機電一體化技術與系統課程教學論文
機電一體化技術與系統課程教學論文
一、教學中存在的問題
（一）理論教學方面存在的問題
教材和教學內容與先修課程重複率高，各知識點分散。[２]機電一體化技術與系統是許多高校相關專業為高年級本科生開設的一門課程，旨在讓高年級學生釐清前三年的各專業課之間的關係，能夠以系統的觀點和方法去分析和設計機電一體化系統。由於是原專業基礎知識的鞏固和加深，因此，教材和教學內容包括了之前學過的多門課程，教材大而全，教學內容多而廣；此外，該課程現有教材內容一般按照機電一體化大系統的各組成子系統組織設計，即每一子系統對應一章內容，不同章節知識點之間缺少有機聯絡。雖然知識點可以獨立教授，但容易孤立，學生無法深刻理解機電一體化產品的系統性和技術的綜合應用性。
（二）實踐教學方面存在的問題
機械電子專業由於為我校後增專業，機電一體化技術與系統課程開設時間相應也不長，加之機電裝置的複雜性、高造價、臺套數不足、使用維護成本高等原因，在實驗教學環節開設的多為演示性、驗證性實驗，學生動手操作除錯的機會少。[３]在課程設計環節，則通常紙上談兵，模仿設計，學生學習積極性主動性不高，更談不上創新設計。上述原因使得理論教學與實踐教學脫節，在教學中出現“理論教學教懂難、實驗教學動手難”的問題。針對傳統教學體系中存在的問題，結合我校現場工程師的培養目標，機械電子教學團隊探索構建了以學生為主體，以專案驅動為主線，透過專案任務引導理論教學和理論教學指導專案實踐的互推互動的教學新模式。在剖析某幾個典型機電一體化系統（專案）的結構組成、工作原理、設計過程中，串聯講解知識點並在實驗環節進行知識點在專案中的具體應用實現，進而將專案實施和理論講授有機融合，實現一體化教學。教學改革探索的實踐表明，在機電一體化技術與系統這門課程的教學上，採用此方法是可行且有效的'。
二、以專案驅動為主線的教學新模式應用
以專案驅動為主線，是指以專案為載體、教師為主導、學生為主體，將某一門課程的核心概念和原理，透過一個或多個專案的形式來體現[４]，將課程中分離的知識點轉換為在具體專案中應用的相關聯的技術支援點，將學生認為枯燥乏味的理論知識轉變為生動的、具體的技術實現，有利於學生更加系統地認識和掌握所學習的知識。
（一）專案選擇
教學新模式應用中，專案設計或選取尤為重要，其成功與否直接影響教學效果。首先，專案應具有代表性，以體現機電一體化關鍵技術的典型應用；其次，專案應具有可操作性，即專案的難易程度應適中；最好配套有足夠數量的、具體可操作的裝備供學生實踐操作；再者[５]，專案應具有可拓展性，以培養學生綜合應用和創新能力。基於上述考慮，並在我校實驗室二期建設經費大力投入的支撐下，分別以ＰＬＣ和５１微控制器兩大控制核心為基點，提出了“物料自動分揀”、“自動立體倉庫”、“桁架機器人”和“自動尋跡小車”四大專案。以“物料自動分揀”專案為例，此專案涉及的知識模組包括：西門子Ｓ７－２００ＰＬＣ控制，非同步電動機的變頻調速，辨識物料顏色、材質的感測檢測，觸控式螢幕監控，自動定位控制，光電編碼器及氣動元件應用等多項技術，均為機電一體化共性重要技術。與此相對應，ＭＰＳ實驗室增配了多臺套可拆裝式物料分揀實驗裝置，學生可透過機械安裝、電氣硬體接線、軟體程式設計、系統除錯等環節進行動手實踐操作，既可進行單項實驗，也可進行綜合性、創新性實驗。
（二）具體實施
１.理論教學方面
概述部分仍沿用教材內容，重點講述機電一體化概念、體系結構、特點及發展趨勢。在課程開始即強化機電一體化產品（系統）“機電有機融合”的特點、“系統化”的設計開發理念和“綜合性”的技術應用。其餘內容則採用專案驅動教學法，並分兩大模組，分階段展開。（1）第一階段：以教師講授為主，選用“物料自動分揀”和“自動立體倉庫”兩大專案，按“任務分析→方案總體設計→硬體選型、設計→軟體設計→系統除錯”的專案一般設計開發流程開展。透過兩個專案的介紹，使學生熟悉專案開發的一般流程，總體方案設計的一般要求和原則，掌握系統原理圖的設計要求，學習如何結合功能實現和成本控制進行硬體選型，常見硬體的工作原理和使用方法等。在此基礎上，使學生掌握變頻調速、檢測系統設計、伺服驅動與控制、步進電機與控制、軟體程式設計技巧與模擬除錯等有關綜合應用的理論知識。（2）第二階段：採用討論互動課的模式進行，教師主要起引導和指導作用，選用“桁架機器人”和“自動尋跡小車”兩大專案。教師按每一專案確定３種任務方向共制訂６套專案設計任務書，包括設計題目、功能需求、技術要求及重難點。學生結合自身的興趣愛好，每３－５名同學自由組合為一組，從６套任務書中任選一套，每套設定限選額度（上限為４組）。選題在討論互動課正式開始前兩週即確定完畢。在兩週準備時間內，各小組需要完成的工作內容是：任務分析→組員分工→資料查閱→組內討論→方案擬訂→方案形成書面報告並製作ＰＰＴ。在討論互動課上，按相同任務書抽籤選取１－２個小組進行１０分鐘的上臺演講、報告，５分鐘的討論互動答辯。每組答辯完成後，教師利用２分鐘左右的時間總結學生討論、發言情況，提出改進意見。[６]討論互動課透過教師創設情境，激發學生思維，強化對知識點的理解學習，促進學生參與合作，有效調動了學生在課堂上的積極性和主動性，變單純傳授知識為培養學生的學習方法和能力。
２.實踐教學方面
實踐教學主要包括實驗教學和課程設計。（1）實驗教學：由於實驗室新購置了多臺實訓裝置，因此，開出的實驗專案從之前單一的驗證性、演示性實驗，擴充套件躍升到集難度遞增的單項實驗和綜合性實驗於一體的系統全面的實驗體系。同時，實驗環節所需要的理論知識、技術應用規範和應用技巧與理論課所講授內容高度契合，極大增強了學生實驗時的自信心、積極性和主動性，學生敢於並願意動手操作，實驗效果突出，學生動手能力顯著提高。（2）課程設計：在設計選題上摒棄了之前單一的命題方式，改為可從教師給定的多組題目中任選或學生自由選擇的方式。其中，教師給定的題目主要為討論互動課上專案任務的綜合和深化。由於已進行過較為充分的論證，因此，對這部分設計題目詳細設計部分要求完成度較高，最好可透過實物驗證。
（三）課程考核
與教學模式改革相匹配，對課程考核方式進行了調整，更加強調應用能力的測試，加大實驗環節考核比重，增加討論互動課考核。其中，對於實驗環節的考核，除了考察實訓時的常規表現（如出勤率、操作規範情況、實驗完成情況、實驗報告情況）外，在最後一次實訓課上以現場發放任務卡的形式，要求各組學生利用現場實訓裝置，在限定時間內，完成某一小專案的設計、接線、程式設計和除錯工作，最終根據完成情況現場打分，該分值為實驗環節最終考核成績的主要組成部分。
三、總結
教學改革實踐表明，以專案驅動為主線的理論實踐一體化的教學新模式，實現了理論教學與實踐教學的深度結合，將教學內容與工程實踐緊密聯絡，提高了學生對相關技術的工程綜合應用能力，以‘用’促‘學’，學以致用；體驗型的討論互動教學方式，讓學生主動參與教學過程，發揮其主體作用，增強了學生的團隊協作能力、溝通能力，提升了學生的綜合素質。