新工科背景下机械电子工程专业综合课程设计教学改革与探索

张征凯，温庆国，李鹏举

（西安建筑科技大学 机电工程学院，陕西西安 710055）

在这个科技飞速发展的时代，物联网技术、人工智能技术水平的不断提高，推动着新的产业变革。但是，智能制造、物联网、人工智能等领域相关人才的供给存在巨大的缺口。面对世界范围内新一轮科技革命和产业变革对工程教育提出的挑战，培养出满足新时代需要的高素质复合型新工科人才成为我国工程教育发展的重大任务。新工科建设正是对上述社会变化和需求做出的积极回应。从2017年以来，教育部一直在积极推进新工科建设，取得了一系列成果，形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”[1-5]。我国教育界正在努力探索适合本国工程教育的全新模式，以此实现教育强国的建设目标。

社会需求的变化必然推动工程教育理念的改革和转型，从而使机械电子工程专业的“综合课程设计”在教学上面临新的挑战，需要根据新工科改革的需要将教学内容和相关专业知识进行重组和优化，实现对现有课程设计教学过程的整体革新。

1 机械电子工程专业综合课程设计方面存在的不足

机械电子工程专业也被称为机电一体化专业，是机械工程与自动化的一种。该专业培养的人才需要掌握的知识涵盖基础理论知识、机械设计理论、机械制造方法以及计算机软硬件相关的应用知识。机械电子工程汇集了机械、电子、测控、自动化等领域的技术特点，打破了传统的学科分类，因而代表了未来新技术、新思想、新产业革命的变革方向。

但是，机械电子工程专业的综合性也影响了本专业学生对这个专业的理解和认知。因此，需要在机械电子工程专业的教学过程中进行一次综合课程设计，从而帮助本专业学生更好地认识和理解所学专业的内涵及外延。

综合课程设计是机械电子工程专业的核心专业课程，它结合机械结构设计、电子软硬件设计、信息技术于一体，是一门具有很强应用导向的课程，如图1所示。从日常生活到工业生产中的各种自动化设备，都可看到机电一体化系统的身影。特别是近年来随着智能设备、物联网设备的大规模应用，社会急需实践能力强、创新能力强、能进行全生命周期研发的、具有多领域知识和能力的新工科人才。

图1 机械电子工程专业的知识结构

但是，机械电子工程专业综合课程设计在教学过程中存在着不足：

（1）课程设计的内容还是停留在锻炼和考察制图、编程等基本知识的层面，这也导致课程设计的应用性与实践性不强。

（2）设计任务的制定往往主要考查学生对某方面知识的掌握程度，缺少对知识进行综合应用的锻炼。

（3）综合课程设计中与当前社会发展需求相关的内容较少，缺乏紧跟社会发展需求的相关内容。设计题目大多局限于比较传统的机电控制设备，和当前热门的技术发展趋势脱节，也难以调动学生的设计积极性。

（4）在课程设计过程中，仍然以指导教师为中心，学生仅根据设计指导手册按照步骤进行设计，因而缺乏对重要知识点的主动思考与分析。

为响应我国高等教育新工科政策的提出，顺应当前技术革命和行业变革的潮流，针对新工科人才培养需求和当前课程设计的开设情况，需要对机械电子工程专业教学内容进行深层次地评估和分析，对综合课程设计的设计题目、教学过程进行深层次的更新、整合和完善。

2 面向新工科的机械电子工程专业综合课程设计的实践内容

2.1 结合社会需求，明确教学目标

教学目标是教学工作的重中之重，是教学设计的依据[6]。因此，机械电子工程专业综合课程设计教学目标的确立应该以社会需求为指导方向，结合新工科理念，引导学生以解决生产生活中的实际问题为方向，着力培养学生分析问题解，决问题的能力。为此，本课程设计的目的如下：

（1）要求学生能够综合运用所学的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行机电结合的设计。

（2）通过机电一体化系统设计方面的设计训练，培养学生在相关领域的工程设计能力，要求学生能够进行机电一体化系统总体设计方案的分析、拟定和比较。

（3）学生通过独立或合作训练，掌握机械、控制、电路的设计、元件选型和初步设计，掌握对机电系统性能分析和优化的方法，培养学生独立分析问题、解决问题的能力，并初步建立“系统设计”的思想。

2.2 面向实际应用，选择设计题目

与传统工科相比，新工科更强调学科的实用性、交叉性与综合性，尤其注重信息通讯、电子控制、软件设计等新技术与传统工业技术的紧密结合。为此在整个机械电子工程专业综合课程设计过程中，需要明确面向新工科教育的目的，以当前机电设备智能化、网络化的应用需求为背景、以机电系统综合应用的思想为指导。在课程设计的题目上要充分体现新工科对实用性、交叉性与综合性的要求，更强调接近实际、接近生活，符合行业未来的发展方向。新工科强调多领域知识的交叉融合，因此在命题中应满足对机械电子工程专业中“机械”“电子”“控制”“测试测量”等方面知识的综合应用。在综合课程设计过程中学生需要参与机械结构的方案确定、总体结构及零部件的设计计算、控制系统的方案确定、测量电路及控制电路的设计及元件选型、测控系统软件编程、液压系统回路设计和元件选型以及机电一体化系统数学建模仿真等一系列工程设计任务。并在设计过程中锻炼自己工程图纸绘制、计算机建模仿真和程序编写能力。

综合课程设计题目通常来源于指导教师自己的科研项目，经过提炼加工形成适合学生的设计题目和任务要求，然后由学生自由选题。也可以由学生根据本人的设计能力以及兴趣自主制定题目和设计任务，并由指导教师帮助审查后敲定。

新工科对培养学生实践能力有很高要求，因此在题目分配给学生前，先编订好设计任务书，模拟实际机电设备设计项目的任务交代情况。这样由任务目标来驱动学生的设计行为，引导学生的设计实践。

2.3 注重过程管理，强化创新能力提高

机械电子工程专业的综合课程设计需要学生们从实际出发，通过资料检索、方案筛选比较、可行性分析、设计校核计算、编程制图、样机调试等环节，最终得到满足任务要求的理想设计方案。因此，综合课程设计的评价体系与传统理论课程的评价体系不同，对设计过程更为重视，更加强调以“学生为中心”来推动设计的进行。

为了满足新工科对培养学生实践能力的要求，课程设计的教学过程应该尽可能模拟实际机电产品研发的工作流程，以此培养学生的工程意识。为了引导学生和启发学生的实际动手能力，让学生亲手制作或通过仿真方法演示自己的设计作品，以此激发学生的参与兴趣。为了更好地模仿实际的设计工作流程，设计了综合课程设计的开展流程，如图2所示。

图2 机械电子工程专业综合课程设计流程图

指导教师应注意引领学生，对设计过程进行有效的控制，应该在设计流程的每个阶段向学生讲解该阶段的工作内容和要求。学生按照自己所选的设计题目，根据该阶段的设计要求，进行任务分解、资料查询、讨论交流等设计过程所需的各项工作。通过这种模仿实际设计工作的过程，锻炼学生分析问题和解决问题的能力。

为了能够掌握学生在设计过程中的状态，指导教师应在每个设计阶段组织学生进行阶段成果的汇报，以及学生之间的自评与互评活动，及时对学生设计过程中遇到的问题进行答疑、纠错和引导。

新工科要求培养具有创新能力的人才，指导教师应在指导过程中鼓励和启发学生创造性地解决遇到的技术问题，对学生的创新思维给予正面评价。通过激发学生的设计热情，增进学生创新的动力，同时也帮助学生及时了解自己设计水平，帮助他们有效掌控自己的学习过程[7]。

2.4 反馈设计问题，落实教学效果

新工科要求教学中要充分利用虚拟仿真等技术创新工程实践教学方式。为了学生能够直观地了解设计作品中存在的问题。综合课程设计结束时，学生除了完成并上交设计报告和相应的工程设计图纸外，还应进行基于仿真软件或实物模型的功能演示，力图使设计结果可视化和直观化。指导教师应当场对仿真作品或实物模型进行分析和点评，指出设计作品的优缺点和设计中存在的问题，帮助学生分析如何改进。这样可以让学生通过问题的反馈直观地了解到自己设计中存在的不足，同时让设计工作中潜在的问题得到更为直观的表达，提高了教学内容的可理解性和可操作性。确保了最终教学效果的提高。

以往的综合课程设计没有将设计过程中学生的设计创新性、设计难度以及表达能力作为评价内容。因此，需要构建综合评价体系，以真正评估学生的设计能力。因此，机械电子工程专业综合课程设计的评价体系采用过程和结果并重的评价方式。最终成绩由以下三个部分组成：

（1）设计过程（30%），这部分成绩主要来源于学生在设计过程的态度、能力以及阶段性汇报时学生的表现情况。

（2）最终答辩（20%），这部分成绩来源于学生在最终答辩中所表现出的对设计任务所涉及的设计背景、工程知识、设计思路及设计方法的掌握情况，以及对教师的提问的反应情况和答辩中语言的流畅性、逻辑性。

（3）设计报告（50%），这部分成绩主要根据学生设计报告的撰写结构、图表规范性、文字准确性和设计内容的创新性等方面来综合进行评价。

3 结语

创新能力和实践能力是新工科对未来人才的基本要求。机电设备综合设计能力是机械电子工程专业培养人才的重要核心，也体现了新工科人才培养的目标。将机械电子工程综合课程设计作为创新和实践能力的载体，通过综合课程设计将前期所学到的机械、电子、控制、测试测量等方面的知识进行综合应用，并以自动化设备、物联网、人工智能为应用背景，为课程设计增加了时代性的内容。通过更接近社会需求的选题设计、鼓励创新思维的过程管理以及更为直观的评价方法，提升学生的工程实践能力，也为后续的毕业设计等教学过程奠定了牢固的基础。