以工程创新能力为导向的“机电一体化”课程教学模式探索*

李炳初 ，杨丽红 ，孙福佳

（上海理工大学机械学院，上海 200240）

机电一体化是机械、电气、电子、控制等多学科交叉的前沿领域，其目的是通过整合多学科知识，设计、制造和控制集成的机电产品或系统[1]。机电一体化是智能制造的重要支撑技术，机电一体化领域的创新能力是促进行业发展的重要驱动力，对于实现制造业数字化、网络化、智能化和可持续化具有重要意义[2]。随着我国制造业水平的提升，对机电领域综合型创新人才提出了更迫切的要求，除了扎实的专业基础之外，综合型创新人才还应具备技术、产品、管理等多方面的创新能力，其培养难度更大[3]。

作为机械电子工程重要专业基础，“机电一体化”课程的目标是培养具备多学科综合素质且能够胜任机电一体化产品设计、制造和控制工作的人才。面对综合创新人才的培养目标，“机电一体化”课程教学需要进一步改进提升。目前，“机电一体化”课程教学采取理论教学为主，实践教学为辅的教学模式，且理论教学与实践教学并未针对性融合[4]。针对该问题，课题组结合机械电子工程学科特点和新教学理念，从理论教学、实践教学、工程教学三个方面分析“机电一体化”课程的教学模式，探讨新教学理念与教学技术。

1 理论教学

理论教学是机电一体化专业教育的重要组成部分，主要目的是让学生了解机电一体化的基本概念、原理、方法和应用，掌握机电一体化领域的基础知识和理论技能[5]。主要包括以下方面。

1）机电一体化概念和发展历程：介绍机电一体化的基本概念、发展历程和现状，让学生了解机电一体化的重要性和发展趋势。

2）机电系统的基本原理：介绍机械、电子和控制等学科的基本原理和方法，掌握机械、电子和控制等学科的基础知识和理论技能，为后续的机电一体化系统设计和控制打下基础。其中基础知识框架应涵盖：机械基础，包括机械结构、机械设计、机械加工、机械原理等，主要是为了理解机械工程在机电一体化中的重要性和作用；电子基础，包括电路原理、电子元器件、电子技术、数字电路、模拟电路等，主要是为了理解电子工程在机电一体化中的重要性和作用；自动控制基础，包括自动控制原理、控制系统、传感器、执行机构等，主要是为了理解控制技术在机电一体化中的应用和作用；计算机基础，包括计算机原理、编程语言、算法、数据库、网络等，主要是为了理解计算机技术在机电一体化中的应用和作用。

3）机电元器件和传感器：介绍机电元器件和传感器的种类、原理和应用，让学生了解各种机电元器件和传感器的基本功能和应用范围。

4）机电系统设计：介绍机电系统的设计原理和方法，掌握机电系统设计的基本技能，包括机电系统结构设计、机电元器件的选择和搭配、机电系统性能测试等。

5）机电控制技术：介绍机电控制技术的基本原理和方法，掌握机电控制技术的基础知识和理论技能，包括机电控制系统的建模、控制器的设计和调试等。

在机电一体化理论教学中，教师需要结合具体的案例和实践，加强学生理论与实践的结合，提高学生的实际应用能力和创新能力，为学生将来从事机电一体化产品的设计、制造和控制等工作做好充分的准备。

2 实践教学

机械电子工程的实践教学是培养学生实际应用能力的重要途径，实践教学主要包括课程实验、操作实训等形式。实践教学的目标是通过实验操作，让学生掌握理论知识并培养实际操作能力[6]。实践教学主要内容包括以下方面。

1）机电元器件实验：通过机电元器件实验让学生了解各种机电元器件的结构、性能和应用，掌握机电元器件的实际使用方法和注意事项。

2）机电系统设计实验：通过机电系统设计实验让学生了解机电系统的设计原理和方法，掌握机电系统的设计技能，包括机电系统结构设计、机电元器件的选择和搭配、机电系统性能测试等。

3）机电控制实验：通过机电控制实验让学生了解机电控制技术的基本原理和方法，掌握机电控制技术的实际应用，包括机电控制系统的建模、控制器的设计和调试等。

4）机电产品制造实验：通过机电产品制造实验让学生了解机电产品的制造流程和技术要求，掌握机电产品的制造技能，包括机械加工、电气装配、产品测试等。

实践教学需要配置较好的软硬件支撑条件。硬件应配备一些常见的机电一体化教学设备，如电动机实验台、传感器实验装置、机器人实验装置、数字化智能控制实验装置、电子实验、机械加工设备、焊接实验设备等。软件可以使用计算机软件和仿真技术来支持机电一体化教学，如MATLAB、SolidWorks、AutoCAD 等，这些软件可以用来演示机械结构的设计、分析、仿真等，让学生更好地理解机电一体化的理论和实践。

3 工程教学

3.1 工程案例教学

机电一体化涉及机械、电子、控制等多学科的交叉，学生往往难以理解各学科的联系，更难以将所学理论知识应用于实际工程中。而工程案例教学正是为了解决这一问题而设计的，基于真实的工程案例，以工程问题为导向的教学模式，旨在帮助学生将理论知识应用于实际工程中，并提高解决实际工程问题的能力和水平[7]。

工程案例教学是一种非常实用和有效的教学方法，可以帮助学生更好地理解工程实践中的问题和解决方案，提高他们的实践能力和解决问题的能力。将真实的工程案例引入课堂，学生可以通过分析和解决工程问题来学习相关的理论知识。这样的教学方式不仅可以提高学生的学习兴趣和主动性，更可以培养学生解决实际工程问题的能力。工程案例教学需要注意以下要点。

1）选取适当的案例：在进行工程案例教学时，需要选取符合学生学习层次和兴趣爱好的案例，使学生更容易理解和接受。

2）建立问题意识：在介绍案例的过程中，可以引导学生发现问题，培养他们的问题意识。通过问题引导，可以帮助学生更好地理解案例中的问题和难点。

3）引导分析解决方案：通过引导学生分析案例中的问题，帮助他们理解解决问题的思路和方法。在引导分析过程中，可以采用多种分析方法，如系统分析、决策树分析、故障分析等。

工程案例教学可采取交互式教学方法，教师可以设置一些问题或思考点，引导学生通过小组讨论、角色扮演、模拟演练等方式进行互动和合作，也可以指导学生查阅相关资料和进行实验，帮助他们更好地理解工程问题和解决方法，提高学生的参与度和学习效果；在工程案例教学的过程中，还可以引导学生总结和反思所学内容，帮助他们进一步深化理解和应用所学知识。

3.2 工程项目教学

工程项目教学是一种非常实用和有效的教学方法，可以帮助学生更好地了解工程实践中的问题和解决方案，培养他们的实践能力和团队合作能力。工程项目教学可以以实习实训、科研课程、学科竞赛指导等形式开展。其中，实习实训的目标是让学生在实际工程项目中实践应用所学知识，加深对工程实践的认识和理解。实习实训可以在企业、研究所、大学实验室等实际工程环境中进行，让学生了解实际工程项目的组织和管理方式，熟悉工程实践中的工具和流程。在工程项目教学中，教师应注意以下方面。

1）设定明确的目标：明确项目的目标和要求可使学生更清楚地知道项目的意义和目的，激发学生的学习兴趣。

2）组织合适的团队：工程项目往往需要多人协同，合理组织学生团队是重要环节，使每个学生能够发挥自己的特长，同时要注重团队的协作和沟通能力。

3）设计详细的计划：制定详细的项目计划，包括项目的时间、进度、任务分工等，使学生能够清晰地了解项目的安排和要求，同时能够合理分配时间和任务。

4）引导学生进行实践操作：让学生亲身体验从问题提出到解决方案构思再到解决方案执行的完整过程，掌握解决问题的方法和技巧。

在工厂项目教学中，需要为学生提供必要的资源支持，包括实验设备、工具、技术指导等，以便学生能够顺利完成项目任务。同时，引导学生进行总结和反思，帮助他们进一步深化理解和应用所学知识，并在项目实践中发现和解决问题。课程项目还应注意合理选题，从多方面衡量项目任务。

1）实践意义：能够解决实际问题，对工业生产、自动化控制等领域有一定的应用价值。

2）创新性：对现有问题的准确凝练与挖掘。

3）学生兴趣和能力：题目范围应较为广泛，兼顾多数同学的研究兴趣和能力。

4 创新能力培养

创新能力培养是教学的重要目标，也是极具挑战的目标。培养创新能力，除了灵活掌握专业知识外，还需要开阔的视野和先进的思维方法[8]。在视野方面，需要深入了解机械电子工程领域的前沿技术，通过学术会议、研讨会、交流讲座等方式拓展视野，掌握行业内的最新发展动态和趋势，了解国内外先进技术和应用案例；在思维方法方面，学会多方位思考问题，发展多元化的思维方式，从不同的角度、层面、维度看待同一个问题，具有跨界思维和创新思维。另外，需要多元化学习，除学习机械电子工程领域的知识，还需要了解其他学科领域的知识，如材料、物理、数学、化学等，这样可以促进知识的交叉融合，从而产生更多的创新想法。

在创新能力培养上，参与科研项目是一种重要的形式，应通过项目课程、科研助理等方式，鼓励并组织本科阶段的同学参加科研项目。通过参与科研项目，本科生可以了解科研的基本流程和方法，增强科研意识和科研能力。此外，在科研过程中需要主动思考问题，积极探索答案，从而锻炼批判性思维和解决问题的能力。参与科研项目需要进行大量实践工作，如实验设计、数据采集和分析等，这些实践活动能够增强本科生的实践能力，提高其实验技能和数据分析能力。本科生参与科研项目需要与导师和其他团队成员进行良好的沟通和协作，参加研讨会和学术会议，这些活动能够提高本科生的团队协作和人际交往能力以及语言表达和组织能力。参与科研项目还可有效拓展本科生的视野，使其了解业界技术发展脉络，提升其对技术发展趋势的把握能力。

5 新教学技术的运用

5.1 翻转课堂

翻转课堂是一种新型的教学模式，它把学生在课堂内听讲、做练习的时间转移到了家庭或其他场所，在课堂上由教师和学生共同进行互动、探究和讨论[9]。“机电一体化”是一门实践性很强的课程，需要学生不断地实践和探究，而传统的课堂教学往往无法满足这种需求。通过翻转课堂的方式，学生可以在家里预习相关的机电一体化知识和技能，这样可以让学生更加深入地了解机电一体化的理论和实践，为后续的实验和探究打下坚实的基础。在课堂上，教师可以组织学生进行小组讨论、问题解答和实验探究等活动，通过互动方式传递设计思路及创新意识，使学生更生动地理解和掌握机电一体化技术。此外，翻转课堂还可以提高学生的自主学习能力和创新能力，让学生更加主动地参与到学习过程中，提高学生的学习积极性和主动性。

5.2 元宇宙

元宇宙属于虚拟教学类技术，是指利用虚拟现实技术和在线教育平台，为学生提供沉浸式的教学体验[10]。“机电一体化”课程教学和元宇宙相结合，可以让学生在虚拟世界中进行更加丰富、生动的机电学科学习和实践。例如，在元宇宙中，学生可以进行机械结构的设计、电路的搭建、自动化系统的编程等实际操作，进行实时互动和合作。通过虚拟现实技术，学生可以更加直观地了解各种机电设备的工作原理和运行过程，提高学生的实践能力和创新能力。另外，元宇宙技术可以为学生提供更加广阔的机电学科学习和研究的空间，学生可以在虚拟世界中进行各种创造性的实验和探索，挑战一些难度较高的实验和解决方案。这不仅可提高学生的综合能力和创新能力，同时也可为机电学科的发展和进步提供更多的思路和可能性。

6 结论

课题组结合机械电子工程学科特点和新教学理念，从理论教学、实践教学、工程教学三个方面分析“机电一体化”课程的教学模式，研究创新能力培养的切入点与实施方法，探讨翻转课堂等新教学模式、元宇宙等新教学技术在“机电一体化”课程教学中的应用。