新工科背景下《制造裝備及其自動化技術》課程教學模式改革

蔡頌，鄧凱，宋金潮，湯迎紅，明瑞，劉文昊

（1.湖南工業大學 機械工程學院，湖南 株洲；2.武昌工學院 綠色風機制造湖北省協同創新中心，湖北 武漢）

一 引言

新工科是為新一輪的科技革命與產業變革作的前提準備，它緊緊圍繞工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系開展。總結了歷史上各國工程教育改革的經驗與教訓，結合目前社會狀況與需求并科學預測未來發展方向，為更好地改革工程教育而制定的理念與思路。在高校開展新工科專業的研究與改革是為滿足現如今新經濟的發展需要的必然選擇。而制造業從過去到現在乃至將來都會是我國國民經濟的重要支柱和經濟飛速發展的動力源泉。制造機器與產品是制造行業的生產工具與成果，它們是制造業里面不可分割的兩部分。專門為制造業提供生產工具的行業稱之為裝備制造業。想要提高制造業的生產效率和質量首先應該提升生產裝備自身的質量。因此將裝備制造業定義為我國國家的戰略產業。

《制造裝備及其自動化技術》是為了使裝備制造業能夠快速發展而設立的，目前已成為機械工程專業學生所學習的一門必修課。制造裝備及其自動化綜合了機械工程專業的多個方向，包含現代機械制造和機械制造自動化兩個要點，是傳統機械制造技術的接續發展，也是培養機械工程領域專業技術人才的重要手段。然而如何在新工科的大背景之下對制造裝備及其自動化課程教育的各個方面進行改革從而提高學生實際運用的能力，才是我們目前研究探索的重點。

二 當下《制造裝備及其自動化技術》課程教學所存在的問題

《制造裝備及其自動化技術》這門課程旨在使即將畢業步入社會參加工作的學生在掌握傳統機床、傳統機械制造技術等相關課程的基礎上，學習現代先進的制造裝備及機械制造自動化的基本知識，培養出學生在機械裝備的自動化設計的能力，最終能夠掌握現在最新的機械自動化技術并了解到機械行業未來發展的趨勢。但是在當今教學模式之下，學生在結課后卻很難做到以上幾個方面。在我認真分析目前的教學方式后總結出如下幾點原因：授課方式單一、以教師為中心的教育、重知識而輕能力、考核評價體系。

（一） 授課方式單一

雖然國家一再呼吁教師在授課方法上不要太過于單一，盡量以多樣化教學方式激發學生對學習好奇心[1]。在計算機技術成熟背景之下，《制造裝備及其自動化技術》授課教師都學會了使用計算機輔助教學的形式。而計算機輔助教學使用最為廣泛方式就是通過PPT 直觀的將課本重點知識以圖表的形式的展現給學生。采用PPT 授課最大的優點就是形象生動和方便快捷。但是當學生的所有課程都單一的采用這一種授課形式，學生對課堂缺乏新穎感，上課就會十分厭倦。這之上還存在PPT 內容長期固定不變的問題，對不同屆的學生使用同一份PPT 授課。隨著時代的發展，每一屆的學生對機械制造的認識程度都會有所變化。一份經典PPT 只適用于當前這一屆的學生，如果繼續給下一屆的學生使用就不能達到上一屆學生使用教學效果。如果《制造裝備及其自動化技術》課程一直采用這一種教學方法，很難讓學生對這門課程產生吸引力與新鮮感，也就很難使學生在該領域內產生創新性思維。

（二） 采取以教師為中心的傳統教學

以教師為中心的傳統教學方法又稱之為直接教學法，它具有以下幾個特點：制定教學計劃時，教師確定教學目標，并設計學習活動來幫助學生達到目的[2]；教師的任務是讓學生學習一些清楚而明確的知識；在指導學生學習上，教師承擔主要責任[2]。課程的教學目標、教學內容、教學手段、教學方法、教學氣氛以及教學評價的標準甚至教學評價的實施等都是由教師決定的[3]，教學的主要目的是確保學生掌握書本知識[4]，教學方法主要是課堂講授，“教”重于“學”，學生的學習多是通過刻板的練習和死記硬背而完成的[5]。例如老師在課堂上以提問的方式引導學生去思考某個相關知識點并理解該自己知識點的模式。這就是現在常用的以教師為中心的教學方法，學生只能在這種由老師根據經驗而創造的環境中吸收知識。對于《制造裝備及其自動化技術》這樣一門相對綜合的課程而言，學生需要具備機械原理、機械設計、自動控制院等多門課程的基礎才能進行學習。但當學生綜合知識能力達到學習該課程的學習要求并不意味著學生在以上列舉的每門課程都掌握得很好，也就意味著每個學生對以上課程的掌握程度各不相同。在學習《制造裝備及其自動化技術》課程的時候，如果僅僅只是按老師既定的路線前進，學生將會走的很慢。

（三） 重知識而輕能力

開設制造裝備及其自動化課程主要是為了培養學生能從容應對機械領域中各種實際問題的能力。但由于這門課程綜合程度高，涉及機械專業的知識點繁多而冗雜，學生對于課本上的內容掌握起來較難，于是如何讓學生掌握書本知識通過期末考核卻成為了老師教學的重心。久而久之，這門課程從學以致用的教學目標轉換成學以致“考”。知識掌握、能力形成是知識的結果，而知識掌握、能力形成過程才是學習本身。學生的大腦就是一片肥沃的土地，知識是用來思維的元素，知識是種子，思維是耕種，只有把知識用思維耕種到大腦里的時候，知識才能變成力量，否則就是無用的垃圾在大腦里堆積[6]。盲目地追求知識掌握，追求畢業通過率，把學生當作接受知識的容器，教師只為考試而教，學生只為考試而學，嚴重違背教學本質規律。當然，千改萬改，知識不能改，實現認知目標的確是教師教學中重要的任務[6]。但在新工科的教育背景之下，我們必須考慮學生將來就業所面臨的實際問題，這是制造業在未來持續發展的現實問題。

（四） 對學生考核評價體系

目前各大高校都在使用傳統的考核制度對學生經行評價。也就是按照一定比例對期末筆試成績與平時表現成績進行加權。采用加權后的總成績來評價學生對該課程的掌握程度。就制造裝備及其自動化課程而言，大多是按照平時成績的40%加期末筆試的60%作為最后的總成績。平時成績主要是由上課出勤率、課堂上積極性以及課后作業情況作為判斷的依據。上課出勤率通常通過簽到的方式進行。課堂的表現包括在課上對課題的討論情況，回答老師問題的積極性以及正確性等等。主要考察對課本的理解程度和對該專業創新能力。題型結構主要是名詞解釋題、討論題和計算題。

這對于檢測學生基礎理論的理解情況和工程計算方法的掌握情況是一種很不錯的形式。但是據調查顯示，在校成績表現很優異的同學最終在實際工作中的能力卻與成績普通的學生相差有限。這表明我們現有考核評價體系是存在一定問題的。平時成績是老師對同學的一種主觀上的判斷，這種主觀上的判斷需要對學生有長期深入的了解，才能根據對學生上課反映情況來打分。首先學生在大學期間的課程較多，每周能安排制造裝備與自動化技術課程上的時間自然很少。老師不具備這種主觀判斷的條件或者判斷的依據不夠完善。比如有學生課上表現的很積極活躍但課后卻從來不學習的情況。而筆試又過于死板，不具有靈活性，大部分學生臨考突擊也能獲得一個不錯的分數。由此可以看出，僅僅依靠這種平時表現加期末筆試的考察方式去考核學生對該專業的綜合能力是不夠全面的。

三 《制造裝備及其自動化技術》探索性改革

自18 世紀瓦特發明蒸汽機引發全球工業革命以來，制造裝備及其自動化技術先后經歷了四個階段的發展。第一階段（1870-1950 年），主要是純電液機械控制的剛性自動化。剛性自動化是指靠凸輪、擋塊、分配軸等一些機器簡單的結構而組成的。期間自動化技術也在不斷的由單機向機械集成系統的方向發展。第二階段（1952-1965 年），由原本純機械控制技術到數字控制技術在進一步發展出工業機器人技術。數字控制技術是一種采用電信號對機床的運動及其加工過程實行自動控制的技術。第三階段（1967-1985 年），自動化技術的數字控制技術與工業機器人技術得到快速發展。在英國、美國、日本等都開發出了以數字控制技術和工業機器人技術為基礎的數控機床和工業機器人組成的柔性制造自動化系統。相比于之前的剛性自動化系統，這個系統的生產效率更高而成本更低。第四階段（從1987 年到目前），在這個電子信息時代，制造裝備及其自動化技術也開始結合計算集成系統去發展。如今制造裝備及其自動化技術早已成為制造業領域中非常重要的一個方面。為了滿足當前社會就業需求以及未來自動化技術的快速發展，如何去改善《制造裝備及其自動化技術》這門課程才是關鍵。這里我們分別針對以上4 點不足來進行《制造裝備及其自動化技術》課程的改革。

（一） 教學PPT 的靈活運用

如今絕大多數課程都會采用PPT 的形式進行授課。但也正因為如此，PPT 對于學生而言早已喪失新穎性。為了使這種授課方式更加有效，我們可以從PPT 內容制作和上課講解方式這兩方面入手對其進行改革。首先在制作PPT 時，以圖片為主文字為輔。結合制造裝備及其自動化課程的實際內容，盡可能多的使用一些書上沒有或者現實生活中少見的事物作為PPT引用的圖片。PPT中文字應該盡可能少，主要用文字來表達全文結構邏輯和對引用的圖片進行注釋。例如在講解搬運機器人及其運用的時候，可以引用圖1 教學型FMS[7]和圖2[7]龍門式布局搬運機器人作為PPT 課件的圖片。這樣既能通過PPT上的圖片吸引學生的注意力又能采用PPT 上的文字表達讓學生了解工業機器人的幾種典型的控制方法。課上激起了學生的對工業機器人的好奇心，課后學生才更有可能自己獨立去探索機械自動化技術的相關知識。這是多模態PPT 的制作與運用的模式，可以達到課堂多樣化的效果，增加了學生課堂學習的興趣[8]。

圖1 教學型FMS[7]

圖2 龍門式布局的搬運機器人[7]

（二） 采取以學生為中心的教學方式

直接教學法和講授法都屬于以教師為中心的教學方法[9]，它能夠將授課目標直接簡明的呈現給學生。這種形式雖然簡潔明了，但卻忽視了學生對于制造裝備自動化相關知識的吸收情況。目前在新工科的大背景之下，我對授課時老師與學生的地位關系進行了仔細分析并在以教師中心的授課方式上進行了改進。我總結出的以學生為中心的教學方法繼承了以教師為中心的教學方法[7]的優點，摒棄了它的不足。這種方法授課時將學生作為教學的主體，老師則處于客體地位。教師以誘導學生學習為主，以講授知識為輔。強調學生的主動學習和對學習主題的深層理解[7]。在授課的同時適當加入問題的讓學生之間相互討論。這種討論既能緩解學生學習的疲勞也能激發學生學習的興趣。制造裝備及其自動化課程中柔性制造系統的知識點繁多且復雜，學生在學習這一章節內容的時候往往會出現走神或者打瞌睡的情況。此時我們可以提出“結合生活實際進行討論為什么現如今柔性制造系統會形成這些特點”等話題。讓學生自行閱讀課本，了解柔性制造技術的基本概念，如設備柔性、工藝柔性、產品柔性、運行柔性、擴展柔性、批量柔性的基本概念。并讓學生以小組形式進行相互討論，各個小組相互討論之后再讓各個小組代表在課堂上分享自己對這些概念的理解。也可以在課前安排學生對這一節進行預習并分組討論，再按照課本知識點制作PPT 課件。在課上學生主持課堂教學，老師作為聽眾。學生講解完課本知識后，老師再對學生的講解做出評價并及時糾正學生對知識點理解不當的地方，這樣批評與鼓勵并行，激發學生自主學習的意識。這種以學生為中心的形式，讓學生們自己獨立的去思考并記憶柔性制造系統繁雜的知識點。既完成了老師的教學目標，也能讓學生學習事半功倍。

（三） 知識與能力并行

制造裝備及其自動化課程涉及了制造技術、制造裝備、機械化、自動化等方面的專業知識。雖然該課本對機械制造與自動化專業知識概括非常全面，但是學生卻很難利用該課本知識解決實際問題。之所以出現知識掌握與實際運用拖節的問題，很大原因是學生在學習制造裝備及其自動化課程時缺乏實踐運用。為了迎合新工科所提出的新理念，我們可以將《制造裝備及其自動化技術》課程分為常規課與實踐課。常規課與室內傳統授課一樣，老師在教室內按照課本內容給學生灌輸相關知識。而實踐課是指在實驗室或者工廠內對學生進行指導，如圖3所示。這樣不僅能讓學生更容易掌握各種機械的運作機理，也能讓學生清晰地了解到機械自動化在實際運用中所存在的一些問題。從這些實際問題出發尋找實際的解決方案，只有如此《制造裝備及其自動化技術》課程才能更貼近新工科的理念。

圖3 學生實踐操作

（四） 多元考核模式

《制造裝備及其自動化技術》課程的考核模式是沿用當前國內高校普遍使用的考核模式，也就是以期末筆試為主，平時表現為輔的考核模式。這種模式也是目前教師滿意度最高的一種考核模式。提前設置好標準答案的期末筆試能更好進行批改，用時少且效率高。目前對于絕大多數高校工作的教師尤其是像我們機械工程這樣的工科教師而言，科研成績相比于課程授教能力更受學校所重視。所以這樣一種簡單省時的考核模式，既能達到考核學生對《制造裝備及其自動化技術》課程知識掌握程度的目的又能方便教師的仕途暢順，深受教師青睞。學生的平時表現成績是一種為了避免期末筆試考核太過于單一而設置的考核模式。前文提到這種方式，教師對于學生的了解程度較低，僅僅從主觀角度去判斷學生對制造裝備及其自動化課程的掌握程度是不夠充分的，久而久之這種方式漸漸淪為為了避免考核單一的一種形式。

而《制造裝備及其自動化技術》課程在新工科新概念的理論背景下，我們立于期末筆試和平時表現的考核方式之上進行改革。如圖4 所示，期末筆試任然保持占比總成績的60%，而將占比總成績的40%的平時表現成績削減為10%，再分別增加月考筆試和結課論文兩項評價指標。月考筆試是指每月對當月所學知識點進行閉卷筆試測驗，把整學期所有月考成績取平均值作為最終月考筆試成績。我們提出將月考筆試成績設置為總成績的20%。對于《制造裝備及其自動化技術》這樣一門知識點繁多并且相當綜合的課程，將筆試考核分為月考加期末考的形式，這樣分次的筆試測驗可以有效避免學生平時不學習，考前學一周的情況。對于結課論文而言，由于學習《制造裝備及其自動化技術》課程的時間有限，學生歸納概括的能力有限，所以我們將它設置占比為總成績的10%。結課論文是一種過程性考核[10]，這種采用多形式、分階段地對學生進行多方面考核能更好地評價學生的學習效果[11]。雖然結課論文對學生要求高，學生最終論文質量可能稍差，但我們仍然認為采取這樣的方式是很有必要的。因為這樣既能讓學生對制造裝備及其自動化課程進行更深入的學習也能培養學生在機械自動化領域內的創新能力，還能激勵學生繼續深造學習，將考研作為當前的奮斗目標，將我國科研事業作為學生個人理想的導向。所以《制造裝備及其自動化技術》課程在我國新工科的背景之下，從期末筆試加平時表現的考核模式轉變為多元化的考核模式也就是月考筆試加期末筆試、平時表現加結課論文的考核模式是當務之急。

圖4 考核模式改革

四 結語

我國一直以來都是制造業強國，采用具有可持續發展的新工科人才培養模式才是我們《制造裝備及其自動化技術》課程的改革方向。我從事多年的教學實踐工作并通過對大量案例進行認真分析。優化采用PPT 授課的形式，提倡以學生為中心的教學方式，構建從掌握知識到能力運用的實踐平臺等方面可以作為我國新時代新工科新領域下的《制造裝備及其自動化技術》課程改革。