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篇1
Curriculum Reform of "Mechatronics System Design" in Universities
ZENG Yudan, DU Liuqing, ZHANG Mingde, YANG Xiangyu, WANG Yali
(Chongqing Automobile Institute, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054)
Abstract "Mechatronics System Design" as a core curriculum in group of mechanical engineering curriculum, has strong comprehensive and practical features. In this paper, our undergraduate institutions in the curriculum development and teaching reform emerged as the major issue, the demand for the industry, for engineering applications, emphasizing awareness and sense of innovation and engineering training, a typical mechatronic systems - NC special main design feature for teaching, student-centered, self-study students for the purpose of awareness and self-learning ability, the students involved in the actual design process was focused on teaching content, teaching reform, to build and improve enhance undergraduate project quality, to develop students' practical ability and creative ability of the curriculum and teaching model are discussed.
Key words Mechatronics System Design; engineering applications; innovation ability; practical ability
0 引言
機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制及信息處理技術(shù)、系統(tǒng)工程、檢測(cè)傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域，是機(jī)械工程專業(yè)學(xué)科課程群中的核心課程。本課程技術(shù)含量高，內(nèi)容更新快，要求學(xué)生能綜合運(yùn)用機(jī)械、電子、控制與信息處理等多學(xué)科的知識(shí)，完成對(duì)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、優(yōu)化等一系列過程，具有很強(qiáng)的綜合性和工程實(shí)踐性，相比其它專業(yè)課程而言，課程建設(shè)和教學(xué)改革面臨更多問題，具有更大難度。
目前課程建設(shè)中存在的主要問題有：①教學(xué)內(nèi)容過分側(cè)重于工程科學(xué)理論知識(shí)的灌輸，缺少工程分析設(shè)計(jì)的實(shí)踐過程，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程應(yīng)用要求；②教學(xué)模式基本還是傳統(tǒng)的以教師傳授知識(shí)為主，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的模式，“以教師為中心，以課堂為中心，以書本為中心” 的單向灌輸式教學(xué)模式方法仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，學(xué)生動(dòng)手解決實(shí)際工程問題的機(jī)會(huì)很少。以上問題使得學(xué)生理論知識(shí)與工程實(shí)踐相脫離，實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力薄弱，不能適應(yīng)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)和工程技術(shù)發(fā)展的要求。
1 課程教學(xué)改革研究
我校自1999年開設(shè)機(jī)電一體化專業(yè)方向以來，一直對(duì)《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程建設(shè)和教學(xué)改革進(jìn)行了不斷的探索，現(xiàn)將教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式改革的過程小結(jié)如下：
1.1 教學(xué)內(nèi)容改革
高檔數(shù)控機(jī)床和基礎(chǔ)制造裝備是《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》16個(gè)重大專項(xiàng)之一，也是國(guó)家振興計(jì)劃的重要組成部分，因此在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上，緊跟這一重大決策，響應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略需求，將典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)――數(shù)控專機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)專題作為主要內(nèi)容，在前續(xù)課程所講授的理論知識(shí)和工程應(yīng)用實(shí)例基礎(chǔ)上，教師指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)，特別是數(shù)控專機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行較系統(tǒng)完整的學(xué)習(xí)，并循序漸進(jìn)地進(jìn)入實(shí)際設(shè)計(jì)過程，并最終完成數(shù)控專機(jī)的方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化、各元部件選型、軟件流程圖、電氣原理圖等所有理論設(shè)計(jì)和功能模塊細(xì)部設(shè)計(jì)過程。教學(xué)所用的工程設(shè)計(jì)案例大部分來自學(xué)校教師所承擔(dān)的實(shí)際科研項(xiàng)目，如數(shù)控電焊專機(jī)設(shè)計(jì)、錐齒輪傳動(dòng)質(zhì)量智能檢測(cè)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)控彎管機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，避免了空泛地照搬教材進(jìn)行照本宣科，而是由教師指導(dǎo)學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中自主查閱、了解相關(guān)知識(shí)，進(jìn)一步掌握相關(guān)技能，并將所學(xué)所得結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)過程進(jìn)行鞏固，在此過程中，教師將自己的設(shè)計(jì)思路、方法和經(jīng)驗(yàn)毫無保留地對(duì)學(xué)生進(jìn)行傳授和討論，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生自學(xué)能力、創(chuàng)新能力、實(shí)踐動(dòng)手能力等機(jī)電復(fù)合型工程技術(shù)能力的培養(yǎng)。這對(duì)于在校學(xué)生來說是非常難得的學(xué)習(xí)和實(shí)踐的機(jī)會(huì)，也真正體現(xiàn)出課程面向社會(huì)需求、面向工程應(yīng)用的實(shí)質(zhì)。
1.2 教學(xué)模式和教學(xué)方法改革
本課程是一門面向工程應(yīng)用，分析解決實(shí)際工程問題，對(duì)“系統(tǒng)”進(jìn)行“設(shè)計(jì)”和“整合優(yōu)化”的專業(yè)核心課程。因此在教學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生始終要以系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，以整體全局性的高度，對(duì)所設(shè)計(jì)的數(shù)控專機(jī)進(jìn)行化整為零、化繁為簡(jiǎn)的分析，將一個(gè)大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)分解為各個(gè)子系統(tǒng)乃至各個(gè)單獨(dú)的功能模塊和功能部件的設(shè)計(jì)和選型，再經(jīng)過接口設(shè)計(jì)，將各功能模塊有機(jī)地融合在一起，組成一個(gè)整體性能高于各部件之和的完整系統(tǒng)。
在教學(xué)過程中，始終堅(jiān)持面向工程應(yīng)用，以學(xué)生為主體的模式，課堂時(shí)間主要用于重要理論和技能、關(guān)鍵問題和練習(xí)作業(yè)的學(xué)習(xí)和討論，其余所需知識(shí)技能交由學(xué)生課后通過圖書館、網(wǎng)絡(luò)等查閱設(shè)計(jì)案例、論文、產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)等相關(guān)資料和自學(xué)完成，同時(shí)學(xué)習(xí)運(yùn)用一些常用設(shè)計(jì)工具，并通過作業(yè)和小組討論等方式進(jìn)行鞏固，有疑難問題可提出并在全班進(jìn)行討論，最后在教師指點(diǎn)下得出正確結(jié)論。這種以具體工程設(shè)計(jì)任務(wù)為教學(xué)主線的方式讓學(xué)生明確意識(shí)到課內(nèi)外所學(xué)知識(shí)技能在實(shí)踐生產(chǎn)中大有用武之地，認(rèn)識(shí)到教師布置的作業(yè)均是完成設(shè)計(jì)任務(wù)必需環(huán)節(jié)，從而大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使其在課堂上的注意力非常集中，課后能根據(jù)任務(wù)所需而主動(dòng)自發(fā)地進(jìn)行學(xué)習(xí)和討論以完成任務(wù)，而不再像以往那樣由于不明白所學(xué)知識(shí)具體有何用處而造成理論和實(shí)際脫節(jié)，甚至產(chǎn)生忽視和厭學(xué)心理。在此過程中學(xué)生逐漸認(rèn)識(shí)到自己理論知識(shí)上的薄弱點(diǎn)和缺少的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有針對(duì)性地學(xué)習(xí)參考相關(guān)理論知識(shí)和前人的方法經(jīng)驗(yàn)，彌補(bǔ)以往知識(shí)技能系統(tǒng)的缺失環(huán)節(jié)，并能及時(shí)將所遇到的問題及心得體會(huì)在課內(nèi)課外與教師和同組同學(xué)進(jìn)行交流討論，最終較系統(tǒng)完整地完成對(duì)各相關(guān)知識(shí)和技能進(jìn)行總結(jié)，并在工程項(xiàng)目中綜合應(yīng)用的過程。
本課程是涉及到機(jī)械、電子、控制、信息等多學(xué)科知識(shí)和技術(shù)的一門交叉課程，在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，普遍出現(xiàn)的情況是將本課程作為前續(xù)課程中“機(jī)”、“電” 、“控制”等學(xué)科知識(shí)的簡(jiǎn)單組合和回顧，導(dǎo)致本課程應(yīng)具有的系統(tǒng)性、綜合性、實(shí)踐性不能體現(xiàn)，與其余專業(yè)課程間也無法形成科學(xué)合理的承接脈絡(luò)。改革教學(xué)模式和方法后，以整個(gè)工程設(shè)計(jì)過程為主線，將所涉及到的各學(xué)科關(guān)鍵理論知識(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)性邏輯性的梳理，形成清晰的脈絡(luò)和層次，并指導(dǎo)學(xué)生在完成設(shè)計(jì)任務(wù)的過程中，有意識(shí)地綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、工具和技能，達(dá)到學(xué)以致用的目的。
例如，在講授“機(jī)械子系統(tǒng)設(shè)計(jì)”章節(jié)時(shí)，把握住“各子系統(tǒng)有機(jī)融合”這一本質(zhì)，讓學(xué)生不僅掌握書本上陳述的對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的性能要求等知識(shí)點(diǎn)，更要明白這些要求的提出不是孤立地從機(jī)械系統(tǒng)本身穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性等性能指標(biāo)出發(fā)，而更要從控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的角度來看待。通過運(yùn)用經(jīng)典控制理論中的時(shí)域分析和頻率分析兩種方法，了解機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)中系統(tǒng)阻尼比和無阻尼固有頻率這兩個(gè)最基本的參數(shù)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)變化引起的控制性能變化的過程、原理進(jìn)行分析推導(dǎo)，同時(shí)通過課堂上采用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真的實(shí)例演示，使學(xué)生了解這一控制設(shè)計(jì)領(lǐng)域的經(jīng)典工具，經(jīng)過教師指導(dǎo)和課后自學(xué)，掌握該軟件的基本使用方法并在設(shè)計(jì)中加以運(yùn)用，從而將控制工程領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)、技能與機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)緊密聯(lián)系起來。
又如，在進(jìn)行“伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”章節(jié)的教學(xué)時(shí)，通過課堂討論和課后作業(yè)，讓學(xué)生將伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及交直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、力矩電機(jī)等常用伺服電機(jī)的性能、特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合、性價(jià)比等主要指標(biāo)逐一進(jìn)行分析和比較，針對(duì)數(shù)控專機(jī)任務(wù)要求設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)方案，并查閱技術(shù)資料，完成電機(jī)選型計(jì)算以及電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的接口設(shè)計(jì)，從而將前續(xù)課程所學(xué)的機(jī)電控制知識(shí)通過設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)完整地運(yùn)用。
再如，在“控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)，教師通過簡(jiǎn)要講解和演示PLC梯形圖編制、單片機(jī)編程和仿真、VB/VC++或LABVIEW等高級(jí)語言編程驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制卡等控制實(shí)例，使學(xué)生了解各控制系統(tǒng)的軟、硬件組成及其設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)方法，課后自行查閱資料，對(duì)各種控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)、最新應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析總結(jié)，設(shè)計(jì)出合適的控制方案，并在課堂演示實(shí)例基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)運(yùn)用相關(guān)工具，進(jìn)行初步的控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)。
運(yùn)用以上教學(xué)模式和方法，使學(xué)生在系統(tǒng)性地了解基礎(chǔ)理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，迅速地掌握關(guān)鍵理論知識(shí)和必要技能，并有效地在工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中加以應(yīng)用，在培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力、創(chuàng)新能力和理論聯(lián)系實(shí)踐的能力方面頗有成效，為其今后的工程應(yīng)用和技術(shù)研究工作打下了良好的基礎(chǔ)。
2 結(jié)論
我國(guó)政府在2006年初已將建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家確立為一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略目標(biāo)，高質(zhì)量的工程科技人才正是建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的重要力量。我國(guó)高校機(jī)電一體化專業(yè)必須積極面向社會(huì)的迫切需求，以培養(yǎng)能滿足產(chǎn)業(yè)需求、具有較強(qiáng)創(chuàng)新能力和綜合能力的機(jī)電一體化科研技術(shù)人才作為最重要的工作目標(biāo)。本文對(duì)機(jī)電一體化專業(yè)的核心課程――機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課程內(nèi)容建設(shè)和教學(xué)模式方法改革進(jìn)行了探討，提出了面向產(chǎn)業(yè)需求、面向工程應(yīng)用、以典型機(jī)電一體化系統(tǒng)――數(shù)控專機(jī)設(shè)計(jì)過程為教學(xué)主線，以學(xué)生為主體，以學(xué)生參與實(shí)際設(shè)計(jì)的過程為教學(xué)重點(diǎn)等改革措施，以期逐步構(gòu)建科學(xué)合理的課程內(nèi)容體系和教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)、提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的目標(biāo)。
基金資助：重慶市重大教改項(xiàng)目“以培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)的機(jī)械工程系列核心課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐（09-1-005）”
重慶理工大學(xué)高等教育研究立項(xiàng)項(xiàng)目 “《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革研究（2010009）”
參考文獻(xiàn)
