新工科視野下機電子專業綜合實踐課程探索

蒙志強 孫世政 董紹江

摘?要：針對新工科對學生工程實踐能力要求，需要對傳統實驗實踐環節進行改革。本文以重慶交通大學機電子專業綜合實踐課程改革為案例，探索實踐課程體系、實踐教學模式、實踐教學平臺、實踐教學評價體系，對機電類高等人才的培養，提升人才的綜合實力，滿足企業的實際需求，具有重要的理論和實踐意義。

關鍵詞：新工科；機電子；實踐課程；課程改革

中圖分類號：G642??文獻標識碼：B

Abstract：In?view?of?the?requirements?of?new?engineering?courses?on?students'?engineering?practice?ability，the?traditional?experimental?practice?links?need?to?be?reformed.This?paper?takes?the?comprehensive?practical?curriculum?reform?of?mechanical?and?electronic?specialty?of?Chongqing?Jiaotong?University?as?a?case?to?explore?the?practical?curriculum?system，practical?teaching?mode，practical?teaching?platform，and?practical?teaching?evaluation?system，which?has?important?theoretical?and?practical?significance?for?the?training?of?electromechanical?higher?talents，improving?the?comprehensive?strength?of?talents，and?meeting?the?actual?needs?of?enterprises.

Keywords：new?engineering；Mechatronics；Practical?courses；Curriculum?reform

目前，我國工科教育存在重課堂、輕課外，重理論、輕實踐，重灌輸、輕自學，重精深、輕綜合等諸多問題，忽視了工程實際背景的重要性，培養的人才與社會需求不太適應［1］。

隨著時代發展，社會對高校人才需求發生了深刻變革。在這種趨勢下，對高等教育的培養目標提出了新的要求，即所培養的人才必須具備寬厚的科學知識基礎、較高的專業水準、較強的創造力、較好的工程實踐能力［2］。

能否把新工科人才培養要求落到實處，關鍵在于高校實踐環節人才培養［3］。傳統實踐教學內容陳舊，與技術發展相脫節，實踐教學手段單一滯后，無法適應社會企業發展要求。而新工科建設要求，高校必須緊緊圍繞當下核心技術，利用企業優質資源協同培養人才，讓實踐內容和手段更加貼合企業發展［4］。

機電子專業隸屬機械和電子兩個交叉學科，學生學習內容多。重慶交通大學機械電子工程專業屬于機械專業大類，按照“1+3”模式實行大類招生分流培養。2015年獲批重慶市“機械工程”特色學科專業群支撐專業，2018年獲批重慶市本科高校大數據智能化類特色專業，2019年機械電子工程專業成為重慶市一流本科專業立項建設項目。本專業在交通應用機器人集成與控制和交通機電裝備監測與運維等方面的人才培養具有鮮明的特色和優勢，專業學科支撐厚實，擁有重慶市高等學校“機械工程”重點學科、“機械工程”一級學科碩士點、“交通工程應用機器人重慶市工程實驗室”“城市軌道交通系統集成與控制重慶市重點實驗室”等6個省部級科研平臺和2個重慶市級高校人才培養模式創新試驗區。

1?綜合實踐課程體系改革

1.1?綜合實踐課程目標定位

根據普通高等學校本科教學質量國家標準和工程教育認證標準，適應新工科建設要求，面向國家、區域和行業重大需求，開設有交通機電裝備監測與運維、交通應用機器人集成與控制兩個專業實踐模塊。學生通過專業綜合實踐培養工程能力，能夠在現代交通裝備領域，從事機電一體化產品設計、技術研發、生產制造、運營管理等工作。

1.2?綜合實踐課程內容及教學模式改革

根據工程教育專業認證要求和新工科教學理念，圍繞本專業定位和特色，機電系和實驗室經過多次研討，對實踐課程體系進行了全方位、深度改革。

根據學生專業知識水平積累程度，將實踐課程體系劃分三個模塊，學生在二年級開設基礎模塊實踐，三年級執行進階模塊實踐，四年級完成高階模塊實踐，總共7門專業實踐課程，共計33個學分。機電子專業綜合實踐課程體系如圖1所示。

基礎實踐模塊由工程訓練實踐和電工與電子綜合實踐兩門課程構成，這部分主要培養學生具有機械加工和電路焊接基本能力，為機電工程訓練實踐打下堅實基礎。工程訓練實踐除了傳統機械加工技術訓練之外，還引入了激光焊接、3D打印、工藝雕刻、智能制造、綠色制造、數控車銑

圖1?機械電子專業實踐課程體系

床等先進制造技術。電工電子綜合實踐主要包括電學實驗和電子工藝實習兩部分。要求學生能夠正確使用常用電學儀器儀表；能夠正確讀懂工程電路圖；能夠根據指定的元器件搭建實驗電路；能正確采集實驗所需數據；能正確運用相關理論知識解釋實驗現象；能對實驗結果進行合理分析;能夠在節能環保背景下設計合理的硬件電路；能夠科學合理的布局元器件，降低焊接耗材使用，減少對環境影響；能夠提高電子工藝焊接水平，能夠提升調試電路能力，增強電子產品可靠性、安全性；能夠對剩余材料進行合理回收，并用于二次開發；能夠理解電子產品設計、制造、開發等工程實踐對環境和社會可持續發展的影響。

機電控制綜合創新設計Ⅰ以單片機為核心完成一個控制系統的設計，包括電路原理圖設計、程序設計、電路及程序的仿真、PCB設計。學生們能夠應用本專業的知識分析和解決復雜工程問題，在交叉學科背景下的團隊中與他人共享信息、合作共事，理解團隊合作的重要性，能夠以成員或者負責人的身份順利開展工作。機電控制綜合創新設計Ⅱ，包括生產機械控制系統、可編程控制器（PLC）技術兩部分。學生將完成一個基于PLC的機電裝備或生產機械的控制系統的設計，根據設計任務書的控制要求，需要明確系統控制功能和設計要求、主要零部件選型計算、控制系統硬件設計、控制系統代碼設計，最終完成整個系統的仿真分析。學生能夠針對生產機械的機電裝備特定需求，設計機電控制系統。更能夠運用相關技術、資源和工具對機電裝備系統的復雜工程問題進行分析、預測與模擬，還能夠識別、分析和評價其設計的復雜工程問題解決方案對社會、人類健康、公共安全、法律法規以及文化的影響，并理解應承擔的責任。

機電裝備智能監測與運維綜合創新實踐中，學生將針對交通機電裝備（如高鐵、飛行器、船舶、專用作業保障裝備等）安全運行與智能運維需求，完成機電裝備智能監測與運維系統設計。根據設計任務書的相關要求，學生需要明確系統功能需求和設計要求、硬件系統設計（主要傳感器選型、采集卡設計或選型等）、軟件系統設計，最終完成整個系統的設計，撰寫設計說明書。交通應用機器人綜合創新實踐，包括交通應用機器人結構設計和控制系統設計兩部分，學生將完成一個基于PLC或微控制器的交通應用機器人機械結構和控制系統的設計。工程交叉綜合創新實踐是機械電子工程和電氣工程及其自動化兩個專業的學生聯合完成的綜合專業實踐。學生分別應用兩個專業的主干課程，完成一個機電一體化系統的設計，其中包括機械結構設計、電氣系統設計、控制系統設計。在機械結構設計部分，學生需完成系統三維模型設計、運動仿真、關鍵結構件加工與裝配；電氣系統設計部分，學生需完成負荷計算、電源設計、電氣布局；控制系統設計部分，學生需完成元器件選型計算、控制系統硬件設計、控制系統代碼設計。最終學生完成整個系統的仿真分析。通過工程交叉綜合創新實踐，學生不僅能夠應用本專業的知識分析和解決復雜工程問題，更能夠了解專業領域的技術標準、知識產權、產業政策或法律法規，進而認識到自主學習和終身學習的必要性，且具有不斷自主學習和適應發展的能力；同時也為畢業設計的順利開展打下基礎。

本專業全面開展OBE人才培養模式，深化實踐育人，對原有實驗實踐課程主要進行以下三點改革：（1）深化工程教育，構建“工程態”實踐教學體系。針對實踐課程內容空乏，難以與實際工程相結合的問題，構建了“工程態”課程體系，凸顯工程教育內涵；減少了大部分驗證性實驗，降低了實驗學時比重，實踐課程以分析研究、解決復雜工程問題為導向，多層次（工程素質層—工程技術層—工程系統層）遞進教學體系；讓工程教育回歸工程，強化工程技術和工程素養，讓理論解決實際問題的實踐體系。（2）以學生為本，實施“多形態”實踐教學模式。針對學生學習途徑單一、知識遷移訓練不足、綜合設計能力較弱等問題，展開“多形態”教學模式。以學生為中心，設置了多模式的課內實踐與獨立實踐教學模式；開展線上線下、虛實結合、理實結合的實踐教學模式；通過實物設計與制作，教師引導，學生自主探索實踐教學模式；建立以學科競賽、大創活動、企業案例教學研究的實踐教學模式。（3）集聚優質資源，構筑“立體態”實踐教學平臺。針對學生實踐能力薄弱、創新能力不強的問題，結合本專業學科特點，依托高新企業優勢，先后與中國長安汽車集團有限公司等企業建立了10余個工程教育實踐與產學研合作基地，為專業建設和人才培養搭建了良好平臺。開設多層次實踐項目，構建“立體態”實踐平臺（基礎實踐—課程實踐—跨課程實踐—跨學科實踐）；開設了實用性、趣味性、開放性、挑戰性實踐項目；引導學生在試錯、辯論、反思中培養實踐和創新能力。

2?綜合實踐課程評價體系改革

針對傳統實踐課程考核方式只關注成果，進行了改革。聚焦過程與結果，建立“多維度”實踐教學評價體系。本文以機電控制綜合創新實踐I課程評分標準為案例進行分析，如下表1：

針對現行評價機制難以客觀反映學生實踐課程學習效果的問題，深入考察人才培養目標與課程體系特點，分類實施成果和過程導向的課程評價體系；以工程教育理念為指導，多維度在創新能力、綜合能力、實踐能力進行評估；在充分體現“德、智、體等方面全面發展”這一大前提下，還應反映創新型人才應該具備的要素，把創新人才應具備的思維、知識、能力、個性等方面的要素納入評價體系，以形成一種引導、激勵學生德、智、體全面發展和創新素質全面提升的發展性評價體系。

3?綜合實踐課程教學改革成效分析

近年來，我校機械電子工程專業圍繞交通裝備智能化發展趨勢，按照工程教育專業認證要求，全方位改革實踐課程，以提升學生知識運用能力、專業綜合能力、工程實踐創新能力。改革成效顯著主要體現在以下五個方面：（1）培養了學生與其他成員有效溝通、合作共事的能力；鍛煉了學生自主學習的能力，提升了終身學習的意識，包括對技術問題的理解能力、歸納總結的能力和提出問題的能力；促進了學生在科學態度、創新精神、專業技能等方面綜合素質的提高。（2）近三年來，學生參加學科競賽獲得省部級以上獎40項，其中國家級獎18項（國家級一等獎10項，二等獎6項，三等獎2項），學科競賽成績斐然，受邀中央電視臺宣傳報道。（3）學生參加創新創業項目積極性高，人數眾多。近三年來，省部級以上項目8項，其中用于地下電力管道纜線故障檢測的小型智能巡檢機器人；一種小型城市軌道交通隧道智能巡檢機器人等4個國家級大學生創新創業訓練計劃項目。（4）學生畢業設計總體情況顯著提高，設計深度、廣度明顯進步。（5）實習單位、就業單位對學生專業水平、工程動手能力認可度大幅提升。

結語

重慶交通大學機電子專業實踐課程立足交通裝備領域，有三個明顯的特征：其一“高階性”，該課程體系是機械原理、電工學、電子學、控制理論、機器人學等知識能力素質的有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。其二“創新性”，學生自主選題，例如車載智能環衛機械臂、動車組吸污機器人、睡眠巡航機器人等內容都反映了專業領域的前沿性和時代性，學生分組完成，一組一題，教學形式呈現先進性和互動性，每一組的設計具有探究性和個性化。其三“挑戰性”，實踐課程有一定難度，控制策略、機械臂運動軌跡規劃等都需要學生大量查閱文獻、反復推敲、不斷實驗才能獲得結論。

參考文獻：

［1］侯曉莉，楊振朝，李旗.新工科背景下機械綜合實踐教學提升研究［J］.中國現代教育裝備，2022（05）：101103.

［2］祖海英，宋玉杰，吳澤民.新工科背景下工程訓練課程改革與實踐［J］.科教文匯，2022（06）：8789.

［3］李穎，鄭新旺，張志煉.“新工科”創新實踐能力培養課程體系改革——以集美大學誠毅學院電子信息類專業為例［J］.集美大學學報（教育科學版），2022，23（02）：7580.

［4］莊育鋒，王松，韋凌云.郵政工程專業新工科實踐類課程的改革與探討——以“單片機原理與PLC控制”課程為例［J］.科技風，2022（30）：104106.

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基金項目：重慶市高等教育教學改革研究重點項目“創新項目+學科競賽雙輪驅動下的交通裝備類人才實踐創新能力培養模式探索與實踐研究”（項目編號：222093）；教育部產學研協同育人項目“新工科背景下嵌入式技術改革與實踐”（項目編號：202101008014）；重慶交通大學2021年度教育教學改革研究項目“基于新工科背景下多模態機電子專業綜合創新實踐課程改革與研究”（項目編號：2103023）

作者簡介：蒙志強（1986—?），男，漢族，四川三臺人，碩士，實驗師，研究方向：機械故障診斷/嵌入式技術；孫世政，副教授，碩導，研究方向：機器人智能感知與控制；董紹江，教授，博導，工程與產業院院長，研究方向：機械設備狀態監測與故障診斷。