尤麗華 張秋菊 吳靜靜 陳海衛(wèi) 安偉

摘要：在實(shí)施卓越工程師培養(yǎng)計劃的教學(xué)實(shí)踐中，針對《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程進(jìn)行教學(xué)模式探索，提出了多層次任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法，歸納設(shè)計教學(xué)內(nèi)容一條主線，定任務(wù)、分層次展開教學(xué)。根據(jù)認(rèn)知規(guī)律把理論教學(xué)和實(shí)際訓(xùn)練在這條主線上融合成有機(jī)的整體并分層次循序漸進(jìn)地進(jìn)行教與學(xué)。突破傳統(tǒng)的課堂教學(xué)和實(shí)踐訓(xùn)練相對分割，學(xué)生聽多思少、看多練少、寫多做少的低效率教學(xué)模式，經(jīng)過幾年教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)效果顯著，為綜合性強(qiáng)、知識覆蓋范圍寬的工科專業(yè)課程教學(xué)改革提供了思路。

關(guān)鍵詞：卓越課程；教學(xué)模式；多層次任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法；機(jī)電一體化

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）05-0269-03

21世紀(jì)對人才的需求向兩級化發(fā)展，一是多元化，二是專門化，大學(xué)教育模式也在隨之發(fā)生改變。隨著國家試行的卓越工程師培養(yǎng)計劃的實(shí)施，大學(xué)工科教育需要實(shí)行“厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐、強(qiáng)能力、彰個性”的培養(yǎng)模式。特別是和新興學(xué)科密切相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的教育，由于其知識的理論性、綜合性、實(shí)踐性強(qiáng)，對于教育培養(yǎng)模式和教學(xué)方法的革新尤其重要。針對機(jī)電工程專業(yè)的核心課程《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計》，筆者進(jìn)行了多年的教學(xué)方法探索，在卓越課程建設(shè)中，對教學(xué)內(nèi)容、內(nèi)容的相互關(guān)系、學(xué)習(xí)的層次和進(jìn)程、理論和實(shí)踐如何相長等一系列問題進(jìn)行了進(jìn)一步的分析、梳理，在研究了認(rèn)知規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)踐了多層次任務(wù)驅(qū)動遞進(jìn)教學(xué)方法，取得了較好的效果。

一、課程分析

1.課程特點(diǎn)?！稒C(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程特點(diǎn)是：（1）課程內(nèi)容知識面廣，涵蓋了計算機(jī)及信息處理技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等。和當(dāng)代新技術(shù)發(fā)展緊密相關(guān)，學(xué)習(xí)掌握有難度。（2）課程既有較強(qiáng)的理論性更具實(shí)踐性，理論聯(lián)系實(shí)際的特點(diǎn)非常突出，學(xué)生需要具備機(jī)電專業(yè)的基本理論知識和一定的分析、動手能力[1]。（3）和其他課程的縱橫向聯(lián)系比較緊密，學(xué)生前面的課程沒有學(xué)好會在本課程的學(xué)習(xí)中遇到阻力和困惑。（4）技術(shù)發(fā)展快，不像經(jīng)典理論課程幾十年不變，該課程需要不斷隨著技術(shù)發(fā)展更新內(nèi)容。

2.課程內(nèi)容分析。機(jī)電一體化技術(shù)是以六項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，涵蓋機(jī)械技術(shù)、電子及計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)，它們統(tǒng)稱為21世紀(jì)高新技術(shù)中基礎(chǔ)技術(shù)[2][3]。眾多的內(nèi)容融合在一門課程中，只有充分分析課程內(nèi)容之間的結(jié)合點(diǎn)，將內(nèi)容有機(jī)地串在一起形成一條主線，才能形成有序的教學(xué)進(jìn)程，在有限的教學(xué)學(xué)時內(nèi)達(dá)到教學(xué)目的。機(jī)電一體化系統(tǒng)由五大結(jié)構(gòu)要素和兩個聯(lián)接要素組成，五大結(jié)構(gòu)要素：機(jī)械結(jié)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力源；兩個聯(lián)接要素：各結(jié)構(gòu)要素間的接口、使各要素協(xié)同工作的相關(guān)軟件。圖1.1表達(dá)了各要素及其關(guān)系圖。圖中的各構(gòu)成要素所涉及技術(shù)與六項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù)相對應(yīng)。該課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容就是以結(jié)構(gòu)要素和聯(lián)接要素為具象的六項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù)。

二、教學(xué)方法探索

1.認(rèn)知規(guī)律分析。人的認(rèn)識規(guī)律一般是從宏觀到微觀、從微觀再到宏觀的過程，還要螺旋式反復(fù)才能認(rèn)知。如圖2.1宏觀到微觀，微觀至宏觀的遞進(jìn)循環(huán)認(rèn)識過程。宏觀時看到整體或只是表象，從宏觀到微觀的過程是將對象進(jìn)行分解，如圖2.1中的1、2、3…n部分。當(dāng)人們對一個對象中包含的各個內(nèi)容已經(jīng)認(rèn)知，接下來就要解決從微觀到宏觀的問題，也就是如何把各個知識點(diǎn)綜合形成系統(tǒng)的知識鏈。對整體的新的宏觀認(rèn)識相比開始的宏觀認(rèn)識就會有質(zhì)的飛躍。這個過程需要分層次的反復(fù)進(jìn)行，才能有效的和人的認(rèn)知過程相適應(yīng)。

我們不妨認(rèn)為存在兩種認(rèn)知循環(huán)，第一種為切入循環(huán)，第二種為遞進(jìn)循環(huán)。在各循環(huán)間具有認(rèn)知層次的不同。根據(jù)認(rèn)知者的差異和需要達(dá)到的目的，認(rèn)知所需的遞進(jìn)循環(huán)次數(shù)不同，但是絕大多數(shù)認(rèn)知者都必須要經(jīng)歷切入循環(huán)、遞進(jìn)循環(huán)。比如切入循環(huán)的認(rèn)知程度至少使認(rèn)知者能夠清晰地描述對象的構(gòu)成和構(gòu)成要素的特征。遞進(jìn)循環(huán)使認(rèn)知者能夠認(rèn)知對象構(gòu)成的本質(zhì)和方法，認(rèn)知的深入程度取決于遞進(jìn)循環(huán)的次數(shù)，以及循環(huán)過程中對大腦的刺激方法。以上分析表明，分層次的遞進(jìn)訓(xùn)練教學(xué)模式是科學(xué)的方法。

2.多層次遞進(jìn)教學(xué)法。多層次遞進(jìn)教學(xué)首先解決三個主要問題，一是要合理地分清層次，二是教學(xué)內(nèi)容載體的確定，三是教學(xué)激勵方法。根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程理論性和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，教學(xué)可分成三個層次：第一層次是課堂理論教學(xué)和分解知識訓(xùn)練，第二層是實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計編程訓(xùn)練，第三層是專業(yè)化設(shè)計訓(xùn)練。三個層次都和深化理論、加強(qiáng)實(shí)踐能力培養(yǎng)相關(guān)，訓(xùn)練的力度是遞進(jìn)深化的。教學(xué)內(nèi)容載體即體現(xiàn)理論知識的典型具象，確定典型實(shí)際系統(tǒng)作為教學(xué)內(nèi)容的載體。學(xué)習(xí)激勵方法是不可偏廢的，經(jīng)過分析研究，采用以任務(wù)為驅(qū)動的激勵方法和多層次遞進(jìn)教學(xué)法?！叭蝿?wù)驅(qū)動”是實(shí)施探究式教學(xué)模式的一種常用教學(xué)方式[4]。它的顯著特征是：教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)基于幾項(xiàng)給定的具體任務(wù)展開，適合于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和獨(dú)立分析問題、解決問題的能力，尤其適用于實(shí)踐性較強(qiáng)的理工科的教學(xué)。但簡單、孤立的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)已經(jīng)不能滿足要求，本文實(shí)施的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)是分層次逐步深化的教學(xué)體系。圖2.2顯示了三個層次的任務(wù)驅(qū)動遞進(jìn)教學(xué)法。分為基礎(chǔ)性任務(wù)、實(shí)驗(yàn)室任務(wù)（實(shí)踐訓(xùn)練）、專業(yè)設(shè)計任務(wù)。理論知識應(yīng)該始終貫穿在各個任務(wù)驅(qū)動環(huán)節(jié)。各層次任務(wù)驅(qū)動教學(xué)對于學(xué)生的認(rèn)知過程都是一次宏觀到微觀、微觀再到宏觀的循環(huán)。

三、教學(xué)方法實(shí)踐

為了便于實(shí)施，在教學(xué)過程中采用了三級任務(wù)驅(qū)動遞進(jìn)教學(xué)法，即基礎(chǔ)性任務(wù)驅(qū)動、實(shí)驗(yàn)室任務(wù)驅(qū)動和創(chuàng)新型任務(wù)驅(qū)動。

1.基礎(chǔ)性任務(wù)驅(qū)動教學(xué)。在切入學(xué)習(xí)內(nèi)容的課堂理論教學(xué)和初級層次的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)環(huán)節(jié)，教學(xué)內(nèi)容載體的選取和基礎(chǔ)驅(qū)動任務(wù)的確定應(yīng)該是統(tǒng)一的，選取原則是在專業(yè)范疇中具有典型性、基礎(chǔ)性。本課程選擇的內(nèi)容載體是數(shù)控進(jìn)給工作臺，在機(jī)械工程及自動化專業(yè)領(lǐng)域中是典型的位置伺服系統(tǒng)。具有機(jī)電一體化系統(tǒng)的全部構(gòu)成要素。該系統(tǒng)在機(jī)械傳動部分涉及新型的傳動元件、新材料、新工藝等內(nèi)容；在檢測元件方面涉及對速度、位置的檢測方法、信號的處理等；在執(zhí)行元件方面涉及控制與驅(qū)動方法；在控制器方面涉及計算機(jī)及電子電路構(gòu)成，相關(guān)軟件涉及控制理論及方法等；另外使各組成要素成為有機(jī)整體的接口技術(shù)等?？傮w設(shè)計的基本思路是根據(jù)系統(tǒng)性能要求，合理選擇、設(shè)計和整合各構(gòu)成要素，其中系統(tǒng)穩(wěn)定性、精度和速度是需要著重考慮的內(nèi)容[5]。在課堂教學(xué)中以該位置伺服系統(tǒng)作載體，分五大結(jié)構(gòu)要素剖析知識點(diǎn)，同時給學(xué)生下達(dá)基礎(chǔ)性分步設(shè)計任務(wù)——數(shù)控進(jìn)給工作臺設(shè)計。課堂教學(xué)中完成結(jié)構(gòu)知識學(xué)習(xí)后，學(xué)生設(shè)計相應(yīng)的結(jié)構(gòu)要素，當(dāng)教學(xué)內(nèi)容完成，學(xué)生的設(shè)計工作也完成了。這樣把教學(xué)內(nèi)容貫穿于課題，使學(xué)生學(xué)有所用、即學(xué)即用，比學(xué)完課程再來搞實(shí)踐有效得多。這種方法首先激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自覺性，學(xué)習(xí)的針對性強(qiáng)，對知識點(diǎn)的掌握更快、更扎實(shí)。采取這樣的教學(xué)方法學(xué)生需要更多的課后答疑和指導(dǎo)，教與學(xué)雙方交流形成良好的相長狀態(tài)。

2.實(shí)驗(yàn)室任務(wù)驅(qū)動教學(xué)。實(shí)驗(yàn)室任務(wù)驅(qū)動教學(xué)分兩種，一種是對基礎(chǔ)性任務(wù)過程中的設(shè)計環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，另一種是應(yīng)用性實(shí)踐訓(xùn)練。采用一體化教學(xué)方法，即把理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)融為一體，作為對課堂教學(xué)的補(bǔ)充和提高。如果說，前面的基礎(chǔ)性任務(wù)驅(qū)動教學(xué)在認(rèn)知循環(huán)中屬于切入循環(huán)，實(shí)驗(yàn)室任務(wù)驅(qū)動教學(xué)則進(jìn)入到了遞進(jìn)循環(huán)。實(shí)踐驗(yàn)證性的任務(wù)主要針對數(shù)控進(jìn)給工作臺設(shè)計中需要經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)知識點(diǎn)，如新型傳動元件的應(yīng)用，伺服電機(jī)控制，編碼盤、光柵的檢測原理、信號處理等。在伺服電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生被要求對步進(jìn)電機(jī)的加減速方法、直流和交流伺服電機(jī)的控制等進(jìn)行控制方法設(shè)計、實(shí)際編程運(yùn)行，控制精度評價等。使學(xué)生發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的參數(shù)選取、系統(tǒng)配置中的問題。應(yīng)用性的實(shí)驗(yàn)室任務(wù)加入了設(shè)計環(huán)節(jié)，相比實(shí)踐驗(yàn)證性任務(wù)具有系統(tǒng)性、綜合性。具體做法是：在數(shù)控進(jìn)給工作臺的基礎(chǔ)上，給學(xué)生下達(dá)相對復(fù)雜一些的機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計驗(yàn)證任務(wù)，比如自動上料系統(tǒng)、物料分揀系統(tǒng)等，學(xué)生首先根據(jù)下達(dá)的任務(wù)，分析功能和參數(shù)，進(jìn)行設(shè)計，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行系統(tǒng)搭建，并按要求進(jìn)行編程、調(diào)試。這一環(huán)節(jié)需要學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，有機(jī)綜合各知識點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計、驗(yàn)證，完成微觀向宏觀的認(rèn)識遞進(jìn)。

3.創(chuàng)新型任務(wù)驅(qū)動教學(xué)。創(chuàng)新型任務(wù)驅(qū)動教學(xué)環(huán)節(jié)主要是模擬學(xué)生走上設(shè)計崗位后的工作模式，進(jìn)行實(shí)際課題訓(xùn)練。設(shè)計課題涉及的技術(shù)問題是典型的機(jī)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)、當(dāng)前行業(yè)中需要解決的技術(shù)課題。學(xué)生們組成課題組，由學(xué)生自己擔(dān)任課題組長，課題組成員之間既分工又合作共同完成設(shè)計，各個小組成員橫向交流，共同進(jìn)步[6]。課題以伺服系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在實(shí)際的課題和真實(shí)的設(shè)計環(huán)境中，使學(xué)生找到了角色定位，強(qiáng)化了責(zé)任感，激發(fā)了學(xué)習(xí)潛能。

課題的設(shè)計過程要求學(xué)生完成以下幾個設(shè)計步驟：（1）系統(tǒng)總體設(shè)計：從整體目標(biāo)出發(fā)綜合分析設(shè)計對象的性能設(shè)計總體方案。（2）機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計：機(jī)械系統(tǒng)機(jī)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度和運(yùn)動計算。（3）接口設(shè)計：人機(jī)接口和機(jī)電接口的硬件設(shè)計、程序編制。（4）檢測系統(tǒng)設(shè)計：研究檢測方法、合理選擇傳感器和檢測電路、信號預(yù)處理方法等。（5）執(zhí)行元件選擇：分析執(zhí)行元件的性能、選擇執(zhí)行元件。（6）控制系統(tǒng)設(shè)計：控制系統(tǒng)硬件設(shè)計、軟件的編制。最終提交設(shè)計總圖、電路原理圖、程序框圖、部分程序、系統(tǒng)搭建和調(diào)試、設(shè)計說明書等技術(shù)資料。學(xué)生進(jìn)一步應(yīng)用理論解決實(shí)際問題，培養(yǎng)科研能力、鍛煉工程素質(zhì)、開拓創(chuàng)新精神以及團(tuán)隊(duì)合作能力。全面訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用本專業(yè)基礎(chǔ)知識進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)創(chuàng)新性設(shè)計的能力。在這一環(huán)節(jié)的教學(xué)中，學(xué)生顯現(xiàn)了較高的學(xué)習(xí)積極性，設(shè)計出很多好的方案。

四、結(jié)論

1.按科學(xué)的認(rèn)知規(guī)律，設(shè)計教學(xué)方法和進(jìn)程，提出并實(shí)踐了多層次任務(wù)驅(qū)動遞進(jìn)教學(xué)法，并取得了很好的效果，證明了所提出的教學(xué)方法的科學(xué)性和實(shí)際推廣價值。

2.基于多層次任務(wù)驅(qū)動遞進(jìn)教學(xué)法以不同層次任務(wù)為主線、以遞進(jìn)循環(huán)方式為向?qū)?、以發(fā)揮學(xué)生主觀學(xué)習(xí)意識為著力點(diǎn)，為學(xué)生營造理論和實(shí)際結(jié)合、認(rèn)識和能力結(jié)合、學(xué)習(xí)和創(chuàng)新結(jié)合、課堂和工程環(huán)境結(jié)合的新型培養(yǎng)環(huán)境的理念和條件，為卓越工程師人才的培養(yǎng)奠定了環(huán)境基礎(chǔ)。

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