“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”教學(xué)方法改革探索

黃西娜 趙四海

［摘 要］ 在新工科、一流專業(yè)建設(shè)和工程教育認(rèn)證的大背景下，機(jī)械工程專業(yè)迎來了重要的機(jī)遇，同時(shí)為機(jī)械工程專業(yè)的課程評價(jià)、畢業(yè)要求及人才培養(yǎng)體系的改革帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此，結(jié)合新時(shí)代學(xué)生的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)綜合應(yīng)用型機(jī)械工程專業(yè)人才的培養(yǎng)，“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)小組對教學(xué)方法進(jìn)行了一系列改革。課題組指出了傳統(tǒng)教學(xué)方法在現(xiàn)代應(yīng)用的局限性，在此基礎(chǔ)上開展了以調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為主的教學(xué)改革，并對改革過程中遇到的困難和問題進(jìn)行了詳細(xì)探討。

［關(guān)鍵詞］ 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法；交流方式

［基金項(xiàng)目］ 2022年度中國礦業(yè)大學(xué)（北京）本科教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)混合式教學(xué)改革探索”（J220407）

［作者簡介］ 黃西娜（1987—），女，天津人，博士，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)械與電氣工程學(xué)院講師（通信作者），主要從事增材制造及高溫高壓成形研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）27-0053-04 ［收稿日期］ 2022-09-24

2017年，新工科建設(shè)的提出奏響了人才培養(yǎng)的主旋律，開拓了工程教育改革的新途徑，為培養(yǎng)工程創(chuàng)新人才開啟了新篇章。2019年，一流本科專業(yè)建設(shè)“雙萬計(jì)劃”啟動(dòng)，作為“雙萬計(jì)劃”核心的學(xué)科建設(shè)、專業(yè)建設(shè)和課程建設(shè)是當(dāng)前全國高等教育改革重要政策的抓手。一流專業(yè)要“以本為本”，能堅(jiān)持“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的基本理念，積極推進(jìn)新工科等“四新”建設(shè)，不斷完善協(xié)同育人和實(shí)踐教學(xué)機(jī)制。此外，工程教育認(rèn)證的積極開展，使教育理念逐漸向成果（能力）導(dǎo)向教育、目標(biāo)導(dǎo)向教育、需求導(dǎo)向教育的方向發(fā)展［1］。在新時(shí)代教育大背景下，各高校正面臨培養(yǎng)適應(yīng)國家發(fā)展需要的高素質(zhì)綜合應(yīng)用型人才的巨大挑戰(zhàn)［2-3］。機(jī)械工程專業(yè)被譽(yù)為“工科之母”，是全球工業(yè)化、信息化及智能化的基礎(chǔ)，對于培養(yǎng)高素質(zhì)綜合應(yīng)用型機(jī)械工程專業(yè)人才具有重要意義。“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程是教育部認(rèn)定的首批國家級一流本科課程，融合了機(jī)械工程、電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)等新興學(xué)科［4-5］，突出了理論性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)和綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，在機(jī)械工程專業(yè)本科生培養(yǎng)中具有重要地位［6］。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)方法已無法適應(yīng)新時(shí)代的教育背景，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)面臨諸多問題。因此，培養(yǎng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)合型人才的高校教育方法仍需不斷改革和探索。

一、“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程特點(diǎn)

“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”是在大規(guī)模集成電路和微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，該課程融合了機(jī)械工程、電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)等學(xué)科，內(nèi)容涉及了傳感器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，伺服電機(jī)開環(huán)、閉環(huán)的穩(wěn)態(tài)特性，以及控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型等，是一門理論性和綜合性極強(qiáng)的課程。此外，機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛，從數(shù)控機(jī)床、加工中心到智能機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等［7］，對學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐能力提出了更高的要求。因此，“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”除了理論性、綜合性極強(qiáng)之外，也是一門應(yīng)用性、實(shí)踐性極強(qiáng)的課程，這使得“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)改革面臨更大的難度和挑戰(zhàn)。因此，為培養(yǎng)復(fù)合型人才，可以從課程的理論性、綜合性和實(shí)踐性等多個(gè)角度入手，實(shí)現(xiàn)“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程的系統(tǒng)性改革。

二、教學(xué)方法的改革

高等學(xué)校教育改革的目標(biāo)是培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的復(fù)合型人才，教育改革的對象是當(dāng)代大學(xué)生。要想高效地實(shí)現(xiàn)教學(xué)改革，首先必須了解當(dāng)代大學(xué)生的特點(diǎn)。當(dāng)代大學(xué)生崇尚理性，他們善于思考，崇尚自主；當(dāng)代大學(xué)生追求新潮，他們更加開放，樂于嘗試新鮮事物；當(dāng)代大學(xué)生尊重知識，他們借助科技手段，開辟了更廣、更快的知識獲取途徑；當(dāng)代大學(xué)生樂于交往，他們喜歡參加實(shí)踐活動(dòng)，從中獲取知識。因此，如何根據(jù)當(dāng)代大學(xué)生的特點(diǎn)選擇適合他們的教學(xué)方法是“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革初期的重點(diǎn)。本文將從以下幾個(gè)方面闡述教學(xué)團(tuán)隊(duì)在課程改革過程中提出的方法。

（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”是一門綜合性極強(qiáng)的課程，由于教學(xué)學(xué)時(shí)不斷縮減，教師照搬課本上的知識進(jìn)行教授，導(dǎo)致大部分學(xué)生到課程結(jié)束時(shí)很難真正理解該課程的實(shí)質(zhì)。因此，在制訂教學(xué)計(jì)劃之初，應(yīng)充分調(diào)研企業(yè)的實(shí)際用人需求，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容（見表1）制訂合理的教學(xué)計(jì)劃，依據(jù)教學(xué)計(jì)劃將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊化分解，并保證每個(gè)模塊的教學(xué)內(nèi)容之間存在合理的邏輯關(guān)系，以期達(dá)成每部分內(nèi)容教授結(jié)束后，學(xué)生可以根據(jù)自己的理解繪制出各個(gè)知識點(diǎn)之間的思維導(dǎo)圖，力求使學(xué)生擺脫枯燥單純的理論教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生能夠真正掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法和工程路線，能夠結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，利用系統(tǒng)工程方法，分析各個(gè)組成要素之間的關(guān)系，確定各個(gè)組成之間的接口，分析各功能之間的關(guān)系，并進(jìn)行合理的規(guī)劃和分析，最終培養(yǎng)出能夠開發(fā)機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的應(yīng)用型人才。此外，在實(shí)際授課過程中，依據(jù)模塊化分解后的核心內(nèi)容，結(jié)合科技最新發(fā)展，設(shè)計(jì)具體的教學(xué)內(nèi)容。這樣可以使教學(xué)不再拘泥于課本，結(jié)合最新實(shí)際發(fā)展，能夠極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)學(xué)生在課后自主對課堂上教師教授的新內(nèi)容展開更深層次的認(rèn)識，從側(cè)面激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

（二）豐富教學(xué)形式

傳統(tǒng)的教學(xué)方式是以教師講授為主，學(xué)生被動(dòng)接受為輔，但是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一門理論性較強(qiáng)的學(xué)科，知識點(diǎn)較為抽象，數(shù)學(xué)模型較多，學(xué)生很難理解［8］。因此，這種教學(xué)形式在“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程中已經(jīng)不能很好地適應(yīng)當(dāng)代大學(xué)生的特點(diǎn)，甚至在很大程度上會(huì)限制學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。因此，除了按照上述模塊化分解的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行專題授課之外，還可以開展實(shí)例分析、課堂討論、小組演講等（見圖1）。例如，在講到機(jī)電一體化系統(tǒng)組成這部分內(nèi)容時(shí)，可以在課堂上給學(xué)生播放抓取機(jī)器人的視頻，通過視頻進(jìn)行實(shí)例講解機(jī)器人的各個(gè)組成，這樣學(xué)生可以更加直觀清晰地認(rèn)識機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成。此外，可以引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)分析生活中的實(shí)例，如學(xué)校餐廳的送餐機(jī)器人，這樣可以極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和熱情。除了專題教授和案例分析之外，可以讓學(xué)生以小組的形式對課上教師所講的內(nèi)容進(jìn)行討論，加深學(xué)生的認(rèn)識和理解。每個(gè)模塊內(nèi)容學(xué)習(xí)結(jié)束之后，讓學(xué)生分組對該模塊的內(nèi)容進(jìn)行演講，其他組學(xué)生和教師作為評委，讓學(xué)生更多地參與到課堂授課和討論中，將傳統(tǒng)的“教師為主、學(xué)生為輔”的教學(xué)形式轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖處煛W(xué)生都為主”的形式，提升學(xué)生的參與度，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

（三）擴(kuò)展交流方式

打破傳統(tǒng)教學(xué)中單一的教師講授、學(xué)生聽取的交流方式，開展師生之間多樣化的交流方式，如設(shè)問、疑問、直接問答等。此外，還可以開展線上互動(dòng)平臺，讓學(xué)生將生活中接觸到的機(jī)電一體化產(chǎn)品隨時(shí)分享在平臺上。通過形式多樣的互動(dòng)環(huán)節(jié)，師生之間的單向交流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛?dòng)交流，交流方式更加平凡順暢。這樣多維的交流方式可能會(huì)激發(fā)出更多的靈感和“火花”，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

三、具體實(shí)施情況

“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程的核心內(nèi)容是機(jī)械設(shè)計(jì)、檢測傳感、伺服驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制及系統(tǒng)工程五部分，在授課過程中將其設(shè)計(jì)成五個(gè)專題，這五個(gè)專題主要由教師講授重點(diǎn)核心內(nèi)容，目的在于夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)。教師在講課過程中，要盡可能多地設(shè)計(jì)設(shè)問、疑問、直接問答等交流環(huán)節(jié)，從而提高整體的理論教學(xué)效果。在專題講授過程中，要注意結(jié)合實(shí)踐。例如，在講到檢測傳感專題中的采樣保持器時(shí)，可以通過舉例新冠疫情期間進(jìn)出各大商場需要掃描健康寶登記的事例，生動(dòng)形象地闡述采樣保持器的作用，使學(xué)生能夠更加深入地理解相關(guān)理論知識，有利于提高學(xué)生思維的延展性。在教學(xué)實(shí)踐過程中還設(shè)置了課堂分組討論環(huán)節(jié)。例如，在講到機(jī)電一體化系統(tǒng)組成時(shí)，讓學(xué)生分組討論，舉例說明自己在日常生活中見到的哪些產(chǎn)品是機(jī)電一體化產(chǎn)品，如果學(xué)生在討論過程中出現(xiàn)了分歧，可以向教師尋求幫助。在討論過程中，有學(xué)生問教師自行車是機(jī)電一體化產(chǎn)品嗎？還有學(xué)生問電動(dòng)自行車是機(jī)電一體化產(chǎn)品嗎？筆者發(fā)現(xiàn)，這樣明確的課堂討論環(huán)節(jié)，不僅可以促進(jìn)思維活躍的學(xué)生積極參與，也引導(dǎo)了另一部分學(xué)生的參與，緩解了一些學(xué)生的“默不作聲”。在專題講授結(jié)束后，將學(xué)生進(jìn)行分組，分配演講內(nèi)容，學(xué)生課后準(zhǔn)備好資料和PPT，每組選出代表進(jìn)行課堂演講，評委是其他小組的學(xué)生，這一環(huán)節(jié)極大地增強(qiáng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。學(xué)生在課后認(rèn)真準(zhǔn)備演講資料，各個(gè)小組之間存在一個(gè)良性競爭，在演講過程中，其他組的學(xué)生（評委）也會(huì)認(rèn)真聽取別人的演講。學(xué)生認(rèn)為課堂演講的開展，提高了自己的理論認(rèn)知和理解，以及制作PPT、演講及互相協(xié)作的能力。

四、存在的問題及思考

在上述教學(xué)方法改革實(shí)施過程中取得了較大的收獲，但仍然存在一些問題需要不斷改進(jìn)。

（一）要更加注重理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合

教師直接講授理論知識和通過實(shí)例分析進(jìn)行代入式講授，學(xué)生的積極性和集中程度存在較大差異。經(jīng)過研究，學(xué)生對實(shí)例分析的講授方式表現(xiàn)出了更大的接受度和參與度，實(shí)例分析的講授方法使學(xué)生更有代入感，學(xué)生能夠更加簡單、快速地理解復(fù)雜的理論知識。因此，在今后的教學(xué)過程中，教師應(yīng)逐步增加實(shí)例分析的內(nèi)容，盡可能地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（二）師生互動(dòng)之余，可以增加學(xué)生之間的互動(dòng)交流

通過前期改革過程中互動(dòng)方式的增加，學(xué)生在課上和課下都增加了對課程知識的關(guān)注度，但目前還處在初級階段。在以后的教學(xué)過程中，教師要繼續(xù)加強(qiáng)師生之間的互動(dòng)，采取各種有效的方式，調(diào)動(dòng)起學(xué)生互動(dòng)的熱情，從而提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。此外，還可以增加學(xué)生之間的互動(dòng)，例如在學(xué)生演講環(huán)節(jié)，可以增加其他小組對演講內(nèi)容的講評，讓每個(gè)學(xué)生對演講內(nèi)容發(fā)表各自的看法，這樣可以使學(xué)生認(rèn)識到他們對課程理解存在的差異，然后通過課堂討論和課下對作業(yè)及周邊產(chǎn)品或系統(tǒng)的探討，縮小這些差異。

（三）要注重課堂教學(xué)管理

教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式和互動(dòng)方式的多樣化促進(jìn)了學(xué)生參與課堂的積極性，提升了課堂的教學(xué)氛圍，也增加了教師與學(xué)生之間的互動(dòng)。但是，改革帶來這些優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，提高了課堂秩序混亂的風(fēng)險(xiǎn)。教學(xué)方法改革的目的和根本是讓學(xué)生更多、更深、更全面地學(xué)習(xí)知識，并能夠靈活運(yùn)用這些知識解決實(shí)際問題，而不是單純地活躍氣氛。因此，在改革授課過程中，在保證學(xué)生積極性和熱情的同時(shí)，一定要注重課堂教學(xué)管理，確保課堂上的每名學(xué)生都能夠?qū)W有所得。

結(jié)語

機(jī)械工程專業(yè)人才的培養(yǎng)關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，以行業(yè)、企業(yè)實(shí)際需求為導(dǎo)向，保證人才培養(yǎng)的具體要求契合機(jī)械行業(yè)的發(fā)展方向，從而培養(yǎng)具有綜合能力的應(yīng)用型機(jī)械人才。在綜合應(yīng)用型機(jī)械人才的培養(yǎng)過程中，要特別注意教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和交流方式的有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生課堂參與的積極性，增強(qiáng)學(xué)生的綜合能力。本文探索了一條適用于培養(yǎng)綜合能力較強(qiáng)的應(yīng)用型機(jī)械人才的教學(xué)方法，通過專題教授、案例分析、課堂討論和分組演講等形式的深度融合，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新的積極性，為機(jī)械專業(yè)建設(shè)和教學(xué)方法的改革提供了一些思路。

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Exploration on the Teaching Methods Reform of Mechatronics System Design

HUANG Xi-na， ZHAO Si-hai

（School of Mechanical and Electrical Engineering， China University of Mining and Technology

（Beijing）， Beijing 100083， China）

Abstract： Under the background of emerging engineering education， first-class professional construction and engineering education certification， the important opportunities and huge challenges to the course evaluation， graduation requirements and reform of the talent training system were brought for the major of mechanical engineering. Therefore， a series of reforms on the teaching methods were carried out by the teaching team of “mechatronics system design” in order to realize the cultivation of high-quality comprehensive application mechanical engineering professionals combining with the characteristics of undergraduates in the new era. The teaching team pointed out the limitations of traditional teaching methods in modern applications. And on this basis， the teaching reform was carried out on mobilizing the enthusiasm of undergraduates and cultivating their comprehensive ability. In addition， the difficulties and problems encountered in the reform process were discussed in detail.

Key words： Mechatronics System Design; teaching content; teaching method; communication way