機電一體化系統設計教學內容與方式革新

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本文作者：郝娟、肖定國、賈玉平 單位：北京理工大學機械與車輛學院

“機電一體化”是微電子技術向機械工業滲透過程中逐漸形成的，涉及機械學、電子學和信息科學的新興交叉學科[1]。作為機械類專業的一門重要課程，《機電一體化系統設計》對培養學生的創新能力和機電產品設計能力具有重要作用[2]。由于綜合了多門學科，該課程所涉及的知識點量多面廣，而且有些內容學生在相關的課程中接觸過，如果在教學過程中不加注意，容易使本門課程變成“炒剩飯”，影響學生的學習興趣和教學效果。本文針對課程學習中存在的問題，結合作者多年的教學經驗，從教學內容、教學方式兩個方面提出了改革措施。

一、課程存在問題

《機電一體化系統設計》的教學內容各部分內容差別很大，連續性差，教師在講授過程中，必須將各個章節的內容有機聯系起來；此外，各部分內容又相對獨立，若講授時一視同仁，不分主次，往往給學生造成是在重溫舊知識的感覺，甚至搞不懂學習這門課程的真正目的是什么[3]。《機電一體化系統設計》的主要任務是使學生樹立正確的系統設計思想，培養理論聯系實際、調查研究、刻意創新的能力，使學生掌握機電有機結合的理論、機電一體化系統設計的基本規律及基本方法，具備機電一體化產品的設計能力。僅靠傳統的課堂授課是無法實現這個任務目標的，必須從教學內容和教學方式上作出改革。

二、教學內容改革

1.以系統設計思想為主線。機電一體化的目的是提高產品或系統的附加價值，即多功能、高效率、高可靠性、省材料、省能源，并使產品結構向輕、薄、短、小化方向發展，從而不斷滿足人們生活的多樣化和生產的省力化、自動化需求。因此，機電一體化的研究方法不能只是簡單拼湊，應該從系統設計方案開始到各元部件選擇到系統最終成形的全過程都要貫徹系統設計的思想。首先是從整體角度及可行性方面對系統進行多種整體方案設計；然后對其機械機構、執行元件、微機控制系統、檢測傳感裝置等組成部分及相關接口進行細節設計；最后對系統性價比進行衡量，得出優化設計方案，選擇原則是在保證目的功能要求與適當壽命的前提下不斷降低成本。以上三個環節相互影響，一般在緒論里講第一個環節，在此環節讓學生了解一個典型的機電一體化系統或產品整體上的五大功能構成和五大功能要素，在進行系統整體方案設計時可能有多種選擇，需要結合系統的功能要求、技術指標和成本控制多方面因素進行綜合評價，優化出最佳的方案。以設計精密數控機床為例，從總體上對其五大功能和功能要素進行分解，分解的結果可以用功能矩陣來表示[4]，最終設計方案的選擇取決于能否提高產品或系統的附加價值。第二個環節分別講述構成機電一體化的功能要素，盡管每一功能要素在內容上相對獨立，但它們作為機電一體化系統或產品組成部分，通過廣義接口聯系在一起，彼此相互影響，學生只有認識了這一點，才能從總體上把握機電一體化的系統設計思想。還以設計精密數控機床為例，為了達到高精度，可以選用精密機械，但這勢必造成系統成本的增加，而且，成本有可能隨著精度要求的提高成幾何倍數增加。另一個可行的方法是采用軟件補償來提高精度，但這會對微機控制系統和傳感檢測系統提出新的要求。第三個環節是對系統性能的綜合評價，評價的結果不符合要求時還有可能需要對整體方案或各個功能要素重新選擇，直至滿足要求為止。在課程講述過程中，僅僅介紹系統設計思想，既抽象又枯燥，若能結合實際案例，學生就會在潛移默化中逐漸領略機電一體化系統設計方法的精髓。一般教材在后面的章節中都會給出很多的案例，建議這些案例不要都放在最后講，找出一個或幾個典型案例，在講授每一部分內容時都結合該案例，并將系統設計方法融于其中，既利于學生對知識的掌握，又能起到舉一反三的作用，便于學生分析和設計其他的機電一體化產品。

2.以理論聯系實際為導向。高等學校培養的是具有創新能力的高級應用型人才，即具有較高的綜合素質，寬厚扎實的專業理論，并能將理論應用于解決實際問題，且有創新實踐能力的高級專門人才。機電一體化系統設計綜合性較高，知識點量多面廣，并且內容抽象，學生很難在有限的課時內完全掌握；而對于從事該門課程教學的教師來講，不能只注重理論知識的講解，要以理論聯系實際為導向。為此，課前要做大量的準備，廣泛積累素材以豐富課堂教學效果，將抽象的道理通俗化、形象化，加深學生的印象。如有時教材上只介紹某些元部件的工作原理，學生即使明白其工作原理了，但對其長什么樣卻知之甚少，更談不上怎么用了。可以利用網絡平臺下載很多產品樣本，產品樣本主要是推銷產品用，一般會詳細介紹產品的外形和應用，將教材和樣本二者結合在一起講述，無形中就將理論和實際聯系在一起了。此外，還可以在授課過程中加強演示驗證內容，俗話說百聞不如一見，有的知識應用性較強，理論比較抽象，很難通過講的方式讓學生掌握，但通過實驗或者觀看視頻等，立刻就撥開云霧見晴天了。如在講光電編碼器時提到，光電編碼器的輸出信號可以經過2倍頻或4倍頻以提高檢測分辨率，用語言描述時學生不容易理解，把光電編碼器信號引出來，用示波器一看，一目了然。當然也可以通過《機電一體化系統設計》課程設計，讓學生利用所學親自參與機電一體化產品設計，在設計過程中通過查閱資料、技術調研、設計加工、組裝調試等可進一步加強學生理論聯系實際的能力。

三、教學方式改革

明確了教學內容，還要通過適當的方式將知識傳授給學生。首先要培養學生的學習興趣，學生對某一學科有興趣，才會不知疲倦，才會有靈感，才會樂在其中，既能提高學習效果，又能成為創新的動力和源泉。如在講述第一章緒論時，在引出機電一體化的概念和內涵后，不是把重點放在對概念的進一步解釋上，而是以圖片或錄像的方式列舉了大量機電一體化產品實例。這些實例中大部分來自生活或生產實踐，學生在觀看這些實例的過程中，對這些產品的神奇功能產生了濃厚的興趣，自然就會產生探個究竟甚至親自進行設計的愿望。其次，要重視學生的基礎知識，如果說興趣是前進的動力，那么基礎知識就是成功的基石，學生要想真正掌握這門技術，必須擁有牢固的基礎知識。在講數控部分內容時，很多同學說參加過數控編程的實習活動，會用G代碼編程，當問到編程的幾個坐標系時，卻沒有幾個人真正明白，但數控機床的坐標系是編程的基礎，是數控加工的參照，如果連參照都不知道在哪兒，怎么能真正掌握數控技術呢？最后，對授課內容要“避輕就重”，機電一體化作為綜合學科，包含的內容較多，不同專業培養目標不同，講課的重點也不應一樣，在講述時要結合專業“避輕就重”。“避輕”就是對學生有一定基礎的內容少講，“就重”就是對學生難以理解、接觸較少的內容重點講。機械類專業的學生機械基礎較好，對機構的力傳遞、運動傳遞容易掌握，對執行元件的學習基礎較弱，但這部分內容在機電一體化系統中有重要的地位，因此要重點講述。

機電一體化是一門不斷發展、高技術密集的新型交叉學科，所涉及的知識量多面廣，本文針對課程存在的問題，基于作者的教學實踐經歷，從教學內容、教學方式提出了改革措施，在教學內容上強調以系統設計方法為主線，以理論聯系實際為導向，在教學方式中重視培養學生的學習興趣和基礎知識，對授課的內容不是一刀切，而是避輕就重。通過這些改革措施，取得了較為滿意的教學質量和效果。