“機電一體化系統(tǒng)”課程教學(xué)改革探討＊

彭精立，沈 楊，李 星，李淑梅，姚婷梅

（廈門工學(xué)院柔性制造裝備集成福建省高校重點實驗室，福建 廈門 361021）

機電一體化是多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程[1]?！皺C電一體化系統(tǒng)”課程是多學(xué)科交叉、滲透的綜合性課程，是機械電子工程專業(yè)課程的重要組成部分，對學(xué)生系統(tǒng)性掌握“機電一體化系統(tǒng)”中各單元選型和設(shè)計能力、動手能力及創(chuàng)新能力具有重要作用。為達到學(xué)生綜合運用機電一體化知識解決實際工程問題的培養(yǎng)目標(biāo)，這門多學(xué)科交叉融合、知識點多且廣的課程，部分內(nèi)容需要先修課程為基礎(chǔ)。不同學(xué)生基礎(chǔ)知識水平各不相同，學(xué)習(xí)難度較大，單純的傳統(tǒng)講授教學(xué)方式不能適應(yīng)“機電一體化系統(tǒng)”這樣綜合性強的課程。本文針對教學(xué)過程中存在的問題，提出教學(xué)方式、方法的改革思路。

1 存在問題

通過調(diào)查問卷及座談等方式發(fā)現(xiàn)，“機電一體化系統(tǒng)”課程在教與學(xué)的過程中存在以下主要問題。

1）課程教學(xué)知識點多且不連貫，存在跳躍性，學(xué)生很難形成框架邏輯，缺少系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)和思考；

2）各章節(jié)知識中穿插部分已經(jīng)學(xué)過的基礎(chǔ)知識，講授已經(jīng)學(xué)過的基礎(chǔ)知識占用部分課時，并對學(xué)生產(chǎn)生一定困擾——即本門課程已經(jīng)學(xué)過重復(fù)學(xué)習(xí)的意義在哪里；

3）綜合性課程需要先修知識為基礎(chǔ)，講授時直接略過先修知識點，學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握程度參差不齊使得新舊課程銜接不順暢增加學(xué)習(xí)難度；

4）講授過程中理論與實際結(jié)合環(huán)節(jié)較少，抽象的知識點學(xué)生難理解，導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，不能將新學(xué)習(xí)的知識加以應(yīng)用及深度掌握；

5）學(xué)生不能靶向復(fù)習(xí)先修知識，對先修知識普遍復(fù)習(xí)，耗時且低效，新舊知識銜接不上，心有余而力不足，最終放棄課程；

6）學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)意識淡薄，講課進度快，出現(xiàn)斷層，不及時補救，時間一久容易破罐子破摔。

基于以上問題，目前單純依靠課堂講授方式難以造就適應(yīng)時代快速發(fā)展需要的應(yīng)用型人才，需要對綜合性較強的“機電一體化系統(tǒng)”課程提出改革。

2 教學(xué)內(nèi)容確定

“機電一體化系統(tǒng)”課程將機電專業(yè)大部分專業(yè)課和基礎(chǔ)課內(nèi)容綜合在一起，在此基礎(chǔ)上對機電一體化系統(tǒng)進行選型、設(shè)計及解決實際問題等。但授課過程中教師如若不能把握機電專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及先修課程的主要內(nèi)容，很容易出現(xiàn)“炒剩飯”，占用課時問題。為此梳理先修課程與本課程關(guān)系及相關(guān)內(nèi)容重復(fù)性和連續(xù)性變得尤為重要。圖1 為授課內(nèi)容與先修課程的關(guān)系，圖中“●”表示已學(xué)課程與本門課的授課內(nèi)容聯(lián)系密切，“○”表示先修課程與本門課授課內(nèi)容有關(guān)但聯(lián)系并不緊密。

圖1 授課內(nèi)容與先修課程的關(guān)系

在圖1 中可以看出先修知識是學(xué)好機電一體化系統(tǒng)課程的先決條件，占有非常重要的地位。為避免知識重現(xiàn)占用課時，在重視先修課程的同時，督促學(xué)生課前完成先修課程知識點回顧的問題同等重要。針對碎片化的先修知識點，需要在課前短時間內(nèi)突出主要內(nèi)容呈現(xiàn)給學(xué)生的問題，輔助教學(xué)方式——“微課”是一個很不錯的選擇[2]。將與先修課程重復(fù)且內(nèi)容關(guān)聯(lián)性強的知識點以“微課”的形式呈現(xiàn)，學(xué)生課前學(xué)習(xí)后再與新知識銜接比較順暢。同時學(xué)生逐漸意識到“磨刀不誤砍柴工”，課前短時間的回顧先修知識，自己能夠跟上課上教師的講課節(jié)奏，慢慢增加學(xué)生自信心和學(xué)習(xí)主動性。結(jié)合課上教師講授，以啟發(fā)性、情感性、形象性、互動性為原則，控制教學(xué)進度，高效、系統(tǒng)化地傳授知識。如此“微課”+講授法教學(xué)模式既能夠培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，又可以充分發(fā)揮教師職能，在有限的時間內(nèi)提高教學(xué)質(zhì)量。

節(jié)省的課上時間可以增加新型元器件及當(dāng)代企業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品的相關(guān)內(nèi)容，例如學(xué)生實習(xí)時參觀的五軸數(shù)控石材雕刻機、學(xué)生無人機興趣小組的無人機、金工實習(xí)時操作過的3D 打印機及機器人視覺傳感器等內(nèi)容，貼近生活緊跟時代發(fā)展，與時俱進。做到在有限的教學(xué)學(xué)時中，確定授課內(nèi)容輕重關(guān)系，精煉課堂講授內(nèi)容，避免出現(xiàn)不分主次、避重就輕現(xiàn)象，使學(xué)生明確本門課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，不迷失方向。

3 教學(xué)方式改革

適合的教學(xué)方式能夠有效的向?qū)W生傳授知識。為培養(yǎng)具有較強動手能力、解決實際問題能力和創(chuàng)新能力的人才，在明確教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出適合綜合性課程教學(xué)方式改革的舉措，具體為以下幾點。

3.1 實施“總分總”授課方式增強學(xué)生系統(tǒng)性設(shè)計思想

機電一體化并不是機械技術(shù)和電子技術(shù)的簡單疊加，而是具有自身體系的新型學(xué)科。因此，授課時首先是收集大量機電一體化產(chǎn)品實例，通過視頻方式展現(xiàn)給學(xué)生，通過不同產(chǎn)品具有大致相同的組成部分來引出機電一體化系統(tǒng)的主要組成部分，使學(xué)生從整體上形成一個系統(tǒng)的框架，對機電一體化產(chǎn)品各組成部分有一個宏觀認(rèn)識，并且增強學(xué)生好奇心，促使提高學(xué)習(xí)興趣。其次課程以某一項目為導(dǎo)向（例如數(shù)控機床設(shè)計實例），每一章節(jié)應(yīng)用舉例都圍繞一個產(chǎn)品的設(shè)計對機械本體、伺服系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)及各要素和環(huán)節(jié)之間相互聯(lián)系的接口部分進行詳細講解。最后以機電一體化產(chǎn)品設(shè)計實例的設(shè)計過程收尾。以這種“總分總”的方式增強學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計的思想，更好理解機電一體化概念，為以后進行機電一體化產(chǎn)品設(shè)計做鋪墊。

3.2 培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

興趣是推動人認(rèn)識事物、探索真理的重要動機，良好的興趣是推動人努力學(xué)習(xí)的有效途徑。首先，在機電一體化產(chǎn)品舉例中，多以身邊的機電一體化產(chǎn)品為例，講述主要組成部分及功能如何實現(xiàn)，使學(xué)生能夠在遇見此款產(chǎn)品時映射出上課所學(xué)知識，先對“機電一體化系統(tǒng)”課程產(chǎn)生初步印象，從而培養(yǎng)對本課程的興趣。例如，以全自動洗衣機為例，講解其檢測衣物重量、水位等的傳感器部分、行星輪減速器離合器等執(zhí)行部分、模糊控制部分及能源部分的功能實現(xiàn)原理，通過接口連接各組成部分從而完成自動洗衣功能。在學(xué)生使用全自動洗衣機時就能將所學(xué)內(nèi)容映射出來，鞏固和理解所學(xué)知識。其次，在階段性內(nèi)容結(jié)束后以短視頻等形式增加前沿專業(yè)期刊的推薦，增加機電學(xué)習(xí)意識，耳濡目染，增加學(xué)習(xí)興趣，開闊眼界。

3.3 培養(yǎng)課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)習(xí)慣

本門課程特點是“時間緊任務(wù)重”，課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)顯得尤為重要。因此，以問題的形式概括新知識的要點引導(dǎo)學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。在課前把本節(jié)課新學(xué)知識以問題的形式進行梳理，并明確本節(jié)課的重難點內(nèi)容，發(fā)送至學(xué)生，使學(xué)生能夠輕松接受新學(xué)知識。課后學(xué)生可以利用這些問題判斷自己是否掌握所學(xué)知識點，視各自情況進行查漏補缺，及時解決遇到的問題，進而找到自信并增強課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)的主動性。例如，伺服與驅(qū)動章節(jié)中講授伺服執(zhí)行元件交流伺服電動機內(nèi)容時，課前將需要講授的主要內(nèi)容如直流伺服電動機的分類、調(diào)速方法和選擇方法、重難點，直流伺服電動機的調(diào)速及選擇的內(nèi)容通過學(xué)習(xí)通發(fā)送給學(xué)生，以供學(xué)生有針對性的進行課前預(yù)習(xí)，課后再根據(jù)講授的主要內(nèi)容和重難點知識來檢驗自己學(xué)習(xí)情況，及時消化吸收所學(xué)知識，不積壓問題，保持學(xué)習(xí)的成就感。

3.4 增加理論聯(lián)系實際環(huán)節(jié)

理論與實際應(yīng)用相聯(lián)系，更方便學(xué)生理解所學(xué)知識，以備后續(xù)加以應(yīng)用。1）課堂講授中，為課本中工作原理講解增加實物圖片或?qū)嶋H應(yīng)用視頻，增加學(xué)生對所學(xué)零部件的直觀性認(rèn)識。并且輔以項目教學(xué)方式，例如傳感檢測系統(tǒng)章節(jié)，以位置、轉(zhuǎn)速、位移檢測傳感器的設(shè)計、選擇及應(yīng)用內(nèi)容為主。章節(jié)講授中采用數(shù)控機床為例：數(shù)控機床刀具位移檢測有不同傳感器可供選擇，如脈沖編碼器、直線光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等。在講解傳感器選擇過程中介紹各個傳感器的特點、工作原理、應(yīng)用范圍、選擇方法等，使學(xué)生清楚所學(xué)內(nèi)容在實際中如何應(yīng)用的。2）將機電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計緊跟“機電一體化系統(tǒng)”課程之后，讓學(xué)生通過機電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計將所學(xué)知識進行應(yīng)用，在設(shè)計過程中查找資料、制定方案、選型設(shè)計等，進一步加強學(xué)生對本門課程的理解，提高動手操作能力，實現(xiàn)理論聯(lián)系實際的教學(xué)目標(biāo)。3）增加實驗環(huán)節(jié)。實驗教學(xué)在高等教學(xué)中占有重要地位，是學(xué)生理論聯(lián)系實際的重要手段，起到鞏固和理解所學(xué)知識的重要作用[3-4]。目前實驗一改之前單一性、驗證性實驗，調(diào)整為驗證性、設(shè)計性及綜合性實驗。但是經(jīng)費高、實驗設(shè)備有限，增加實驗數(shù)量達不到預(yù)期要求。虛擬實驗較傳統(tǒng)實驗具有安全、可重復(fù)使用、操作簡單等優(yōu)勢，有效解決了傳統(tǒng)實驗成本高的問題[5]。因此，增加虛擬實驗環(huán)節(jié)，解決實際實驗設(shè)備有限問題，將所學(xué)的機械、控制、檢測及編程內(nèi)容通過虛擬仿真平臺完成選型、設(shè)計、編程、調(diào)試、控制及方案對比等實驗實訓(xùn)，提高系統(tǒng)設(shè)計及創(chuàng)新能力。

3.5 思政教育融入教學(xué)全過程

“機電一體化系統(tǒng)”課程是機電專業(yè)核心課程，與“中國制造2025”國家發(fā)展戰(zhàn)略對接。并且《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》（高教[2020]3號）指出：“把思政教育貫穿人才培養(yǎng)體系，全面推進高校課程思政建設(shè)，發(fā)揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量”[6]。以學(xué)生為本，致力于提高人才質(zhì)量。因此，課程之初通過視頻等方式解讀“中國制造2025”文件精神，使學(xué)生首先對本門課程地位有所認(rèn)識，對自己的人生規(guī)劃有個初步計劃。其次在講課過程中，在機電一體化系統(tǒng)各部分組成、系統(tǒng)設(shè)計及虛擬實驗等環(huán)節(jié)穿插企業(yè)安全事故視頻、大國工匠精神等視頻，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)、遵守規(guī)定、精益求精、勇于創(chuàng)新的精神。

4 結(jié)語

“機電一體化系統(tǒng)”課程的內(nèi)容是一個不斷發(fā)展更新的課程，教學(xué)的理念和方式方法需要不斷改革，在授課過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題，及時調(diào)整教學(xué)方法。綜合性強的課程要注重授課內(nèi)容梳理，理清主次，避免新舊知識重復(fù)，保持學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。教學(xué)過程中以學(xué)生為主體，在關(guān)注知識傳授的同時更要注意學(xué)生知識吸收情況，充分利用網(wǎng)絡(luò)工具，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展的應(yīng)用型人才貢獻力量。