丁文政 王 娟 汪木蘭

1.南京工程學(xué)院 江蘇南京 211167 2.江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇南京 211168

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革探索

丁文政1王 娟2汪木蘭1

1.南京工程學(xué)院 江蘇南京 211167 2.江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇南京 211168

根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程綜合性、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，分析現(xiàn)行按照知識(shí)體系劃分教學(xué)方式的不足，結(jié)合數(shù)學(xué)建模和項(xiàng)目教學(xué)對(duì)能力培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)，探索新的教學(xué)模式。提出“以項(xiàng)目任務(wù)為主，以知識(shí)精講和自學(xué)自研為輔”的教學(xué)改革方案，建立注重綜合素質(zhì)和能力的課程考核機(jī)制，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生通過抓“模型”，分析解決實(shí)際工程問題的能力。

機(jī)電一體化；數(shù)學(xué)建模；項(xiàng)目教學(xué)

在高等教育進(jìn)入普及化的今天，應(yīng)用型人才越來越受到社會(huì)的重視。所謂應(yīng)用型人才，是指面對(duì)實(shí)際問題，具有解決實(shí)際問題能力的人。工程問題錯(cuò)綜復(fù)雜，如何在教學(xué)中培養(yǎng)這種能力呢？關(guān)鍵就在于讓學(xué)生搞清“模型”的意義。因?yàn)椤澳Ｐ汀狈从车氖鞘挛锏谋举|(zhì)，是對(duì)客觀事物的近似描述。我們要引導(dǎo)學(xué)生提出“模型”，通過抓“模型”，教給學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的方法。

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為機(jī)械制造及自動(dòng)化本科專業(yè)的專業(yè)課程，是對(duì)基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課等知識(shí)內(nèi)容的綜合應(yīng)用，是理論與工程結(jié)合的前沿課程。目前按照知識(shí)體系劃分的教學(xué)模式，往往造成學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了各個(gè)模塊的知識(shí)，但因缺乏對(duì)工程對(duì)象的總體認(rèn)識(shí)和把握，使得在系統(tǒng)層面上的設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力較弱。為此，筆者圍繞應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合南京工程學(xué)院在應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面的教學(xué)改革實(shí)踐，探討在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，融入數(shù)學(xué)建模和項(xiàng)目教學(xué)兩種方法，在項(xiàng)目任務(wù)中加強(qiáng)數(shù)學(xué)建模和數(shù)字仿真分析的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生提煉模型，通過模型分析、解決實(shí)際工程問題的能力。

1 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程分析

機(jī)電一體化是機(jī)械工業(yè)的發(fā)展方向，但機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)融合，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)成的最佳化。如果按照知識(shí)體系劃分進(jìn)行教學(xué)，每個(gè)知識(shí)模塊的內(nèi)容都不能深入探討，教與學(xué)都是蜻蜓點(diǎn)水，而且知識(shí)模塊之間的銜接脫節(jié)現(xiàn)象比較嚴(yán)重，在最后的應(yīng)用案例講解時(shí)，學(xué)生基本只能被動(dòng)接受，至于為什么這樣設(shè)計(jì)或這樣的方案是否最佳普遍比較模糊。如何引導(dǎo)學(xué)生從總體上進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)是這門課教學(xué)探索的第一個(gè)基本點(diǎn)。

另外課程的教學(xué)內(nèi)容在很大程度上受到了教材的限制，而且技術(shù)性的課程如果沒有實(shí)際的操作，教學(xué)很容易陷入教師主導(dǎo)的“空對(duì)空”局面，教師對(duì)著多媒體講，學(xué)生對(duì)著多媒體聽，一起紙上談兵。所以如何改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性是教學(xué)探索的第二個(gè)基本點(diǎn)。

針對(duì)以上分析，筆者提出綜合數(shù)學(xué)建模和項(xiàng)目教學(xué)兩者特點(diǎn)的教學(xué)改革措施，增加項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)引入“系統(tǒng)”的概念，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用系統(tǒng)的觀點(diǎn)對(duì)項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，進(jìn)而分析解決問題。

2 教學(xué)方案設(shè)置

我們根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程特點(diǎn)，設(shè)置了以項(xiàng)目任務(wù)為主，以知識(shí)精講和自學(xué)自研為輔的教學(xué)方案。

(1)知識(shí)精講。以知識(shí)體系為主線，精講內(nèi)容少而精，引導(dǎo)學(xué)生多角度、深層次地理解課程內(nèi)容。精講以教師為主，重點(diǎn)是課程內(nèi)容中知識(shí)模塊之間的銜接融合部分。這部分交叉內(nèi)容往往是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，通過點(diǎn)的精講，以點(diǎn)帶面，達(dá)到知識(shí)的融會(huì)貫通。例如在講授執(zhí)行裝置和機(jī)械系統(tǒng)兩部分內(nèi)容時(shí)，略去執(zhí)行裝置和機(jī)械系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和特性分析，突出講解執(zhí)行元件與機(jī)械系統(tǒng)結(jié)合中的問題，像機(jī)電系統(tǒng)的慣量匹配就是一個(gè)難點(diǎn)。為了講清這個(gè)問題，可以從學(xué)生已知的牛頓定律入手，進(jìn)行對(duì)比分析，了解慣量匹配的目的是為了更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。此外考慮到理論理解的難度，可以利用多媒體播放慣量匹配對(duì)加工精度影響的實(shí)驗(yàn)，將抽象問題形象化、具體化。

(2)項(xiàng)目任務(wù)。項(xiàng)目任務(wù)以學(xué)生完成為主，但任務(wù)的設(shè)計(jì)要求教師精心準(zhǔn)備。項(xiàng)目都來自工程實(shí)際，需經(jīng)過提煉整理才能達(dá)到教學(xué)目的，要求設(shè)計(jì)出項(xiàng)目任務(wù)知識(shí)覆蓋面廣，能貫穿課程的大部分內(nèi)容，更重要的是要體現(xiàn)“系統(tǒng)”的概念，引導(dǎo)學(xué)生用系統(tǒng)的觀點(diǎn)分析問題，建立數(shù)學(xué)模型。模型不能太簡單，要體現(xiàn)數(shù)學(xué)建模的反復(fù)過程：即“項(xiàng)目分析—模型提煉—系統(tǒng)建?！浖蠼狻Y(jié)果分析—模型修正—應(yīng)用”?；谏鲜瞿繕?biāo)，我們?cè)O(shè)置了“數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的項(xiàng)目任務(wù)，要求各個(gè)小組首先設(shè)計(jì)搭建一個(gè)單滑臺(tái)的半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)，然后按照物理系統(tǒng)建立運(yùn)動(dòng)控制性能的數(shù)學(xué)模型，以模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)際系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的偏差為考核依據(jù)。項(xiàng)目開始就提醒學(xué)生要注意從系統(tǒng)的層面上分析影響運(yùn)動(dòng)控制性能的因素，既包括控制系統(tǒng)，也包括伺服系統(tǒng)，還包括機(jī)械系統(tǒng)。尤其是機(jī)械系統(tǒng)不能簡單地只考慮無阻尼自然頻率和阻尼比對(duì)滑臺(tái)動(dòng)態(tài)特性的影響，還要考慮到滾珠絲杠的間隙、滑臺(tái)的摩擦等非線性因素的影響。指導(dǎo)學(xué)生在系統(tǒng)模型建立之后通過與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，反復(fù)修正數(shù)學(xué)模型，調(diào)整物理系統(tǒng)，搞清模型的意義，更深刻地認(rèn)識(shí)物理系統(tǒng)的本質(zhì)。

這樣綜合性的項(xiàng)目任務(wù)，學(xué)生初次碰到肯定覺得有難度，會(huì)占用大量的教學(xué)時(shí)間，因此項(xiàng)目教學(xué)要充分利用課余時(shí)間進(jìn)行集中輔導(dǎo)。另外在課堂教學(xué)中適當(dāng)增加部分簡單案例介紹供學(xué)生自學(xué)研究和模仿參照，提高學(xué)生的主動(dòng)性和項(xiàng)目教學(xué)的效果。

(3)自學(xué)自研。機(jī)電一體化作為一門交叉學(xué)科，課堂講授內(nèi)容總是有限，安排自學(xué)自研，可以開拓學(xué)生的專業(yè)視野，提高自學(xué)能力。首先在教材上打破“學(xué)一門課只讀一本書”的現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生圍繞項(xiàng)目任務(wù)研讀幾本推薦教材，然后根據(jù)實(shí)際需要自主選取所需的教材內(nèi)容，進(jìn)行知識(shí)構(gòu)建，教師可以綜合不同學(xué)生的知識(shí)需要，作為精講內(nèi)容的補(bǔ)充。另外，根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)的需要，要求學(xué)生學(xué)會(huì)數(shù)學(xué)建模和相關(guān)建模軟件的編程方法，提高工具知識(shí)的應(yīng)用能力。

3 考核方案設(shè)置

教學(xué)方案的改革要求考核方式也要多樣化。針對(duì)基本概念、理論和計(jì)算仍采取閉卷考核。但項(xiàng)目任務(wù)的完成是團(tuán)隊(duì)協(xié)作和綜合能力的體現(xiàn)，這主要通過探索性表現(xiàn)、創(chuàng)新性表現(xiàn)、任務(wù)結(jié)果以及小組報(bào)告等綜合評(píng)定。自學(xué)自研則以專題報(bào)告的方式檢查，安排學(xué)生之間的互評(píng)。這樣的組合考核方法，既能讓學(xué)生以主動(dòng)探索、積極動(dòng)手的輕松心態(tài)完成知識(shí)的學(xué)習(xí)，又能培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的綜合能力。

在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)中，通過項(xiàng)目任務(wù)加強(qiáng)學(xué)生系統(tǒng)分析和數(shù)學(xué)建模的訓(xùn)練，有助于提升學(xué)生分析解決實(shí)際工程問題的能力。同時(shí)教學(xué)方式的變革也提高了對(duì)教師的要求，因?yàn)轫?xiàng)目任務(wù)源自工程實(shí)踐，要求教師不斷地參與科研項(xiàng)目，追蹤學(xué)科前沿，隨時(shí)更新教學(xué)素材。培養(yǎng)應(yīng)用型人才，教學(xué)改革勢(shì)在必行，希望通過筆者的探索，推進(jìn)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革，培養(yǎng)出具有解決實(shí)際工程問題能力的人才。

[1] 陳冬,張立新,賈文敬.數(shù)學(xué)素質(zhì)與應(yīng)用型人才[J].大學(xué)數(shù)學(xué),2006,22(4):11-13.

[2] 方榮.如何培養(yǎng)有創(chuàng)新精神的人—錢偉長教授談教育創(chuàng)新[J].群言,2001,1:4-7.

[3] 張立勛,黃筱調(diào).機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2007.

[4] 程憲春,姜曉微.機(jī)械類工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)與實(shí)踐教學(xué)改革研究[J].現(xiàn)代教育科學(xué),2010,5:161-162.

Exploring of teaching reform for the course of design of mechatronics system

Ding Wenzheng1, Wang Juan2, Wang Mulan1
1. Nanjing institute of technology, Nanjing, 211167, China 2. Jiangsu institute of economic & trade technology, Nanjing, 211168, China

A new teaching mode was suggested according to the characteristic of the course of design of mechatronics system. Mathematical modeling method and project-teaching method were implemented in this mode. The teaching reform scheme was presented which included the project task, ref nable teaching and teaching by oneselves, and a new assessing approach was established which was focus on the ability of the students. By this teaching mode, we hope that the students could improve the ability of solving the practical engineering problems through abstracting the model.

mechatronics; mathematical modeling; project-teaching

2011-08-19

丁文政，博士，講師。王娟，碩士，講師。汪木蘭，博士，教授，主任。

本文系南京工程學(xué)院2010年教學(xué)改革重大項(xiàng)目(編號(hào)：JG201002)和南京工程學(xué)院2010年教研重大課題(編號(hào)：JY201004)的階段性研究成果。