基于卓越计划的机电专业电控类课程教学改革

唐炜　王红茹　李忠国

摘    要：为适应应用型本科卓越工程师计划提出的人才培养新要求，文章以学生工程实践能力与创新意识培养为出发点，介绍了江苏科技大学机电专业电控类课程群在理论教学、实验教学、课外科技创新活动等方面所采取的案例式、项目式、CDIO等教学改革方法及其实践探索，以实现理论教学与实验及实践环节的有机结合，从而使卓越计划学生具有在机电控制领域解决复杂工程问题的专业知识和实践能力。

关键词：卓越工程师;电控类课程;教学改革;工程实践能力

中图分类号：G642.0          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2019）04-0027-03

“卓越工程师培养计划”（简称“卓越计划”）是我国高等教育中长期发展规划中的一个重大改革项目，旨在培养一大批创新能力强、适应时代发展需要的优秀工程技术人才[1]。江苏科技大学是一所以应用型人才培养为目标的普通高校，于2011年成为教育部批准实施“卓越计划”的试点高校之一。

机械电子工程专业涉及力学、机械工程、电工电子、自动控制、信息处理、计算机应用等多学科知识，综合应用性强。电控类课程在整个课程体系中占有重要的地位，是培养学生工程综合素质和实践创新能力的重要载体。但传统教学模式存在以下问题[2]：1.课堂教学所占比重偏大，教学模式陈旧，教学内容与实际工程应用时有脱节;2.课程内验证/演示性实验偏多，工程背景不强、综合/设计性实验项目缺乏;3.课程群内容缺少整合与优化，学科前沿知识、新技术应用等融入课堂的力度不够;4.课程教学与学生课外科技实践结合度不高，学以致用效果有待加强;5.实验室开放程度不够，设备利用率不高，学生动手实践能力训练不充分，解决工程实际问题的能力薄弱。

江苏科技大学机电专业如何在实施“卓越计划”这一大背景下，结合机械工程师培养的通用标准、行业标准和学校标准，通过电控类课程大力度的教学改革，使学生真正具有卓越工程师所必备的工程素质和创新意识，成为专业建设中必须认真思考的问题。本文在分析机电专业电控类课程知识结构的基础上，从理论教学、实践教学、课外科技创新活动等方面阐述了一些切实可行的教学模式和教改措施，以期探索更高效的教学方法和手段，使机电专业学生具有卓越工程师所必备的工程综合素质和实践创新精神。

一、电控类课程设置

现代机械行业的发展，尤其是中国制造2025战略的提出，对机电工程人才知識结构提出了更高要求，机电专业必须构建以现代机械设计方法、先进机械制造技术和机电控制自动化技术三大主线为支撑的教学体系。江苏科技大学机电专业电控类课程主要包括“微机原理与接口技术”“机械工程测试技术”“机械控制工程基础”“机械设备电气控制”“机电传动与控制”和“数控技术”等主干课程以及“机电控制基础课程设计”“专业综合课程设计”“专业综合独立授课实验”“开放选修实验”和课外创新科技实践（第二课堂）等实验/实践性环节。

二、理论教学改革

理论教学的改革要求教师在发挥传统教学优势的同时，应积极地探索更高效、开放的教学方法与手段。“卓越计划”要求强化培养学生工程应用能力，而电控类课程教学内容较为枯燥、概念大多抽象、理解相对困难，因此必须通过多种途径对理论教学进行改革。在此以“微机原理与接口技术”为例，介绍所采取的一些措施和方法。

（一）优化教学内容

机电专业多年来一直坚持选用51单片机作为教学机型。目前，本课程已对单片机硬件结构、指令系统、程序设计、系统扩展以及各功能部件应用等内容进行了整合与优化，在学时有限的课堂上不追求面面俱到，重点把握单片机技术共性知识点，并且以应用实例剖析为教学主线，帮助学生掌握单片机基本应用技术，了解单片机系统设计方法，在软硬件两方面都具备初步的调试与维护能力。

（二）以实际应用为落脚点

受客观条件限制，单片机教学难以真正做到“即学即用”。引入proteus软件和Keil C51开发环境，使学生可随时仿效单片机及其外围电路，并结合汇编或C51程序设计，建立接近实际应用的软硬件仿真系统;补充介绍PCB设计流程，使学生了解如何将“纸上谈兵”的电路图最终做成实物，增加学生对教学内容的认可度，切实做到“学以致用”。

（三）基于校园网建设课程网络学堂

因学时数的局限，为提高教学效率，本课程构建了不受时空限制的网络自主学习平台，并增设了讨论、答疑等师生互动环节，有效拓展了课堂教学的深度和广度。目前网络学堂主要模块包括教学计划、授课内容、习题与思考、自主测试、答疑与互动、作业批阅、课程实验、综合实践、创新计划、课外科技竞赛、工程设计案例、学生作品、视野拓展等。

（四）微课教学资源的建设

微课是近年来兴起的一种辅助教学形式，它以视频为主要载体，是一种情景化的在线视频课程资源。本课程近年来加强了微视频等教学资源的建设力度，应用效果良好。如在讲解“指令执行过程”“指令执行时序”等重要知识点时，仅靠一遍课堂讲解，学生对“控制信号流、地址信息流、数据流在不同功能部件之间的传递过程”的理解大多不到位。这就要求学生在课后进行反复咀嚼才能消化，凸显了微视频等教学资源的重要性。

（五）改革课程教学模式

讲授过程中，始终坚持以“智能机器人小车”作为软硬件剖析对象，并采用案例式教学模式组织教学，努力探索讨论式、参与式、研究式等多种教学形式，在课堂教学中做到传授理论知识和培养实践能力相结合。表1为采用案例式教学模式的相关授课内容，具体要求和实施细节提前在网络学堂中向学生公布。

三、实验教学改革

实验教学是培养学生工程综合素质、动手实践能力的最重要环节。卓越计划背景下，对学生工程应用能力的培养必须作为主线贯穿于整个实验教学体系。江苏科技大学机电专业电控类课程构建了课内实验、课程设计、课外实践等一体化的实践教学体系，其中实验项目又分成演示性、验证性、设计性、综合性、开放选修等层次，以使学生综合实践能力能得到螺旋式提升。在此仅介绍在《机电专业综合独立授课实验》中，采用项目式教学方法的一些体会[3]。

项目式教学是一种基于建构主义教学理论的新模式，要求通过一个完整的项目实施来组织教学。它强调：学生是知识的主动建构者，教师是教学过程的组织/指导者。在实施早期，教师与学生充分交流技术路线，由学生确定总体方案;随着项目深入，越来越多的内容由学生独立完成，教师只须定期检查进展，并对难点问题进行指导;而在后期，学生完全成为项目实施过程中的中心，教师更多是扮演咨询师的角色;最终由学生按规范提交实验报告并答辩。

项目设计须注重：实用性：项目应具有较强工程应用价值，并与专业实践技能训练紧密结合;可行性：尽量贴近机电工程项目，须在实验室条件下模拟实际项目运行全过程;难度适中：难度过大，易导致学生望而生畏，无从下手;难度过低，达不到真刀真枪的要求;综合性：训练量充分，软硬结合，尤其强调电控类课程群知识的集成与融合。

以“智能小车的设计与实现”项目为例，其教学实施全流程为：需求分析—项目调研—总体设计—机械结构设计—电路设计—线路板设计—元器件焊接—硬件调试—软件编程—軟件调试—软硬联调—性能测试—资料归档。该项目安排在第七学期相对分散进行，学生可根据自身兴趣爱好自行组队，每团队4人，全队协作完成方案设计、系统调试和报告撰写等任务，但每个成员具体分工各有侧重，如分别负责方案选择、机械结构设计、硬件设计、软件设计、线路板制作等部分。实施过程中，教师定期进行必要的技术指导、进度协调、答疑等工作。每个团队最终提交一套实物样机，撰写技术报告，并完成现场答辩。

四、课外科技创新实践

近年来，各类大学生课外科技竞赛活动越来越丰富，如全国性的挑战杯赛、机器人大赛和省级机械创新设计大赛等，为机电专业学生课外科技创新实践提供了广阔舞台。任课教师可利用这些活动作为实践教学改革的切入点，积极探索创新型人才培养模式，既给予学生必备的科研素养训练，又充分利用实验室资源，着重培养学生的创新意识和实践能力。目前，江苏科技大学本科生创新计划是在第二课堂面向全体大三学生设立的一项课外科技创新活动，研究周期约1年。整个运行过程，教师采用CDIO教学模式指导，在此略做介绍。

CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），是在我国逐步推广的一种全新工程教育理念和实施体系。它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程[4]。该模式下，既要培养学生应用专业知识和技能解决工程实际问题的专业综合素质，又要让学生掌握集社会、科技、人文为一体的大系统适应与调控能力、团队交流能力、工程思维方法和实践创新精神[5]。

本课程群所涉项目既可由学生根据兴趣专业自行拟定，也可从教师承担的科研课题中进行提炼。表2以2017年本创项目“全向移动搬运机器人”为例，说明了CDIO教学模式在本创计划中的实施全过程。

CDIO运行模式下，在项目实施中的不同阶段，对学生能力的培养侧重点不同。在构思阶段，主要完成文献检索、整理、创新思维、概念设计;在设计阶段，主要完成工程设计、分析、计算、建模与仿真、可行性评估;在实现阶段，主要完成硬/软件设计与调试方法、工程实践技能、系统测试、项目组织管理、团队协作;在运作阶段，主要完成系统优化、表达与交流、技术报告撰写、答辩及验收。由此看出，通过一个完整项目的充分训练后，学生无疑在文献检索、工程设计、工程思维、综合实践、团队协作精神、交流沟通、书面表达等方面的能力会得到逐步强化。

“卓越计划”重视工程应用型人才培养模式改革，强调学生工程应用能力和创新意识的培养，这给机电专业电控类课程教学改革提出了新要求，任课教师必须主动面向工程应用，不断优化教学内容，改进教学方法，丰富教学手段，加强实践性环节，全方位地提高教学质量。近年来实践表明：在机电专业电控类课程教学改革中，采用“课堂讲授—课内实验—综合实践—网络学堂—本创计划”的立体化教学形式不失为一种行之有效的教学改革途径，这不仅可有效地激发学生的学习兴趣，还有利于全面提高学生的工程综合素质、实践动手能力和创新意识。

参考文献：

[1]曾玲晖，张翀，卢应梅，等.基于卓越教学视角的大学应用型人才培养模式研究[J].高等工程教育研究，2016，（1）.

[2]唐炜.基于项目驱动的单片机类课程实践教学改革[J].实验室研究与探索，2010，（5）.

[3]俞国燕，王贵，刘焕牢，等.机械类专业项目驱动式实践教学模式的探索与实践[J].中国大学教学，2014，（12）.

[4]胡文龙.基于CDIO的工科探究式教学改革研究[J].高等工程教育研究，2014，（1）.

[5]康亮，洪晓鸥，陈冠玲.CDIO教育模式在学生课外科技竞赛中的应用与探讨[J].实验室研究与探索，2012，（2）.