高校机电一体化技术课程教学模式改革

张丽秀++张珂++吴玉厚++王丽艳

摘 要 机电一体化技术是一门综合性很强的课程，对培养机械类应用型人才具有重要作用。从课程教学内容、教学方法、实验内容及考核方式改革入手，形成适应课程本身特点的教学模式，提高学生的实践能力及创新能力。

关键词 机电一体化技术；教学模式改革；实验

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2014）08-0089-04

Teaching Mode Reform of Mechatronics in Colleges //ZHANG Lixiu，ZHANG Ke，WU Yuhou，WANG Liyan

Abstract The curriculum of mechatronics is a comprehensive and strong practicability. It plays an important role for cultivation of Applied Talents and innovation ability. Starting from the teaching content， teaching method， experiment contents and evaluation methods， this paper forms the teaching mode to meet its own characteristics. The application of the teaching mode reform measures has certain reference function to improve the practice ability and innovation ability of students.

Key words electromechanical integration technology； teaching mode reform； experiment

1 引言

“机电一体化技术”是机械类专业的一门综合性、应用性很强的课程，是多种学科相互交叉、渗透而形成的一门综合性技术学科，是机械行业创新设计、科学研究的重要工具，对于培养具有一定创新能力的现代化机械类应用型人才具有重要的作用。“机电一体化技术”课程传统的教学方法只是对先修课程的简单重复，缺乏对学生进行实践性及综合性训练，学生感到难以致用，导致学习兴趣逐渐丧失。因此，在“机电一体化技术”课程教学活动中，改革现行的教学模式，寻求体现“机电一体化技术”课程教学特点的教学方法及手段成为当务之急。

随着机械工业的蓬勃发展，世界各国对机械类专业的高等教育越来越注重实践性、应用性及前沿性。德国机电一体化专业课程体系建设是通过校企合作和工学结合的形式，以学习者专业能力、方法应用能力和适应社会能力等综合职业能力培养为本位，以市场需求为目标，以就业为导向，将学习和工作要素相结合，并通过分析与综合，把工作过程的各个部分按一定的顺序，导入课程体系中以构成一个有机的整体。美国宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系提出“机电一体化”课程改革思路，在学期项目中预定实验方案，根据实验方案决定课程内容[1]。马来西亚莫纳什大学工程学院在机电一体化课程教学过程中从工程项目出发，将传统教学和项目讲座相结合，有效为学生提供实际工程经验[2]。

南京航空航天大学在机电一体化课程教学改革中，将科研成果引入课程的理论和实验教学中，自主研发教学实验系统平台，简化项目研究内容，研究一体化的系统教学法，培养学生创新意识，提高学生综合素质[3]。郑州航空工业管理学院采用开放式的课堂教学，基于MATLAB的虚拟实验辅助教学及基于案例的多种教学方法进行机电一体化技术课程的教学方法改革，提高了学生对课程的学习兴趣 [4]。石家庄铁道学院将“发现体验学习”理论应用于实践教学中，通过机电一体化实验内容的设计，在实验室建设及实验教学组织多方面采取措施，提高机电一体化技术的课程教学质量[5]。

此外，昆明理工大学为了切实培养学生的电机及控制技术的综合应用能力，进一步促进机电结合，取得良好的教学效果，从课程的教学内容、教学方法和实验设计等方面并结合步进电动机的教学实例，对“机电传动控制”研究型教学进行了一些有益的探讨[6]。扬州大学基于Capstone-CDIO教学理念，从知识项目化、学科交叉化、项目平台化三方面进行课程体系实践优化，通过调研技能、知识构建、问题解决、团队技能四方面进行评价研究，为应用型、创新型机电一体化人才培养打下良好基础[7]。南华大学针对机械大类开设的检测与控制系列课程现状，提出面向机电一体化方向整合优化课程体系和教学内容的教改目标，改变传统教学中电、机分离的教学方式，有效引导学生形成良好的机电合一的认识，提高教学质量[8]。

国内高校关于机电一体化专业人才的教育改革各有特色，但与国外教学水平相比，仍处于初级阶段，还没有形成系统的改革方案。建立适应“机电一体化技术”课程本身特点的教学模式任重而道远。

2 “机电一体化技术”课程教学改革思路

从“机电一体化技术”课程实践性、综合性特点出发，对其进行教学改革，是高校培养应用型机械类人才的关键。“机电一体化技术”课程教学改革主要包括教学内容改革、教学方法改革、实验内容改革及考核方式改革四个方面，总体改革思路如图1所示。

1）教学内容的改革，针对机电一体化课程的自身特点，在教学内容上避免简单重复先修课的已有知识，从机电融合的角度出发，以等效性和互补性为出发点，采用系统工程观点和方法，改革机电一体化课程的教学内容。

2）教学方法的改革，注重引进本学科的科研成果，利用科研过程中设备创新的经验，自主研发教学实验系统平台，并根据学生的实际能力水平合理细化、简化项目研究内容，构建理论学习、实验操作、项目研究一体化的系统教学法，以实验操作促进理论学习，以项目研究提升综合应用能力。

3）实验内容的改革，机电一体化作为一个学科领域，所涵盖的内容是十分宽泛的，涉及机械设计、电路设计、控制及软件编程等综合性知识和技术，考虑接受创新教育学生的理解、编程、器材加工能力以及教育的连续性，使学生能够设计出从简单到复杂各种层次和各种不同水平的机电一体化创新产品，遵循深入浅出的原则，改革机电一体化技术课程实验内容，使其涵盖基本技能训练、综合实践能力训练及创新能力培养等几个不同层次的实验内容。

4）考核方式的改革，改变以理论考核为主、实践技能考核为辅的做法，加大实践技能考核的比例，探寻能够锻炼学生的书面表达能力，提高学生独立动脑能力及实际动手能力，激发学生创新动力，提高学生针对实际工程问题的分析能力、解决工程问题的能力的考核方案。

3 “机电一体化技术”课程教学改革实施方案

教学内容改革实施方案 教学内容的改革将从机电一体化技术的五大要素出发，以电能作为主要动力源，确定机械系统、执行机构、传感检测系统及计算机控制系统的具体教学内容。其中，机械系统注重与传统机械学的区别，重点介绍机电一体化系统设计中，精密机械零件的设计与选择过程；执行机构中，除介绍开环系统中常用的步进电机选择与计算外，还要介绍常用伺服电机的选择以及无级调速用变频器应用；在传感检测系统中，以常用光栅尺及编码器为对象，介绍光栅尺及编码器的特点、选择及使用方法；在计算机控制系统中，以PLC为主，介绍PLC在机电一体化系统中的应用实例。

教学方法改革实施方案 在整合优化课程教学内容的基础上，以学科现有的科研项目为基础，通过对科研任务的简化，确定适合机电一体化技术的教学方案，并建立相应的实验平台，在教学过程中通过对项目的分析、讨论、实施、实验、总结等环节，实现“做中学”与“学中做”的有机结合。如以学科科研项目“异型石材车铣加工中心”为对象，将加工中心机械部分分为横梁、回转工作台、主轴头、进给机构等模块，为学生讲解系统中齿轮、滚珠丝杠等传动系统及支撑部件的设计方法。

由于加工中心控制系统相对复杂，不适合教学，因此在“机电一体化技术”课程其他要素的讲解中，可以自制实验平台，即通过对传统机床的改造，使改造后的实验平台包含简单的机械结构、PLC控制系统、检测工作台位移的光栅尺、检测电机位移及转速的编码器。将自制实验平台的设计改造过程作为工程实例穿插于理论教学中。此外，在理论教学中充分利用现代综合教育技术，抓好多媒体技术、网络技术在课堂教学中的普及应用，利用影像、动画等丰富的多媒体信息，提高课堂教学的生动性。

实验内容改革实施方案 加强实验环节建设，积极开发面向知识群应用的模块化实验，训练学生的基本技能，设计面向解决问题的综合性实验，提高学生的工程实践能力，提供面向创新能力培养的开放性创意实验，培养学生的创新能力和工程意识，是机电一体化技术课程实验内容改革的宗旨。具体实验内容如表1所示。

考核方式改革实施方案 采用理论考试、实验考核、创新设计及作品阐述等多种方式对学生进行考核，综合考核学生对机电一体化概念的理解能力，知识运用能力、实验动手能力、写作能力及创新能力。其中理论考试分为阶段考试与期末考试，包括基础性试题、综合性试题。创新设计及作品阐述分组进行，产品设计题目自拟，在课程之初即开始实施，期末上交设计作品。实验考核采取自拟题目和规定题目相结合的方式，即以表1中的PLC运动控制实验作为考核项目，通过自行设计如图2所示的工作台运动路线及运动参数，完成工作台的运动控制。具体考核实施路线如图3所示。

4 结语

高等教育机械类专业注重培养学生的实践能力及创新能力，这些能力的培养可以借助专业课的训练获得。“机电一体化技术”课程具有综合性及实践性，是培养学生上述能力的重要平台。在“机电一体化技术”课程的教学改革中，通过教学内容、教学方法、实验内容及考核方式的综合改革，并在机械设计制造及其自动化专业2010、2011级学生中进行实验，取得了较好的教学成果，提高了学生的实践能力及创新能力。

参考文献

[1]Fiene J P， Yim M. Project first： A case study in mechatronics course design[J].2008 Proceedings of the ASME International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference，2009：525-534.

[2]See A. Challenging computer-based projects for a mechatronics course： Teaching and learning through projects employing virtual instrumentation[J].Computer Applications in Engineering Education，2006，14（3）：222-242.

[3]韩向可，李菲.《机电一体化系统设计》课程的教学改革[J].中国科技信息，2010（9）：262-263.

[4]李琦，王基，刘永葆.《机电一体化系统设计》课程教学改革与实践[J].高等教育研究学报，2010（3）：100-101.

[5]王翠艳，吴文江，高占凤，等.机电一体化创新教育探索与实践[J].中国电力教育，2010（4）：154-155.

[6]吴涛，尹志宏.机电传动控制课程的研究型教学模式[J].实验室研究与探索，2013，32（1）：105-107，187.

[7]孙进，张帆，曾励，等.基于Capstone-CDIO的机电一体化课程体系实践与评价研究[J].中国教育技术装备，

2013（30）：75-77.

[8]朱慧玲，王玉林，谢静.面向机械专业的机电一体化方向检测与控制系列课程的整合和优化[J].中国教育技术装备，2013（21）：74-76.

3）实验内容的改革，机电一体化作为一个学科领域，所涵盖的内容是十分宽泛的，涉及机械设计、电路设计、控制及软件编程等综合性知识和技术，考虑接受创新教育学生的理解、编程、器材加工能力以及教育的连续性，使学生能够设计出从简单到复杂各种层次和各种不同水平的机电一体化创新产品，遵循深入浅出的原则，改革机电一体化技术课程实验内容，使其涵盖基本技能训练、综合实践能力训练及创新能力培养等几个不同层次的实验内容。

4）考核方式的改革，改变以理论考核为主、实践技能考核为辅的做法，加大实践技能考核的比例，探寻能够锻炼学生的书面表达能力，提高学生独立动脑能力及实际动手能力，激发学生创新动力，提高学生针对实际工程问题的分析能力、解决工程问题的能力的考核方案。

3 “机电一体化技术”课程教学改革实施方案

教学内容改革实施方案 教学内容的改革将从机电一体化技术的五大要素出发，以电能作为主要动力源，确定机械系统、执行机构、传感检测系统及计算机控制系统的具体教学内容。其中，机械系统注重与传统机械学的区别，重点介绍机电一体化系统设计中，精密机械零件的设计与选择过程；执行机构中，除介绍开环系统中常用的步进电机选择与计算外，还要介绍常用伺服电机的选择以及无级调速用变频器应用；在传感检测系统中，以常用光栅尺及编码器为对象，介绍光栅尺及编码器的特点、选择及使用方法；在计算机控制系统中，以PLC为主，介绍PLC在机电一体化系统中的应用实例。

教学方法改革实施方案 在整合优化课程教学内容的基础上，以学科现有的科研项目为基础，通过对科研任务的简化，确定适合机电一体化技术的教学方案，并建立相应的实验平台，在教学过程中通过对项目的分析、讨论、实施、实验、总结等环节，实现“做中学”与“学中做”的有机结合。如以学科科研项目“异型石材车铣加工中心”为对象，将加工中心机械部分分为横梁、回转工作台、主轴头、进给机构等模块，为学生讲解系统中齿轮、滚珠丝杠等传动系统及支撑部件的设计方法。

由于加工中心控制系统相对复杂，不适合教学，因此在“机电一体化技术”课程其他要素的讲解中，可以自制实验平台，即通过对传统机床的改造，使改造后的实验平台包含简单的机械结构、PLC控制系统、检测工作台位移的光栅尺、检测电机位移及转速的编码器。将自制实验平台的设计改造过程作为工程实例穿插于理论教学中。此外，在理论教学中充分利用现代综合教育技术，抓好多媒体技术、网络技术在课堂教学中的普及应用，利用影像、动画等丰富的多媒体信息，提高课堂教学的生动性。

实验内容改革实施方案 加强实验环节建设，积极开发面向知识群应用的模块化实验，训练学生的基本技能，设计面向解决问题的综合性实验，提高学生的工程实践能力，提供面向创新能力培养的开放性创意实验，培养学生的创新能力和工程意识，是机电一体化技术课程实验内容改革的宗旨。具体实验内容如表1所示。

考核方式改革实施方案 采用理论考试、实验考核、创新设计及作品阐述等多种方式对学生进行考核，综合考核学生对机电一体化概念的理解能力，知识运用能力、实验动手能力、写作能力及创新能力。其中理论考试分为阶段考试与期末考试，包括基础性试题、综合性试题。创新设计及作品阐述分组进行，产品设计题目自拟，在课程之初即开始实施，期末上交设计作品。实验考核采取自拟题目和规定题目相结合的方式，即以表1中的PLC运动控制实验作为考核项目，通过自行设计如图2所示的工作台运动路线及运动参数，完成工作台的运动控制。具体考核实施路线如图3所示。

4 结语

高等教育机械类专业注重培养学生的实践能力及创新能力，这些能力的培养可以借助专业课的训练获得。“机电一体化技术”课程具有综合性及实践性，是培养学生上述能力的重要平台。在“机电一体化技术”课程的教学改革中，通过教学内容、教学方法、实验内容及考核方式的综合改革，并在机械设计制造及其自动化专业2010、2011级学生中进行实验，取得了较好的教学成果，提高了学生的实践能力及创新能力。

参考文献

[1]Fiene J P， Yim M. Project first： A case study in mechatronics course design[J].2008 Proceedings of the ASME International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference，2009：525-534.

[2]See A. Challenging computer-based projects for a mechatronics course： Teaching and learning through projects employing virtual instrumentation[J].Computer Applications in Engineering Education，2006，14（3）：222-242.

[3]韩向可，李菲.《机电一体化系统设计》课程的教学改革[J].中国科技信息，2010（9）：262-263.

[4]李琦，王基，刘永葆.《机电一体化系统设计》课程教学改革与实践[J].高等教育研究学报，2010（3）：100-101.

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2013（30）：75-77.

[8]朱慧玲，王玉林，谢静.面向机械专业的机电一体化方向检测与控制系列课程的整合和优化[J].中国教育技术装备，2013（21）：74-76.

3）实验内容的改革，机电一体化作为一个学科领域，所涵盖的内容是十分宽泛的，涉及机械设计、电路设计、控制及软件编程等综合性知识和技术，考虑接受创新教育学生的理解、编程、器材加工能力以及教育的连续性，使学生能够设计出从简单到复杂各种层次和各种不同水平的机电一体化创新产品，遵循深入浅出的原则，改革机电一体化技术课程实验内容，使其涵盖基本技能训练、综合实践能力训练及创新能力培养等几个不同层次的实验内容。

4）考核方式的改革，改变以理论考核为主、实践技能考核为辅的做法，加大实践技能考核的比例，探寻能够锻炼学生的书面表达能力，提高学生独立动脑能力及实际动手能力，激发学生创新动力，提高学生针对实际工程问题的分析能力、解决工程问题的能力的考核方案。

3 “机电一体化技术”课程教学改革实施方案

教学内容改革实施方案 教学内容的改革将从机电一体化技术的五大要素出发，以电能作为主要动力源，确定机械系统、执行机构、传感检测系统及计算机控制系统的具体教学内容。其中，机械系统注重与传统机械学的区别，重点介绍机电一体化系统设计中，精密机械零件的设计与选择过程；执行机构中，除介绍开环系统中常用的步进电机选择与计算外，还要介绍常用伺服电机的选择以及无级调速用变频器应用；在传感检测系统中，以常用光栅尺及编码器为对象，介绍光栅尺及编码器的特点、选择及使用方法；在计算机控制系统中，以PLC为主，介绍PLC在机电一体化系统中的应用实例。

教学方法改革实施方案 在整合优化课程教学内容的基础上，以学科现有的科研项目为基础，通过对科研任务的简化，确定适合机电一体化技术的教学方案，并建立相应的实验平台，在教学过程中通过对项目的分析、讨论、实施、实验、总结等环节，实现“做中学”与“学中做”的有机结合。如以学科科研项目“异型石材车铣加工中心”为对象，将加工中心机械部分分为横梁、回转工作台、主轴头、进给机构等模块，为学生讲解系统中齿轮、滚珠丝杠等传动系统及支撑部件的设计方法。

由于加工中心控制系统相对复杂，不适合教学，因此在“机电一体化技术”课程其他要素的讲解中，可以自制实验平台，即通过对传统机床的改造，使改造后的实验平台包含简单的机械结构、PLC控制系统、检测工作台位移的光栅尺、检测电机位移及转速的编码器。将自制实验平台的设计改造过程作为工程实例穿插于理论教学中。此外，在理论教学中充分利用现代综合教育技术，抓好多媒体技术、网络技术在课堂教学中的普及应用，利用影像、动画等丰富的多媒体信息，提高课堂教学的生动性。

实验内容改革实施方案 加强实验环节建设，积极开发面向知识群应用的模块化实验，训练学生的基本技能，设计面向解决问题的综合性实验，提高学生的工程实践能力，提供面向创新能力培养的开放性创意实验，培养学生的创新能力和工程意识，是机电一体化技术课程实验内容改革的宗旨。具体实验内容如表1所示。

考核方式改革实施方案 采用理论考试、实验考核、创新设计及作品阐述等多种方式对学生进行考核，综合考核学生对机电一体化概念的理解能力，知识运用能力、实验动手能力、写作能力及创新能力。其中理论考试分为阶段考试与期末考试，包括基础性试题、综合性试题。创新设计及作品阐述分组进行，产品设计题目自拟，在课程之初即开始实施，期末上交设计作品。实验考核采取自拟题目和规定题目相结合的方式，即以表1中的PLC运动控制实验作为考核项目，通过自行设计如图2所示的工作台运动路线及运动参数，完成工作台的运动控制。具体考核实施路线如图3所示。

4 结语

高等教育机械类专业注重培养学生的实践能力及创新能力，这些能力的培养可以借助专业课的训练获得。“机电一体化技术”课程具有综合性及实践性，是培养学生上述能力的重要平台。在“机电一体化技术”课程的教学改革中，通过教学内容、教学方法、实验内容及考核方式的综合改革，并在机械设计制造及其自动化专业2010、2011级学生中进行实验，取得了较好的教学成果，提高了学生的实践能力及创新能力。

参考文献

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[2]See A. Challenging computer-based projects for a mechatronics course： Teaching and learning through projects employing virtual instrumentation[J].Computer Applications in Engineering Education，2006，14（3）：222-242.

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[6]吴涛，尹志宏.机电传动控制课程的研究型教学模式[J].实验室研究与探索，2013，32（1）：105-107，187.

[7]孙进，张帆，曾励，等.基于Capstone-CDIO的机电一体化课程体系实践与评价研究[J].中国教育技术装备，

2013（30）：75-77.

[8]朱慧玲，王玉林，谢静.面向机械专业的机电一体化方向检测与控制系列课程的整合和优化[J].中国教育技术装备，2013（21）：74-76.