机电一体化技术与系统课程教学改革与实践

孙松丽　王荣林　瞿志俊

[摘 要]机电一体化技术与系统课程原有教学中存在一定的问题。可以结合其实践性、综合性较强的特点，提出以项目驱动为主线，通过项目任务引导理论教学和理论教学指导项目实现的一体化教学新模式，并适时引入基于项目的讨论互动课。教学改革实践表明，该教学方法将理论与实践高度融合，以“用”促“学”，学以致用，提升了学生对机电一体化共性技术的工程综合应用能力和团队协作能力，取得了良好的教学效果，有利于应用型人才培养。

[关键词]机电一体化 项目驱动 讨论互动 教学实践

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）10-0155-02

机电一体化技术与系统课程是南京理工大学泰州科技学院机械电子专业的专业主干课，是一门综合性、应用性很强，具有系统工程应用意义的课程。[1]课程涉及专业内容多，知识广泛，理论性和实践性较强。为帮助学生实现从理论学习到实践应用的过渡，提高学生对所学知识的综合运用能力以及工程实践能力，更好地培养应用型、创新型人才，我校机械电子专业教学团队对该课程不断进行教学改革，更新教学内容，积极探索理论与实践相结合的教学方法。

一、教学中存在的问题

（一）理论教学方面存在的问题

教材和教学内容与先修课程重复率高，各知识点分散。[2]机电一体化技术与系统是许多高校相关专业为高年级本科生开设的一门课程，旨在让高年级学生厘清前三年的各专业课之间的关系，能够以系统的观点和方法去分析和设计机电一体化系统。由于是原专业基础知识的巩固和加深，因此，教材和教学内容包括了之前学过的多门课程，教材大而全，教学内容多而广；此外，该课程现有教材内容一般按照机电一体化大系统的各组成子系统组织设计，即每一子系统对应一章内容，不同章节知识点之间缺少有机联系。虽然知识点可以独立教授，但容易孤立，学生无法深刻理解机电一体化产品的系统性和技术的综合应用性。

（二）实践教学方面存在的问题

机械电子专业由于为我校后增专业，机电一体化技术与系统课程开设时间相应也不长，加之机电设备的复杂性、高造价、台套数不足、使用维护成本高等原因，在实验教学环节开设的多为演示性、验证性实验，学生动手操作调试的机会少。[3]在课程设计环节，则通常纸上谈兵，模仿设计，学生学习积极性主动性不高，更谈不上创新设计。

上述原因使得理论教学与实践教学脱节，在教学中出现“理论教学教懂难、实验教学动手难”的问题。针对传统教学体系中存在的问题，结合我校现场工程师的培养目标，机械电子教学团队探索构建了以学生为主体，以项目驱动为主线，通过项目任务引导理论教学和理论教学指导项目实践的互推互动的教学新模式。在剖析某几个典型机电一体化系统（项目）的结构组成、工作原理、设计过程中，串联讲解知识点并在实验环节进行知识点在项目中的具体应用实现，进而将项目实施和理论讲授有机融合，实现一体化教学。教学改革探索的实践表明，在机电一体化技术与系统这门课程的教学上，采用此方法是可行且有效的。

二、以项目驱动为主线的教学新模式应用

以项目驱动为主线，是指以项目为载体、教师为主导、学生为主体，将某一门课程的核心概念和原理，通过一个或多个项目的形式来体现[4]，将课程中分离的知识点转换为在具体项目中应用的相关联的技术支持点，将学生认为枯燥乏味的理论知识转变为生动的、具体的技术实现，有利于学生更加系统地认识和掌握所学习的知识。

（一）项目选择

教学新模式应用中，项目设计或选取尤为重要，其成功与否直接影响教学效果。首先，项目应具有代表性，以体现机电一体化关键技术的典型应用；其次，项目应具有可操作性，即项目的难易程度应适中；最好配套有足够数量的、具体可操作的装备供学生实践操作；再者[5]，项目应具有可拓展性，以培养学生综合应用和创新能力。

基于上述考虑，并在我校实验室二期建设经费大力投入的支撑下，分别以PLC和51单片机两大控制核心为基点，提出了“物料自动分拣”、“自动立体仓库”、“桁架机器人”和“自动寻迹小车”四大项目。以“物料自动分拣”项目为例，此项目涉及的知识模块包括：西门子S7-200PLC控制，异步电动机的变频调速，辨识物料颜色、材质的传感检测，触摸屏监控，自动定位控制，光电编码器及气动元件应用等多项技术，均为机电一体化共性重要技术。与此相对应，MPS实验室增配了多台套可拆装式物料分拣实验装置，学生可通过机械安装、电气硬件接线、软件编程、系统调试等环节进行动手实践操作，既可进行单项实验，也可进行综合性、创新性实验。

（二）具体实施

1.理论教学方面

概述部分仍沿用教材内容，重点讲述机电一体化概念、体系结构、特点及发展趋势。在课程开始即强化机电一体化产品（系统）“机电有机融合”的特点、“系统化”的设计开发理念和“综合性”的技术应用。

其余内容则采用项目驱动教学法，并分两大模块，分阶段展开。

（1）第一阶段：以教师讲授为主，选用“物料自动分拣”和“自动立体仓库”两大项目，按“任务分析→方案总体设计→硬件选型、设计→软件设计→系统调试”的项目一般设计开发流程开展。通过两个项目的介绍，使学生熟悉项目开发的一般流程，总体方案设计的一般要求和原则，掌握系统原理图的设计要求，学习如何结合功能实现和成本控制进行硬件选型，常见硬件的工作原理和使用方法等。在此基础上，使学生掌握变频调速、检测系统设计、伺服驱动与控制、步进电机与控制、软件编程技巧与仿真调试等有关综合应用的理论知识。

（2）第二阶段：采用讨论互动课的模式进行，教师主要起引导和指导作用，选用“桁架机器人”和“自动寻迹小车”两大项目。教师按每一项目确定3种任务方向共制订6套项目设计任务书，包括设计题目、功能需求、技术要求及重难点。学生结合自身的兴趣爱好，每3-5名同学自由组合为一组，从6套任务书中任选一套，每套设定限选额度（上限为4组）。选题在讨论互动课正式开始前两周即确定完毕。在两周准备时间内，各小组需要完成的工作内容是：任务分析→组员分工→资料查阅→组内讨论→方案拟订→方案形成书面报告并制作PPT。在讨论互动课上，按相同任务书抽签选取1-2个小组进行10分钟的上台演讲、报告，5分钟的讨论互动答辩。每组答辩完成后，教师利用2分钟左右的时间总结学生讨论、发言情况，提出改进意见。[6]讨论互动课通过教师创设情境，激发学生思维，强化对知识点的理解学习，促进学生参与合作，有效调动了学生在课堂上的积极性和主动性，变单纯传授知识为培养学生的学习方法和能力。

项目教学不仅要求教師对本门课程的知识点要非常熟悉，而且要有一定的工程实践经验，要求教师掌握测量学在土木工程中常见的应用方法和技术。教师在构思教学项目时必须明确要实现的能力目标、知识目标、项目任务以及教学进度安排等。从对教师课程项目设计的内容是否合理，在项目教学中是否以学生为主体，在项目实施过程中能否灵活运用多种教学方法给学生正确的指导、帮助以激发出学生的学习热情，最终是否达到提高学生的工程能力为目的等方面评价考核教师学识水平和教学能力。对教师教学水平和能力的评价应重视学生对教师的评价，毕竟学生是教学的直接参与者和受益者，他们的评价是比较公平合理的。

（二）对学生学习效果和考核成绩的评价

对学生学习效果的评价是多方面的综合。学生学习效果主要表现在对于基本理论知识的理解掌握程度，能否运用理论知识和常规测绘仪器解决具体工程问题和最终的考试成绩上。学生学习效果的评价主要是看经过课程项目和工程案例项目的学习参与后学生能否在项目设计的能力、知识和素质上达标，通过多种手段和方式综合考核学生在这几个方面达到的程度。基于CDIO的项目教学，不能简单用考试卷面成绩来评价学生的学习效果，而应采用学生在学习过程中参与项目任务的认真程度、完成项目任务的情况、提交项目成果的质量、团队协作能力和老师的沟通以及实践能力来综合考核评价。在评价方法上应该更多地听取来自学生的意见，采用学生自评、小组成员互评、教师评价，最后按一定的权重计算学生的考核成绩。

（三）对课程项目教学效果的评价

大学承担为社会培养人才的责任，最终的“产品”就是毕业生。毕业生凭借自己的知识和能力回报社会，服务企业，实现个人价值。通过对毕业生在用人单位的跟踪调查，根据学生在岗位上的工作能力表现以及岗位所需的知识、能力和素质要求与课程项目设计中知识、能力和素质目标的差异，来评价课程的教学效果和人才培养的质量，这是对课程教学效果最客观最真实的评价。根据全面跟踪调查结果和用人单位反馈的意见，进一步调整课程的内容和修改项目设计以及相应的教学要求。

四、结束语

对土木工程专业测量学课程基于CDIO模式下进行深层次的项目教学改革，对教师队伍的学识水平、知识结构和工程实践能力均提出了较高的要求；在教学过程中不仅注重理论知识的学习，更强调学生学习能力、分析和解决工程问题能力的培养。基于CDIO模式下的项目化教学课程改革力度大，课程改革能否成功涉及很多方面，其中“双师型”专业教师队伍的建设是大多数地方高校基于CDIO模式下人才培养和教学改革面临的一个共同问题。因此，应通过制定与企业联合培养人才，吸引企业高级工程技术人员到学校任教，选派任课教师到企业参与工程项目等政策，提升师资队伍的工程实践能力，以适应培养应用技术型人才的需要。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008（3）：21-23.

[2] 王汉雄，王嘉慧.土木工程测量教学体系改革与创新[J].矿山测量，2007（1）：11-13.

[3] 吕忠刚.应用型本科非测绘专业“工程测量”教学改革的研究[J].测绘通报，2010（7）：75-77.

[4] 谢攀，陈存恩.基于CDIO理念的土木工程施工课程改革探索实践[J].教育与职业，2010（5）：125-127.

[5] 韩涛，孟昭博，汤美安.土木工程专业应用型本科人才实践教学的目标定位[J].教育与职业，2010（6）：163-164.

[责任编辑：钟 岚]