机电一体化系统设计教学方法的改革与实践

摘 要：针对机电一体化系统设计课程涉及知识面广、综合性强的特点，采用讨论与互动式教学、实践教学、项目教学等多种方法进行教学改革和实践。多种教学方法的综合运用有利于学生学习主动性的发挥，综合设计能力的提高以及系统工程意识的培养。

关键词：机电一体化 互动教学 实践教学 项目教学

科学技术的高速发展和不断进步使机械制造业发生了巨大的变化。以信息技术为代表的高新科技向机械行业的渗透，使得现代机电产品不再是单纯的机械构件，而是机械、电子、计算机等集成的所谓机电一体化产品[1]。社会对机械专业人才的要求越来越趋向于复合型、应用型，因此高校教师在传授专业知识的同时必须注重学生知识的拓展和综合应用。机电一体化系统设计是一门融合了机械、电子、控制等多学科的综合性课程，对培养学生的综合设计能力以及系统工程意识具有重要作用。

1课程理念及体系构建

机电一体化系统设计是机械设计制造及自动化专业的一门重要专业课程。本课程融合了机械技术、电子技术、传感检测技术、自动控制技术、信息处理技术等多种技术于一体，是对基础课、专业基础课等知识的综合应用，也是理论与工程实践相结合的课程[2]。

本课程主要介绍了机电一体化系统的基本构成、执行装置、检测元件、控制系统等内容，各章节结构图如图1所示[3]。第一、二章是机电一体化系统及设计方法的概述。第三、四章介绍各种执行装置和检测元件的构造、原理及使用方法。第五章讲解控制系统及接口的设计。第六章是前面章节知识的综合与应用。

图1 机电一体化系统设计课程章节结构图

由于在本课程开设之前，学生已经学习了机械原理、控制理论、检测技术等相关课程，因此应该着眼于学生综合设计能力和系统工程意识的培养，而不只是各部分知识的简单重复和回顾。此外，由于本课程与生产、生活实际紧密联系，可以结合案例分析、讨论与互动、实践教学等多种方式开展教学活动。

2 教学方法改革

由于受传统教育观念和教学条件的限制，机电一体化系统设计课程过去以教师讲授为主，学生只能被动地接受，学习的主动性和积极性不能有效发挥。本文依据该课程各章节教学重点的不同，采用不同的教学方法对学生进行引导，培养学生学习的兴趣，提高学生的综合能力和素质。

2.1 知识精讲

机电一体化系统设计课程涉及的知识面广、综合型强，但理论课时并不多。因此，需调整与先修课程的关系，删减重复部分，精讲内容要少而精，重点介绍机电一体化系统各组成部分的原理、作用及相互联系。理论知识讲解的同时需结合案例分析，加深学生对相关知识的理解。此外，还可以利用动画、视频等多媒体手段，帮助学生了解最新的研究成果，掌握最新的行业动态，避免教学与生产实际脱离。例如，在讲授执行装置构造及使用方法时，可以略过学生已经重点学习过的电动机工作原理及特性，对液压和气动执行装置也只做简单介绍，而重点比较三种执行装置的性能、适用范围及应用。通过对工件输送系统的分析，学生理解气动执行装置的原理以及在机电一体化设备中的作用。采用视频资料与教师讲解相结合的方式，介绍压电、静电、形状记忆合金等新型执行装置，在开阔学生视野的同时加深其对执行装置的理解。

2.2 讨论与互动式教学

教学过程是教师和学生以信息为载体的互动过程[4]。为了让学生参与到课堂教学中来，体现学生学习的主体性，而不是作为课堂的看客或被灌输的对象，可以在知识精讲的基础上融入讨论与互动式教学方法。教师通过本课程的重点、难点、疑点问题，引导和启发学生思考，激发学生听课的热情和积极性，实现师生互动[5]。例如，在介绍机电一体化系统的基本构成时，安排学生分组了解一种机电一体化设备，掌握其基本工作原理及组成要素，并在课堂上利用PPT、视频资料进行讲解。教师针对该设备的工作原理及过程进行提问，同组同学展开讨论并进行解答。讨论课气氛活跃，学生积极性较高，达到较好的教学效果。

2.3 实践教学

机电一体化系统设计是一门与生产、生活实际紧密结合的课程，因此在课堂教学之外还应当利用已有的教学和实验条件让学生接触实际的机电系统。在检测与传感器技术的授课过程中，笔者利用数控加工中心和工业机器人进行实践教学。学生通过观察两种设备所使用的光电编码器、直线光栅尺和接近开关，对传感器的工作原理有了进一步的认识。在操纵数控机床和工业机器人的过程中，学生可以掌握传感器在各自系统中的作用。此外，通过对数控机床和工业机器人所使用的交、直流电机以及液压和气动系统的介绍可以帮助学生巩固执行装置部分的知识点，起到温故而知新的作用。总之，实践教学可以加深学生对知识的理解，密切知识体系间的联系。

2.4项目教学

为了提高学生系统设计能力和工程意识，将所学知识融会贯通，在本课程的授课过程中采用了项目任务教学的方法。项目教学是以工程实践为导向，通过完成一个完整的“项目”工作而进行的实践教学活动[6]。将本课程所涉及的知识点通过一个明确的“项目任务”布置给学生，学生根据任务要求，进行资料整理―系统方案设计―子系统设计及实现―系统方案优化。

全方位移动机器人设计就是适合本课程的一个较好的“项目任务”。该项目集硬件与软件设计于一体，所涉及知识包括执行装置、传感器、控制系统及接口电路等，对于巩固知识、培养综合设计能力具有重要作用。学生选定题目后：（1）查找相关资料了解全方位移动机器人的基本技术。此过程培养了学生检索科技文献的能力，为随后的毕业设计奠定了良好的基础。（2）确定全方位移动方案，并将机器人分为移动机构、控制系统、传感器模块、通讯模块等，绘制基本的硬件结构框图和总体的软件流程图。在这部分主要培养学生的系统观念，使其能够从宏观上把握全局，制订合理且可行的方案。（3）各子系统的硬件、软件设计及实现。子系统的设计过程也是知识的掌握和应用过程，明确的学习目的能够有效提高学生的学习效率。（4）机器人各子系统的联合调试及方案优化。子系统联调过程必然会出现冲突和矛盾，如何从系统角度出发解决出现的问题并进行方案的优化，同样是对学生综合能力的培养和锻炼。

通过全方位移动机器人设计这一项目，学生明确了学习的目标和任务，积极性和主动性有较大提高。在完成项目任务过程中，学生加深了机电一体化相关知识的理解，并将各部分知识融会贯通，有效培养了学生的系统观念和工程意识。此外，以团队形式来完成任务有利于学生协作意识的培养及综合素质的提高。

3 结束语

在机电一体化系统设计课程中采用知识精讲、讨论与互动式教学、实践教学、项目教学等多种方法相结合的方式进行教学改革和探索。教学实践表明几种教学方法相结合的方式可以让学生参与到教学活动中来，提高学生学习的积极性和主动性，对于培养学生的综合设计能力和工程应用能力具有积极作用。

参考文献

[1]杨叔子，张福润.面向21世纪改革机械工程教学[J].高等教育研究，2000（4）：73-77.

[2]丁文政，王娟，汪木兰.机电一体化系统设计课程教学改革探索[J].中国现代教育装备，2012（3）：80-81.

[3]高森年. 机电一体化[M].北京：科学出版社，2001.

[4]姚蓉.谈如何搞好大学教学中的课堂互动[J].中国大学教育，2008（7）：71-74.

[5]赵永生，郑魁敬，姚建涛.主动体验型互动教学模式探讨―《机电一体化系统设计》讨论课改革[J].教学研究，2010，33（4）：47-49.

[6]汪木兰，周明虎，李建启.以项目教学为载体制订先进制造技术卓越工程师培养方案[J].中国现代教育装备，2010（12）：15-19.