工智能為應用背景，為課程設計增加了時代性的內容。通過更接近社會需求的選題設計、鼓勵創新思維的過程管理以及更為直觀的評價方法，提升學生的工程實踐能力，也為后續的畢業設計等教學過程奠定了牢固的基礎。