機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)改革

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摘要：工程教育認(rèn)證是實現(xiàn)國際間專業(yè)及其培養(yǎng)人才互認(rèn)的主要途徑。為了促進(jìn)齊魯工業(yè)大學(xué)機(jī)械專業(yè)的長足發(fā)展，自2015年機(jī)械與汽車工程學(xué)院開始著手進(jìn)行機(jī)械制造及其自動化專業(yè)工程教育認(rèn)證工作準(zhǔn)備?！?a href="http://mug-factory.cn/lunwen/xtsjlw/124899.html" target="_blank">機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計”課程團(tuán)隊結(jié)合新形勢下工程教育實際需求，進(jìn)行了課程改革和體系構(gòu)建。根據(jù)“機(jī)電有機(jī)結(jié)合”的教學(xué)要求，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式方面進(jìn)行了相應(yīng)改革，力求知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性和教學(xué)體系完整性的統(tǒng)一。經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐和持續(xù)反饋改進(jìn)，學(xué)生的多項工程能力得到綜合鍛煉，教學(xué)改革收到了良好效果。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證；機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計；工程實踐；教學(xué)改革；持續(xù)反饋改進(jìn)

一、教學(xué)現(xiàn)狀分析

“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計”課程是涉及機(jī)械、電子、控制、信息等多學(xué)科交叉知識，在大學(xué)三年級第二學(xué)期開課。課程在是在“機(jī)電有機(jī)結(jié)合”的系統(tǒng)教學(xué)思路引導(dǎo)下，把信息處理、傳感檢測、自動控制、伺服傳動、精密機(jī)械和系統(tǒng)總體技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，強(qiáng)調(diào)知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性，而不是對原有多個學(xué)科知識的機(jī)械疊加。目前隨著工程科學(xué)的深入化和精細(xì)化，工程科學(xué)研究對從業(yè)者的要求越來越高。基于工程科學(xué)偏向應(yīng)用的特點，要求工程研究和工程實踐緊密結(jié)合，理論結(jié)合實際不斷反饋演進(jìn)，這就需要大量的時間、精力和資源投入[3，4]。而且隨著工程方法的發(fā)展和應(yīng)用，“必須掌握”的知識和工具越來越多，從而引發(fā)課堂學(xué)時不夠的普遍問題。另外課堂教學(xué)大多采用以教師為主導(dǎo)通過多媒體教學(xué)平臺進(jìn)行授課，實踐環(huán)節(jié)輔以少量的單一目標(biāo)的實驗，在促進(jìn)學(xué)生理解復(fù)雜工程問題的認(rèn)識和能力上缺乏引導(dǎo)。以上情況導(dǎo)致機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程的教學(xué)，在理論和實踐之間出現(xiàn)分裂，遠(yuǎn)不能滿足工程教育認(rèn)證的工程類畢業(yè)生能力的要求。

二、課程改革及體系構(gòu)建

（一）教學(xué)內(nèi)容的改革

在課程內(nèi)容方面，“機(jī)電有機(jī)結(jié)合”的教學(xué)要求，需要做到知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性和教學(xué)體系完整性辯證統(tǒng)一。在教學(xué)過程中，需要將“機(jī)電有機(jī)結(jié)合”的教學(xué)理念貫穿始終。在各章節(jié)知識的講解中，并不嚴(yán)格根據(jù)教材的章節(jié)順序進(jìn)行，而是將整個課程內(nèi)容用一些典型機(jī)電一化系統(tǒng)或產(chǎn)品把章節(jié)知識前后穿插呼應(yīng)。如在講授“機(jī)械系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計”中的“機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立”時，可以和“機(jī)電一體化系統(tǒng)元、部件的特性分析”中自動控制理論的系統(tǒng)傳遞函數(shù)知識結(jié)合起來，在教學(xué)“機(jī)械系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計”中的“機(jī)座和機(jī)架設(shè)計”時，可以和“機(jī)電一體化系統(tǒng)元、部件的特性分析”中的“動態(tài)特性分析”結(jié)合起來。也很好的滿足了工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)提到的理解系統(tǒng)的概念，能在機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)針對復(fù)雜機(jī)械工程問題進(jìn)行建模、分析和求解，并能對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化的指標(biāo)點要求[3]。另外，總結(jié)積累課程組教師團(tuán)隊參與研究的具體工程案例，如“搪瓷內(nèi)膽缺陷檢測系統(tǒng)的開發(fā)”，“控水閥性能測試系統(tǒng)的研發(fā)”，“機(jī)場快調(diào)車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計”，“陶瓷潔具噴釉機(jī)器人”等。根據(jù)這些案例的特點，將所涉及到的知識點和現(xiàn)代工具的使用有機(jī)結(jié)合，具體講解工程案例中采用的分析方法和工具，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，如常用的工程分析軟件的種類和使用、工程測試軟硬件工具、加工制造方式等。以上措施很好的切合了工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)提到的使用現(xiàn)代工具，能夠針對機(jī)械產(chǎn)品和裝備設(shè)計、開發(fā)和制造中復(fù)雜工程問題，選擇與使用現(xiàn)代計算、設(shè)計、測試、制造和仿真分析等軟硬件工具的指標(biāo)點要求[4]。

（二）教學(xué)方法的改革

教學(xué)過程是教師、學(xué)生、教學(xué)媒介多方互動過程。傳統(tǒng)的教學(xué)方法以教師為中心、以課堂講授為主，存在學(xué)生被動接受灌輸?shù)闹R，學(xué)習(xí)狀態(tài)和教學(xué)效果不佳的問題。因此不斷增加可以反映本學(xué)科最新科技成果和實踐動態(tài)等相關(guān)教學(xué)內(nèi)容顯得尤為必要[5]。為了適應(yīng)新形勢的工科教育，有效提高學(xué)生主動參與積極性，本課程將課堂講授、答辯互動、項目研究和現(xiàn)場教學(xué)結(jié)合起來，及時轉(zhuǎn)換教師和學(xué)生的主體角色，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的解決問題的綜合能力。理論教學(xué)把信息處理、傳感檢測、自動控制、伺服傳動、精密機(jī)械和系統(tǒng)總體技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，強(qiáng)調(diào)知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性和教學(xué)體系完整性辯證統(tǒng)一；基于團(tuán)隊的主題報告項目，可以引導(dǎo)學(xué)生深入掌握課程的理論知識體系，提高綜合運用現(xiàn)代工具研究工程問題的能力，而且可以鍛煉學(xué)生論文寫作和表達(dá)能力，提高其分析問題和解決實際工程問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念；答辯互動充分激發(fā)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力，提高學(xué)生的參與興趣；現(xiàn)場教學(xué)結(jié)合我校特色實驗室的機(jī)電一體化裝備實物，如山東省精益生產(chǎn)物流自動化工程技術(shù)研究中心的物流裝備、中國輕工業(yè)裝備制造與智能測控重點實驗室的瓷磚包裝機(jī)生產(chǎn)線等，通過實地解析各系統(tǒng)的工作原理，引發(fā)學(xué)生的討論和思考，將課堂教學(xué)內(nèi)容真正有機(jī)整合，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生深入理解機(jī)電一體化的系統(tǒng)概念和工程實踐面臨的各種挑戰(zhàn)。

（三）考核方式的改革

由于本課程所涉及的內(nèi)容較多，知識廣泛，理論性和實踐性都較強(qiáng)，因此采用常規(guī)的考試方式對考核學(xué)生在知識的應(yīng)用與實踐能力方面稍顯不足。本課程針對以上特點改進(jìn)考核方式，引導(dǎo)學(xué)生把學(xué)習(xí)的重點放在知識的應(yīng)用和解決實際問題的能力訓(xùn)練上。具體的考核方式采用試卷（開卷）、團(tuán)隊主題報告演講、個人專題報告等多種形式，從理論基礎(chǔ)、創(chuàng)新意識和工程實踐能力等多方面評價學(xué)生的工程素養(yǎng)。

三、教學(xué)改革實施實例

（一）統(tǒng)籌規(guī)劃

系統(tǒng)規(guī)劃機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計理論課程和實踐環(huán)節(jié)過程，提煉各環(huán)節(jié)的相關(guān)理論和技術(shù)問題，以工程教育認(rèn)證的考核標(biāo)準(zhǔn)和培養(yǎng)工程素養(yǎng)的角度，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。用理解機(jī)電一體化的系統(tǒng)概念和解決復(fù)雜工程問題為契機(jī)，促使學(xué)生使用現(xiàn)代信息技術(shù)，了解和獲取工業(yè)領(lǐng)域的前沿動態(tài)和科技最新進(jìn)展，選取典型機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)為實踐環(huán)節(jié)主題，以達(dá)到綜合訓(xùn)練學(xué)生能力，提高學(xué)生綜合運用專業(yè)知識、現(xiàn)代工具分析、理解和解決理論和實踐問題的能力。

（二）團(tuán)隊分組

根據(jù)本課程的教學(xué)大綱的要求，進(jìn)行課時分配和選課學(xué)生人數(shù)的統(tǒng)籌規(guī)劃。在上課之前對課程進(jìn)行總體規(guī)劃，由于選修課會遇到個別學(xué)生棄選的情況，所以在開課后第2個學(xué)時進(jìn)行小組分配方案的調(diào)整，開課第4個學(xué)時即確定最終的分組名單。本課程總學(xué)時32學(xué)時，第一階段的16個學(xué)時為理論教學(xué)環(huán)節(jié)，第二階段為現(xiàn)場教學(xué)環(huán)節(jié)，第三個階段為基于團(tuán)隊的主題研究環(huán)節(jié)，第二第三階段為實踐環(huán)節(jié)，隨著每個學(xué)期選課學(xué)生的變動進(jìn)行靈活分配調(diào)整。以培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作意識為宗旨，根據(jù)選課人數(shù)和課時安排靈活分組。具體操作大致采取打亂班級界限、打亂學(xué)號順序的方式進(jìn)行編組，避免出現(xiàn)學(xué)生能力強(qiáng)弱不均、部分學(xué)生抱團(tuán)排外的弊端，力求公正公平、充分激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，調(diào)動每個成員的團(tuán)隊意識。這期間部分學(xué)生對團(tuán)隊成員之間的溝通交流存在畏難情緒，以各種借口申請調(diào)整團(tuán)隊分組方案，此時需要堅持分組原則，并且依托各班干部進(jìn)行情況調(diào)查，排除學(xué)生心理的顧慮，鼓勵學(xué)生之間建立良好的同學(xué)友誼。一旦團(tuán)隊分組名單確定完成，開始對學(xué)生以團(tuán)隊為單位安排座次，并要求后續(xù)上課時按照團(tuán)隊分組座次落座，貫徹課堂紀(jì)律，如此一方面可以加深同專業(yè)不同班級學(xué)生之間的相互了解，另一方面方便考勤，以小組集體協(xié)作的方式督促同組學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)步。

（三）課堂教學(xué)

教學(xué)第一階段以講授法教學(xué)方法為主，輔以案例、討論、情景教學(xué)等方法，對本課程所要教授的理論知識進(jìn)行教授。在此過程中，進(jìn)行第二階段教學(xué)的準(zhǔn)備工作，設(shè)計考核任務(wù)清單，包括報告內(nèi)容、宣講時長、答辯表現(xiàn)等考核要求。在第一階段課程進(jìn)行過程中制定如下教學(xué)計劃和節(jié)點控制：1.團(tuán)隊分組；2.團(tuán)隊任務(wù)下達(dá)；3.在小組成員充分熟悉和交流的情況下，初步?jīng)Q定團(tuán)隊報告主題；4.引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊報告主題的調(diào)整和確定；5.由團(tuán)隊代表抽簽選擇報告順序；6.團(tuán)隊報告的準(zhǔn)備；7.團(tuán)隊主題報告；8.團(tuán)隊分組答辯；9.教師點評，小組互評；10.提交個人報告材料、團(tuán)隊報告材料、報告ppt。

（四）主題報告

教學(xué)第二階段以學(xué)生為主體，在團(tuán)隊任務(wù)的驅(qū)動下，按照計劃方案實施，教師引導(dǎo)各團(tuán)隊小組成員分工合作，共同完成主題報告演講和報告材料的提交。為了增加課堂的趣味性，主題報告后的團(tuán)隊分組答辯、小組互評的環(huán)節(jié)，答辯小組的同學(xué)集思廣益，互動場面熱烈，使學(xué)生們能夠充分感受和參與教學(xué)。教師根據(jù)團(tuán)隊演講報告情況，表12015-2018學(xué)年本課程團(tuán)隊報告主題匯總表除了提問，還按照團(tuán)隊主題報告任務(wù)的要點進(jìn)行多方面點評，包括報告時長控制、內(nèi)容組織、報告形式、ppt制作、主題講述效果、答辯效果等，幫助學(xué)生了解學(xué)習(xí)學(xué)術(shù)報告和主題宣講的規(guī)范，拓展學(xué)生多方面能力。最后按照考核要點給出個人的最終成績。

（五）教學(xué)調(diào)研

課程結(jié)束后，對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)方法的調(diào)研，包括以團(tuán)隊為單位提交課程評價和建議，包括課后感想，教學(xué)形式的優(yōu)點、缺點及改良建議。針對每一輪教學(xué)過程中學(xué)生集中反饋的問題，教師通過學(xué)習(xí)教學(xué)技巧、增強(qiáng)專業(yè)知識和咨詢資深教師等多種方法，不斷改進(jìn)，以期持續(xù)改進(jìn)課程教學(xué)方案和效果。

四、教學(xué)改革效果反饋

根據(jù)本課程近年來積累的教學(xué)資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，從多方面總結(jié)教學(xué)改革效果，對持續(xù)改進(jìn)課程教學(xué)方案提供支撐。

（一）對2015-2018年度的報告主題進(jìn)行統(tǒng)計

通過比較和分析，每學(xué)年團(tuán)隊報告主題覆蓋面廣，緊跟工業(yè)領(lǐng)域的前沿動態(tài)和科技最新成果。在進(jìn)行團(tuán)隊報告主題確定時，鼓勵團(tuán)隊成員選擇自己的參加實踐類比賽的優(yōu)秀成果作為報告內(nèi)容，如2015年的主題“硬幣分揀機(jī)”、“智能點滴報警系統(tǒng)”、“甘薯秧苗移栽機(jī)”；2016年的主題“公交車新型投幣箱”；2017年的主題“智能小花匠”、“硬幣分揀裝置”；2018年的主題“多功能搜救機(jī)器人”均是各年級學(xué)生參加全國機(jī)器人大賽、山東省機(jī)電創(chuàng)新大賽、山東省機(jī)器人大賽等比賽的獲獎作品。合適的選題極大的激發(fā)了學(xué)生的參與性和主動性，同時也起到了引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識和實踐成果緊密結(jié)合的作用。從報告效果來看，學(xué)生的講解精彩紛呈，能夠展現(xiàn)出綜合運用專業(yè)知識、現(xiàn)代工具，分析、理解和解決問題的能力，聽講學(xué)生聚精會神、熱烈回應(yīng)。

（二）對學(xué)生提交的課程評價進(jìn)行統(tǒng)計分析

課程結(jié)束后，對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)方法的調(diào)研，包括以團(tuán)隊為單位提交課程評價和建議，提交課程學(xué)結(jié)。主要內(nèi)容包括三個方面：課程的評價、對課程的建議、學(xué)習(xí)本課程的收獲。通過統(tǒng)計和總結(jié)，課程中存在的問題集中體現(xiàn)在：1.由于隨機(jī)分組，團(tuán)隊成員之間缺乏了解，需要教師在課堂上鼓勵大家互動、交流；2.團(tuán)隊報告經(jīng)驗缺乏，希望增加展示的機(jī)會；3.在團(tuán)隊報告過程中，增加不同團(tuán)隊之間的互動和交流。學(xué)習(xí)本課程收獲集中體現(xiàn)在：1.鞏固了先修課程，加深了專業(yè)知識了解；2.通過大量不同類型的主題報告，掌握了機(jī)電有機(jī)結(jié)合的特點，并開拓了視野；3.體會到團(tuán)隊合作的重要性，鍛煉了團(tuán)隊分工協(xié)作的能力；4.鍛煉了演講和表達(dá)的能力。針對上述問題，在后續(xù)的課程實踐中，分別采取了相應(yīng)的措施，除了在課堂理論教學(xué)過程中鼓勵團(tuán)隊成員互動，而且在現(xiàn)場教學(xué)的過程中，以團(tuán)隊為單位進(jìn)行，在團(tuán)隊代表抽簽選擇報告順序環(huán)節(jié)，增強(qiáng)團(tuán)隊成員之間和不同團(tuán)隊間的互動交流。針對學(xué)生希望增加團(tuán)隊和個人展示機(jī)會的問題，采取全班表決的方式，爭取團(tuán)隊進(jìn)行第二次主題報告的機(jī)會。針對報告過程中的團(tuán)隊間互動缺乏的問題，采取鼓勵同主題或相近主題團(tuán)隊互相提問、答辯，以及鼓勵團(tuán)隊采用多種展示方式，引發(fā)全體同學(xué)的關(guān)注和討論，更進(jìn)一步鍛煉學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作和表達(dá)能力。

五、教學(xué)改革總結(jié)

綜上所述，教學(xué)改革取得以下效果：1.從平時上課情況來看，學(xué)生到課率高，上課認(rèn)真，學(xué)習(xí)主動，鞏固了先修課程，增強(qiáng)了機(jī)電專業(yè)的基礎(chǔ)知識和實踐能力的培養(yǎng)；2.從學(xué)生評學(xué)來看，通過主題報告、合作，同學(xué)們對團(tuán)隊分組方式表示贊成，對這種課程改革方式反響熱烈。以完成團(tuán)隊任務(wù)為導(dǎo)向，充分鍛煉和提高了學(xué)生的溝通能力、團(tuán)隊協(xié)作能力和個人口頭表達(dá)能力，并增進(jìn)了同學(xué)間的友誼；3.通過團(tuán)隊主題報告的廣泛選題，一方面學(xué)生能夠主動把課堂理論知識和工業(yè)領(lǐng)域的前沿動態(tài)和科技最新進(jìn)展相結(jié)合，掌握文獻(xiàn)檢索、資料查詢、調(diào)研及運用現(xiàn)代信息技術(shù)工具的能力；一方面合適的選題極大的激發(fā)了學(xué)生的參與性和主動性，教師也從學(xué)生的匯報討論中獲益匪淺，教學(xué)效果良好。

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作者：王麗 馮益華 單位：齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院） 機(jī)械與汽車工程學(xué)院