新工科与智能制造背景下的机电一体化系统设计实践教学新模式探讨

谭海艳，江卓达，李清香，彭晓玲

（九江学院机械与智能制造学院，江西九江 332005）

2017年2月，教育部提出推进“新工科”建设，“新工科”是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、人才培养新模式的背景下提出的，是未来我国高等教育发展的新思维、新方式、新举措[1-3]。机械制造及自动化专业跨越机械、信息、材料和控制等学科，具有明显的交叉特征，自然为新工科领域改革的主流专业。而《机电一体化系统设计》是机械专业一门很重要的专业综合课程，它重点培养机电系统方面的基本理论、方法和应用的能力，是一门综合性很强的课程。

智能制造是先进制造技术和新一代信息技术的深度融合[4,5]。《中国制造2025》从国家战略层面提出了智能制造的发展目标，其关键在于：面对新形势、新要求，培养能够突破智能制造关键技术的高层次人才、能够开发和改进智能制造技术的专业人才、爱岗敬业和技术精湛的高技能人才，国内高校迫切需要结合产业需求，深化教学改革。在人才培养方面，探索新工科+智能制造模式背景下的人才培养新模式，其中关键环节就是相关核心课程的教学改革和创新。

然而，传统的《机电一体化系统设计》实践教学所选项目往往陈旧或与现实脱节，越来越显现出诸多弊端。传统的机电一体化系统设计实践教学依附于理论课程的教学体系，这种实践教学方法存在如下问题：（1）实践课程仅仅是对理论知识的简单验证。（2）实验内容重复，完整性不足。（3）实验内容陈旧，不能很好地体现出现代科技发展水平。（4）缺乏对学生的综合能力和创新能力的培养。（5）在实践教学过程中，缺少对学生思想和行动进行引导，让学生增强使命感，更好地服务于社会主义发展的环节。

一、明确实践课程目标

《机电一体化系统设计》作为一门独立开设的课程开设于第7学期，64学时，其中实践课程有32学时，开设的目的是将《单片机原理及应用》《机电传动控制》《液压与气动传动》《工程控制基础》《电气控制与PLC》《传感检测技术》等前期学习的课程知识融会贯通，并借助具体的实验对象，构建现代机械系统的整体概念，培养学生理论联系实际的能力，增强学生动手实践能力和独立思考能力，锻炼学生团队合作能力，最终让学生能够解决复杂的工程问题。

针对这种综合多门课程且有工程应用背景的实践课程，如何学习理论知识，培养学生对机电一体化系统的分析设计能力、具备对现代机电产品的创新能力，是教师和学生在教学过程中面临的主要问题[6，7]。本文以《机电一体化系统设计》实践课程为研究对象，就如何加强实践课程建设，以及新工科人才培养问题的探索，对实践课程的教学内容、教学方法和教学模式进行改革。

二、实践课程内容调整

根据我院目前所开设的机械设计及自动化专业教育的实际情况，淘汰滞后的内容，按照学生的认知规律，科学合理地设置课程项目；结合国内外本学科最先进的成果，将新技术、新知识、新成果纳入实践课程的教学，这要求教师与时俱进，不断掌握新技术、新知识再传授给学生；推动多学科交叉融合，增加“跨学科”项目等，强调专业课程的广度。新工科不仅要求教师不断更新自己储存的知识，还要充分发挥学生的自主性，调动学生的积极性，师生互动提高教与学的质量。积极探讨产教研融合、成果导向以及混合式等多种教学模式的运用。打破传统的实践实验演示教学模式，建立不同层次的实验项目，加强项目开发，提高学生的实践能力。以倡导学生自主性学习为目的，精选实验内容，将实践课程优化整合为专业基础实验、综合设计实验、开放性实验三个层次，根据这三个层次，重新组建实验项目，制定新的实践教学计划和大纲。

三、实践课程改革策略

机电一体化系统设计是微电子学和计算机技术渗透到机械工业的过程中形成和发展起来的一门综合学科，这门技术的应用不仅改善和扩展了机电产品的性能，也使机械行业在技术和结构方面，生产方式和管理制度等发生了很大变化，提高了制造设备的工作质量。学习本课程对于培养学生综合应用基础和专业知识，掌握以系统论、信息论和控制论为核心的机电一体化系统的设计基本原理和方法，掌握机电一体化技术的关键技术有着重要意义。结合本实践课程特点和学生课程学习紧凑的特点，我们借鉴翻转教学思想，教学模式图见图1。提出课前预习，课中教学探究，课后合作完成小项目的教学模式及过程。构建了层次化实践教学的方案，主要分为专业基础实验、综合设计实验、开放性工程创新实验三个层次。

图1 翻转式课堂教学模式图

（一）翻转教学模式及过程

首先，课前预习，以自学为主。分为：复习课本相关知识或上节课的知识点→输入新知→新旧知识冲突→初步理解实践课程等四个环节，巩固学生的基础知识。具体实施方案为：教师设计课前学习资料，通过网络学习平台将相关实践内容和实践要求等资料发给同学们学习，复习理论知识，激发学生的学习动机；学生观看实践教学视频，获得新知识，对比新知识和已有知识，找到切入点、平衡点和关联点；在网络学习平台上，学生和学生之间、学生和老师之间可以交流学习所遇到的问题和想法，在交流中克服认知障碍，获得新认知；课前进行检测，及时反馈学生课前学习情况，教师实时掌握学生的学习情况。

其次，课中教学探究。课堂上，每个班级分成若干个学习小组，以探究和协作为主。课中的具体任务是：教师根据课前检测和本节课的具体实践内容，选择针对性的问题和课程核心知识点进行讲解；引导学生将所学的内容与实际问题联系起来，激发学生的求知欲，主动去探究，学生之间互相探讨，达成对课程的问题理解；不同学生有不同的认知结构，用不同的思维方式共同构思每节课的小项目方案，让学生在群体讨论和认知中形成新的智慧，完成项目最终方案的确定；小组成员分工合作，将设计方案转变为实际作品，在完成作品过程中，教师随堂指导，学生不断克服困难，将知识转化为解决实际问题的能力。

最后，课后合作完成小项目。各小组将完成的作品提交到网络平台，展示成品，分享创作过程，总结经验教训，同时开展互评，提取容易接受的显性知识，提出优化方案；各小组对作品进行完善，教师评价作品，进行总结补充知识点。

通过课前预习和测试，课中探究学习和分工合作、课后评估总结的翻转教学模式，体现了深度学习的素养领域：认知领域、自我领域和人际领域。课前预习和测验，让学生了解即将学习的知识，能够唤醒学生的学习激情，能够反馈课前预习情况。课堂上对项目进行探究学习，然后分工协作，完成实际作品，将知识和实践能力统一，这是翻转教学模式的核心，学生在发现问题、解决问题的过程中，实现知识迁移，提高应用所学知识解决实际问题的能力，同时，学生能够得到良好的成就感。课后作品展示和互评，能够升华所学知识，不断完善作品，总结知识点为后期的教与学提供参考。该教学过程融合线上预习、评价与线下实践探究，采用网络平台视频教学、课堂探究及协作和互评等方式完成该课程的实践教学。

图2 机电一体化系统设计实践课程建设方案

（二）层次化实践教学方案

第一层次为专业基础实验。此层次主要包含液压与气动传动、电气控制与PLC、机电传动控制、传感检测技术等基础理论课程的实验实践。以演示性和验证性实验为主。主要是对学生机电一体化产品的基本知识和基本实践能力的培养。

专业基础实验方案采用机电一体化物理模型，我校实验室已经购买某公司开发的材料分拣和机械手物理模型。该模型包括机电一体化的五大组成部分：机械本体部分为系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、滑杆和连接等；执行部分有同步带传动、滚珠丝杠传动、气缸、电磁阀和气动三联件等；控制及信息处理部分有可编程控制器PLC；传感检测部分有光电码盘，电感传感器、电容传感器、颜色传感器和限位开关等；动力驱动部分有步进电机及步进电机驱动器、直流稳压电源和直流电机及电机驱动模块等。利用该系列物理实验模型，可满足液压与气动传动、电气控制与PLC、机电传动控制、传感检测技术等课程实验需求，加强学生对机电一体化系统的理解和认知。

第二层次为综合设计实验。该层次的实验教学我们采用自动生产线实训装置，该实训装置主要对学生进行综合设计能力的培养，让学生自己根据综合实训平台设计实验内容，培养学生机电一体化技术综合运用的能力和素质。该综合实训平台面向综合类课程《机电一体化系统设计》，给学生提供综合设计实验平台。

该实训装置采用单元模块化方式设计，由辊道上料单元、加工冲压单元、搬运装配单元、双工位上料单元和堆垛搬运单元五大模块组成。该装置采用型材结构，其上安装有触摸屏、井式供料、冲压加工、多工位上料、气动机械手搬运、皮带传送等工作站及相应的电源模块、按钮模块、PLC模块、变频器及交流电机模块、步进电机驱动模块、伺服电机驱动模块和各种工业传感器等控制检测单元。自动生产线的工作流程为：黑、白色大工件安放在井式工件架中，设备启动后，大工件进入辊道上料单元，通过传送带传送到自动摆台，并完成视觉传感器识别；通过搬运机械手将大工件搬运到加工冲压单元的加工台上进行冲压加工，冲压完成后，工作台移到初始位置等待装配；双工位井式上料单元的推料气缸推出小工件；搬运装配单元吸盘机械手吸取小工件，搬运到带装配的大工件处进行装配；完成装配后，堆垛搬运单元的机械手将装配好的工件放置到仓库。通过自动生产线实验平台的各个模块和PLC工业网络通信技术实现系统联动，真实再现工业自动生产线中的供料、检测、搬运、冲压加工、装配、输送、分拣过程。

在该实验平台上，学生以组为单位进行实验方案设计，完成实验内容包括气动控制回路安装与调试、电气控制电路的安装和PLC程序编写和PLC工业通信网络的安装及调试等。在该实训装置上，可以充分锻炼学生的自动生产线拆装、调试、设计和工程实施能力以及团队协作能力和安全意识，是解决机电一体化设备实际工程问题的基础。

第三层次为开放性创新实验，主要完成对学生创新能力的培养。该层次实验主要以本校学生参加创新大赛的作品为实验对象，通过让学生参与产品构思、设计、实施到运行全过程，培养学生创新能力和解决机电一体化产品领域复杂工程问题的能力，以便走向社会就业后能尽快适应社会需求。

基于新工科和智能制造背景下的机电一体化系统设计的创新训练实践。开放性创新实验这一层次，对学生能力的培养提出了更高的要求，不仅要求学生对本学科知识的熟练运用，更注重学生在设计产品时所表现的创新精神和创新能力。我们提出了以本校学生参加创新大赛的作品为实践项目的设想，学生3-4人组成创新项目小组，提供必要的设计工具、元器件和场地。以我校获得全国大学生机械创新设计大赛一等奖作品智慧摇臂式避雨晾衣架为例，进行开放性创新实验项目设计。通过构思阶段、设计阶段和实施阶段，完成开放性实验项目。

（三）立德树人与专业实践结合

工程教育的关键是对人才的培养。因此，在教学改革中，必须培养学生正确的人生观，价值观[8]。引导学生养成认真负责的工作态度，增强学生的责任担当，有大局意识和核心意识。培养学生善于钻研、不畏困难的工匠精神。只有具有工匠精神，学生才会热爱自己的职业，才能更好地做好本职工作，发挥出最大的创造力。在教学的过程中，通过播放《我和我的祖国》等视频的片段，展现国家的成就以及大国工匠精神，以此增强学生的民族自豪感与文化认同感。

四、结束语

新工科和智能制造背景下，要求高校以新理念、新模式培养具有可持续竞争力的创新型卓越工程人才。而传统的实践课程教学内容和方法，多数以知识传授和专业能力培养为主，学生缺少各种创作机会，学生的主观能动性和创新性不能充分发挥。为满足对高校“新工科”人才培养的迫切要求，本文根据目前机械制造及自动化专业方向和学生的实际情况，提出采用翻转教学模式对该实践课程进行改革，并对目前的实践课程内容进行调整，增加开放性创新实践项目，让学生在实践中拓宽视野，增长能力，具有一定的分析、研究、解决问题的能力。除此之外，还要确立“立德树人”的人才观，培养德才兼备、勇于担当的建设者。今后工作中，我们要不断改革实践，探索新工科和智能制造背景下的高校实践课程教学新模式，构建具有可持续竞争力的实践教学体系，培养符合未来经济与社会发展需求的新型技能型人才和新工科创新人才。