機電一體化系統設計課程教學改革

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摘要：工程教育認證是實現國際間專業及其培養人才互認的主要途徑。為了促進齊魯工業大學機械專業的長足發展，自2015年機械與汽車工程學院開始著手進行機械制造及其自動化專業工程教育認證工作準備。“機電一體化系統設計”課程團隊結合新形勢下工程教育實際需求，進行了課程改革和體系構建。根據“機電有機結合”的教學要求，在教學內容、教學方法和考核方式方面進行了相應改革，力求知識結構系統性和教學體系完整性的統一。經過幾年的教學實踐和持續反饋改進，學生的多項工程能力得到綜合鍛煉，教學改革收到了良好效果。

關鍵詞：工程教育認證；機電一體化系統設計；工程實踐；教學改革；持續反饋改進

一、教學現狀分析

“機電一體化系統設計”課程是涉及機械、電子、控制、信息等多學科交叉知識，在大學三年級第二學期開課。課程在是在“機電有機結合”的系統教學思路引導下，把信息處理、傳感檢測、自動控制、伺服傳動、精密機械和系統總體技術有機地結合起來，強調知識結構系統性，而不是對原有多個學科知識的機械疊加。目前隨著工程科學的深入化和精細化，工程科學研究對從業者的要求越來越高。基于工程科學偏向應用的特點，要求工程研究和工程實踐緊密結合，理論結合實際不斷反饋演進，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展和應用，“必須掌握”的知識和工具越來越多，從而引發課堂學時不夠的普遍問題。另外課堂教學大多采用以教師為主導通過多媒體教學平臺進行授課，實踐環節輔以少量的單一目標的實驗，在促進學生理解復雜工程問題的認識和能力上缺乏引導。以上情況導致機電一體化系統設計課程的教學，在理論和實踐之間出現分裂，遠不能滿足工程教育認證的工程類畢業生能力的要求。

二、課程改革及體系構建

（一）教學內容的改革

在課程內容方面，“機電有機結合”的教學要求，需要做到知識結構系統性和教學體系完整性辯證統一。在教學過程中，需要將“機電有機結合”的教學理念貫穿始終。在各章節知識的講解中，并不嚴格根據教材的章節順序進行，而是將整個課程內容用一些典型機電一化系統或產品把章節知識前后穿插呼應。如在講授“機械系統部件的選擇與設計”中的“機械系統數學模型的建立”時，可以和“機電一體化系統元、部件的特性分析”中自動控制理論的系統傳遞函數知識結合起來，在教學“機械系統部件的選擇與設計”中的“機座和機架設計”時，可以和“機電一體化系統元、部件的特性分析”中的“動態特性分析”結合起來。也很好的滿足了工程教育認證標準提到的理解系統的概念，能在機械工程領域內針對復雜機械工程問題進行建模、分析和求解，并能對系統進行改進、優化的指標點要求[3]。另外，總結積累課程組教師團隊參與研究的具體工程案例，如“搪瓷內膽缺陷檢測系統的開發”，“控水閥性能測試系統的研發”，“機場快調車結構優化設計”，“陶瓷潔具噴釉機器人”等。根據這些案例的特點，將所涉及到的知識點和現代工具的使用有機結合，具體講解工程案例中采用的分析方法和工具，引發學生的學習興趣，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證標準提到的使用現代工具，能夠針對機械產品和裝備設計、開發和制造中復雜工程問題，選擇與使用現代計算、設計、測試、制造和仿真分析等軟硬件工具的指標點要求[4]。

（二）教學方法的改革

教學過程是教師、學生、教學媒介多方互動過程。傳統的教學方法以教師為中心、以課堂講授為主，存在學生被動接受灌輸的知識，學習狀態和教學效果不佳的問題。因此不斷增加可以反映本學科最新科技成果和實踐動態等相關教學內容顯得尤為必要[5]。為了適應新形勢的工科教育，有效提高學生主動參與積極性，本課程將課堂講授、答辯互動、項目研究和現場教學結合起來，及時轉換教師和學生的主體角色，激發學生的學習興趣、培養學生的解決問題的綜合能力。理論教學把信息處理、傳感檢測、自動控制、伺服傳動、精密機械和系統總體技術有機地結合起來，強調知識結構系統性和教學體系完整性辯證統一；基于團隊的主題報告項目，可以引導學生深入掌握課程的理論知識體系，提高綜合運用現代工具研究工程問題的能力，而且可以鍛煉學生論文寫作和表達能力，提高其分析問題和解決實際工程問題的能力，培養學生的工程觀念；答辯互動充分激發學生的團隊協作能力，提高學生的參與興趣；現場教學結合我校特色實驗室的機電一體化裝備實物，如山東省精益生產物流自動化工程技術研究中心的物流裝備、中國輕工業裝備制造與智能測控重點實驗室的瓷磚包裝機生產線等，通過實地解析各系統的工作原理，引發學生的討論和思考，將課堂教學內容真正有機整合，進一步加強學生深入理解機電一體化的系統概念和工程實踐面臨的各種挑戰。

（三）考核方式的改革

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

三、教學改革實施實例

（一）統籌規劃

系統規劃機電一體化系統設計理論課程和實踐環節過程，提煉各環節的相關理論和技術問題，以工程教育認證的考核標準和培養工程素養的角度，引導學生主動學習。用理解機電一體化的系統概念和解決復雜工程問題為契機，促使學生使用現代信息技術，了解和獲取工業領域的前沿動態和科技最新進展，選取典型機電系統構成及關鍵技術為實踐環節主題，以達到綜合訓練學生能力，提高學生綜合運用專業知識、現代工具分析、理解和解決理論和實踐問題的能力。

（二）團隊分組

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

（三）課堂教學

教學第一階段以講授法教學方法為主，輔以案例、討論、情景教學等方法，對本課程所要教授的理論知識進行教授。在此過程中，進行第二階段教學的準備工作，設計考核任務清單，包括報告內容、宣講時長、答辯表現等考核要求。在第一階段課程進行過程中制定如下教學計劃和節點控制：1.團隊分組；2.團隊任務下達；3.在小組成員充分熟悉和交流的情況下，初步決定團隊報告主題；4.引導學生進行團隊報告主題的調整和確定；5.由團隊代表抽簽選擇報告順序；6.團隊報告的準備；7.團隊主題報告；8.團隊分組答辯；9.教師點評，小組互評；10.提交個人報告材料、團隊報告材料、報告ppt。

（四）主題報告

教學第二階段以學生為主體，在團隊任務的驅動下，按照計劃方案實施，教師引導各團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，主題報告后的團隊分組答辯、小組互評的環節，答辯小組的同學集思廣益，互動場面熱烈，使學生們能夠充分感受和參與教學。教師根據團隊演講報告情況，表12015-2018學年本課程團隊報告主題匯總表除了提問，還按照團隊主題報告任務的要點進行多方面點評，包括報告時長控制、內容組織、報告形式、ppt制作、主題講述效果、答辯效果等，幫助學生了解學習學術報告和主題宣講的規范，拓展學生多方面能力。最后按照考核要點給出個人的最終成績。

（五）教學調研

課程結束后，對學生進行教學方法的調研，包括以團隊為單位提交課程評價和建議，包括課后感想，教學形式的優點、缺點及改良建議。針對每一輪教學過程中學生集中反饋的問題，教師通過學習教學技巧、增強專業知識和咨詢資深教師等多種方法，不斷改進，以期持續改進課程教學方案和效果。

四、教學改革效果反饋

根據本課程近年來積累的教學資料進行統計分析，從多方面總結教學改革效果，對持續改進課程教學方案提供支撐。

（一）對2015-2018年度的報告主題進行統計

通過比較和分析，每學年團隊報告主題覆蓋面廣，緊跟工業領域的前沿動態和科技最新成果。在進行團隊報告主題確定時，鼓勵團隊成員選擇自己的參加實踐類比賽的優秀成果作為報告內容，如2015年的主題“硬幣分揀機”、“智能點滴報警系統”、“甘薯秧苗移栽機”；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“多功能搜救機器人”均是各年級學生參加全國機器人大賽、山東省機電創新大賽、山東省機器人大賽等比賽的獲獎作品。合適的選題極大的激發了學生的參與性和主動性，同時也起到了引導學生將所學知識和實踐成果緊密結合的作用。從報告效果來看，學生的講解精彩紛呈，能夠展現出綜合運用專業知識、現代工具，分析、理解和解決問題的能力，聽講學生聚精會神、熱烈回應。

（二）對學生提交的課程評價進行統計分析

課程結束后，對學生進行教學方法的調研，包括以團隊為單位提交課程評價和建議，提交課程學結。主要內容包括三個方面：課程的評價、對課程的建議、學習本課程的收獲。通過統計和總結，課程中存在的問題集中體現在：1.由于隨機分組，團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.團隊報告經驗缺乏，希望增加展示的機會；3.在團隊報告過程中，增加不同團隊之間的互動和交流。學習本課程收獲集中體現在：1.鞏固了先修課程，加深了專業知識了解；2.通過大量不同類型的主題報告，掌握了機電有機結合的特點，并開拓了視野；3.體會到團隊合作的重要性，鍛煉了團隊分工協作的能力；4.鍛煉了演講和表達的能力。針對上述問題，在后續的課程實踐中，分別采取了相應的措施，除了在課堂理論教學過程中鼓勵團隊成員互動，而且在現場教學的過程中，以團隊為單位進行，在團隊代表抽簽選擇報告順序環節，增強團隊成員之間和不同團隊間的互動交流。針對學生希望增加團隊和個人展示機會的問題，采取全班表決的方式，爭取團隊進行第二次主題報告的機會。針對報告過程中的團隊間互動缺乏的問題，采取鼓勵同主題或相近主題團隊互相提問、答辯，以及鼓勵團隊采用多種展示方式，引發全體同學的關注和討論，更進一步鍛煉學生團隊協作和表達能力。

五、教學改革總結

綜上所述，教學改革取得以下效果：1.從平時上課情況來看，學生到課率高，上課認真，學習主動，鞏固了先修課程，增強了機電專業的基礎知識和實踐能力的培養；2.從學生評學來看，通過主題報告、合作，同學們對團隊分組方式表示贊成，對這種課程改革方式反響熱烈。以完成團隊任務為導向，充分鍛煉和提高了學生的溝通能力、團隊協作能力和個人口頭表達能力，并增進了同學間的友誼；3.通過團隊主題報告的廣泛選題，一方面學生能夠主動把課堂理論知識和工業領域的前沿動態和科技最新進展相結合，掌握文獻檢索、資料查詢、調研及運用現代信息技術工具的能力；一方面合適的選題極大的激發了學生的參與性和主動性，教師也從學生的匯報討論中獲益匪淺，教學效果良好。

參考文獻：

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[3]陳利華，趙津婷，劉向東.從工程教育認證視角重構第一課堂實踐教學體系[J].中國大學教學，2015（12）：60.

[4]林健.多學科交叉融合的新生工科專業建設[J].高等工程教育研究，2018（1）：32.

作者：王麗 馮益華 單位：齊魯工業大學（山東省科學院） 機械與汽車工程學院