面向卓越工程师的机电系统分析与设计课程建设与教学改革

鲍久圣 杨善国 刘同冈 阴妍

摘 要 针对现代机械工业的机电一体化发展趋势，分析机电系统类课程在课程设置、教学内容和教学方法等方面的现状与不足，认为高校应结合自身办学优势和行业特点，科学设置开课模式，精心编写特色教材，积极开展教学改革；以中国矿业大学培养卓越采矿工程师为例，从教学内容组织、特色教材编写、教学方法改革、考核方式革新等四个方面，给出具体课程建设与教学改革措施及建议，可为开展机电系统类课程建设与教学改革提供有益参考。

关键词 现代机械工业；卓越工程师；机电系统分析与设计；机电一体化系统；教学改革；课程建设

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）23-0105-03

Abstract Aiming at the development trend of mechatronics in the modern machinery industry， the current situation and deficiencies in curriculum setting， teaching content， teaching methods of analysis and design of mechatronics system course were investigated and analyzed. It is pointed out that universities should combine their own advantages and characteristics to set up the course model scientifically， compile characteristic teaching materials elaborately， and carry out teaching reform actively. By taking the training of out-standing mining engineers at China University of Mining and Tech-nology as an example， the course construction and teaching reform actions and suggestions were discussed in terms of teaching content organization， characteristic teaching materials compilation， teaching method reformation， and assessment mode innovation. It is believed that the results could provide useful reference for course construc-tion and teaching reform of mechatronics courses.

Key words modern machinery industry； outstanding engineers； ana-lysis and design of mechatronics system； mechatronics system； tea-ching reform； course construction

1 前言

機电一体化系统融合了机械、电力、电子、信息和控制等工科领域的理论和技术基础，是现代机械工业的必然发展方向，熟练掌握机电系统的设计理论和分析方法是广大工科院校培养卓越机械工程师必备的理论基础和专业技能[1-2]。在矿山机械领域，采矿及运输作业正日益趋向于自动化、智能化乃至于无人化发展，而实现这一目标的重要物质和技术基础就是以采煤机、提升机等为代表的各类智能化矿山装备[3]。目前，几乎所有智能化矿山装备都是机电一体化系统。因此，熟练掌握矿山机电产品的设计与分析方法，是各类矿业类高校培养卓越采矿工程师必备的理论和技术基础。

2 机电系统类课程现状调研与分析

机电一体化系统根据系统内电流的强度可将其划分为电力拖动系统（强电）和机电控制系统（弱电）两大部分，弱电控制强电，强电影响弱电，两者相辅相成，缺一不可。作为现代机电设备的重要理论和技术基础，机电系统类课程在各大高校的机械工程、电气工程等相关专业普遍开设。经过多年发展，机电系统类课程建设已取得显著成绩，但仍然存在一些问题与不足。

教学内容分化 当前在我国高校机电系统类课程设置中，一般都将强电和弱电两大内容分化为两门课程，分别对应为机电传动控制（或电力拖动与控制）、机电一体化系统设计。机电传动控制课程重点讲解以电动机为基础的电力拖动系统设计，属于强电范畴；机电一体化系统设计课程则偏重于讲授以单片机、PLC为核心的机电系统控制问题，偏重于传授弱电知识。以中国矿业大学机械工程专业为例，过去这两门课程一直分方向而设，机电传动控制课程安排在机械电子方向，而机电一体化系统设计课程则安排在机械设计方向，不同方向的学生只能选修其中一门课程，导致难以将机电系统必备的两大知识体系完整传授给学生，使其无法形成机电系统的整体概念。

缺少实际案例分析 机电系统分析与设计是直接面向于应用的专业课程，因此应该将教学内容与工程实际紧密结合起来，但现有教学内容普遍缺乏实际案例及其具体分析，导致教师难以讲授，学生认知困难。现有教材即使设置了一些机电系统的设计与改造案例，也多偏向于早期的机电系统，设计方法及控制方案没有及时推陈出新，已经跟不上时代发展，学生学习后实际应用价值并不高。

没有融入学校办学特色 根据行业不同，机电系统又细分为通用机电设备、矿山机电设备、工程机电设备等多种类型。为了体现各高校的办学特色，在机电系统类课程的教学内容设置上应有所区分。如对中国矿业大学而言，面向学校培养卓越采矿工程师的课程要求，有必要在教学内容中更多地融入矿山机电装备的知识体系，并应结合当前矿山装备的智能化及无人化发展趋势，组织编写具有矿业特色的新教材。

教学模式传统，学生参与度低 目前，机电系统类课程的教学模式大多还是采用以教师讲授为主的教学方式，一些教师教学思维固化，大量简单复述课件内容，很容易就让原本就枯燥的理论知识变成生硬的报告展示。这种教学方式注重灌输，教学方法偏重讲授，教学过程缺乏引导，学生参与度不高，独立思考机会过少，严重限制了个性发挥。

3 机电系统分析与设计课程建设与教学改革探讨——以中国矿业大学为例

针对当前机电系统分析与设计课程在课程设置、教材内容和教学方法等方面存在的不足，下面以中国矿业大学培养卓越采矿工程师为例，从教学内容组织、特色教材编写、教学方法革新等三个方面给出具体的课程建设与教学改革措施及建议。

整合强电和弱电知识，构建完整课程教学内容 针对如前所述的教学内容分化、学生选课受限等问题，中国矿业大学在机械工程专业2016版教学计划中新增开设专业主干课程“机电系统分析与设计”，不分方向面向本專业所有学生开课。在教学内容设置上，整合原机械设计方向“机电一体化系统设计”和原机械电子方向“机电传动控制”两门专业主干课的教学内容，将强电与弱电两大知识点有机结合起来，丰富和完善了机电系统课程的教学内容和知识体系，可使学生在了解机电系统完整结构和功能原理的基础上，掌握对机电系统的综合分析与设计计算方法，从而能够灵活运用所学知识进行机电系统开发工作。

面向煤炭行业特点编写教材，丰富典型矿山装备案例分析 为了体现中国矿业大学面向煤炭行业办学的特色与优势，根据培养卓越采矿工程师的教学要求，组织编写新编教材《机电系统分析与设计》。在教材内容的设置上，整合机电系统的强电和弱电两大知识点，考虑矿山机电装备的结构特点来组织内容，大幅增加典型矿山机电装备的设计与分析案例。如在绪论部分除了介绍通用机电设备以外，还介绍采煤机、掘进机等典型矿山机电装备现状；在讲授机电系统结构与组成时，选择几种典型矿山机电装备为例，进行结构解剖与原理解析；在教材中辟出一章专题讲解机电装备的智能化问题，并以掘进机自动截割成型控制等先进技术为例，展开智能化设备案例分析。

倡导师生互动活跃课堂气氛，结合实践提高学生认知能力 教师作为传授知识的设计者和实施者，要学会因材施教，对于不同的教学对象与内容可灵活采用案例式、启发式、讨论式、互动式和辩论式等不同教学方法，让学生尽可能多地参与进来，改变课堂上教师独自传授知识的状况，调动学生的学习主动性和积极性。如在本课程教学中可以考虑引入研讨环节，选择某一典型机电系统让学生以小组为单位，在课后去查阅调研文献，课上预留时间让学生来讲解其结构和原理；在课堂上采用启发、提问方式，让学生自我发现、提出并解决在生活和实践中所遇到的机电系统问题；介绍一些成功或失败的机电系统设计案例，引导学生展开讨论和分析，激发其创新思维和解决实际问题能力。

机电系统分析与设计是一门面向应用的专业课程，有条件的高校应该开发配套的实验教学环节，巩固学生在课堂上所学的理论知识。更进一步，若能结合高校的特色科研实验室给学生提供一些参观和实践的机会或将更具有实际意义。如中国矿业大学就面向本科生开放了江苏省矿山智能采掘装备协同创新中心、江苏省综采综掘智能化装备工程技术中心等高层次科研平台，让学生对机电系统的认知不局限于教学实验室，也能有机会在科研实验室中得到实践验证。

革新课程考核方式，夯实学生学习效果 一般课程大多采用闭卷考试结合平时考核得到总评成绩的考核方式，其弊端在于：考试内容局限于课本，试卷题目过于呆板，易让学生养成死记硬背而不注重理解的习惯；考核指标注重考查学生对关键知识点即所谓“重点”的掌握程度，学生通过快速突击往往就能通过考试，但知识实际掌握并不扎实。因此，为了夯实课程教学效果，让学生真正“学懂、弄通、会用”机电系统的分析与设计方法，有必要对传统教学考核方式进行改革，通过采取多种形式相结合的综合考核方式来促使学生增强学习效果。

1）在平时考核中应加强对学生综合能力的考核环节。如让学生在课后针对某一典型机电系统进行文献调研，在课上预留时间让学生讲解和研讨，对于受课时限制未能参与自主讲解的学生，可以让他们以科技小论文的形式提交调研和分析报告。这个环节不仅可以锻炼学生的文献调研及综合分析能力，也可以培养他们的科技论文写作和口头/书面表达能力。

2）在结课考试中设置至少30%以上的综合分析题，这种题没有标准答案，学生需要自主提出设计方案，并应能简要分析其具体实现方式。这样可以有效考核学生对于课程基础知识点的掌握程度和实际运用能力。

3）鼓励学生积极参与各类大学生创新训练项目和机电专业相关竞赛，只要学生能够提供参与这类项目和竞赛的有效证明，就可以在平时成绩中予以适当加分，以此来激励学生学以致用。

4 结语

机电系统类课程承载着机电一体化高技能卓越工程师的培养重任，但现有课程体系在课程设置、教学内容和教学方法等方面都存在诸多不足。面向现代机械工业的智能化发展趋势，各高校应结合办学优势和行业特点，科学设置机电系统类课程的开设模式，精心编写适合本校特色的机电系统教材，同时应适应新时代特点，积极开展教学方法改革，培养具有时代特色和行业优势的机电一体化人才。

参考文献

[1]洪晓波.卓越工程师工程能力的构成及培养路径[J].当代教育理论与实践，2013（4）：43-46.

[2]王雷，凌雪.机械专业卓越工程师培养实施的思考[J].中国现代教育装备，2012（1）：50-52.

[3]葛世荣，鲍久圣，曹国华.采矿运输技术与装备[M].北京：煤炭工业出版社，2015.