王曉云 李夢(mèng)

【摘 要】《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》是大機(jī)械類專業(yè)的一門(mén)主干課程，該門(mén)課程的教學(xué)效果極大影響學(xué)生未來(lái)的創(chuàng)造力。本文針對(duì)目前該門(mén)課程教學(xué)中出現(xiàn)的理論授課枯燥，脫離實(shí)際應(yīng)用等問(wèn)題，提出基于CDIO的項(xiàng)目化教學(xué)改革，從教學(xué)思維到教學(xué)方式都提出了大膽的嘗試。通過(guò)課程改革，不僅增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，且提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。

【關(guān)鍵詞】CDIO；項(xiàng)目教學(xué)；教學(xué)改革

【中圖分類號(hào)】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2095-3089（2018）31-0004-02

一、引言

《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器、機(jī)械電子工程專業(yè)的主干課程和平臺(tái)課程，該課程將機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣及電子技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等多學(xué)科不同領(lǐng)域的技術(shù)融于一體，是對(duì)相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程所授知識(shí)的補(bǔ)充和綜合應(yīng)用。課程最終目的要求學(xué)生具備能夠綜合運(yùn)用機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)的各類知識(shí)完成從分析、設(shè)計(jì)到優(yōu)化等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的能力。

近幾年來(lái)，隨著信息化與工業(yè)化融合，機(jī)電一體化技術(shù)也隨著網(wǎng)絡(luò)化的融入邁入智能化階段，其在各個(gè)工業(yè)行業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用的同時(shí)，催生了相關(guān)技術(shù)的更新?lián)Q代及升級(jí)。比如工業(yè)4.0強(qiáng)調(diào)了“信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)”，以信息驅(qū)動(dòng)機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行，除了傳統(tǒng)的制造過(guò)程外，傳感器提供原始數(shù)據(jù)以及控制系統(tǒng)所需的反饋，智能嵌入式設(shè)備進(jìn)行判斷并通過(guò)無(wú)線互連以協(xié)同工作。機(jī)電行業(yè)正在歷經(jīng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化帶來(lái)的升級(jí)，與之相應(yīng)，本門(mén)課程也應(yīng)順應(yīng)對(duì)市場(chǎng)巨變下對(duì)人才規(guī)格的需求，進(jìn)行相應(yīng)的改革，以期適應(yīng)市場(chǎng)的要求。

二、教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前，多數(shù)高校中該門(mén)課程采用理論教學(xué)方式，按照機(jī)電一體化相關(guān)概念、執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)裝置、測(cè)量與傳感裝置、嵌入式控制系統(tǒng)以及系統(tǒng)集成及應(yīng)用等幾大模塊進(jìn)行授課，每個(gè)模塊細(xì)分為對(duì)應(yīng)相關(guān)基礎(chǔ)課程的若干個(gè)篇章，與該門(mén)課程配套的教材通常也按照上述模塊編排，知識(shí)點(diǎn)較為分散，系統(tǒng)集成及應(yīng)用部分仍停留在傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的講解上，已不適應(yīng)現(xiàn)階段應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。

該課程應(yīng)著眼于學(xué)生系統(tǒng)工程意識(shí)和機(jī)電綜合能力的培養(yǎng)，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力要求很高，縱觀我國(guó)高?！稒C(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)模式，普遍存在以下不足：

1.教學(xué)內(nèi)容。

本課程通常于三年級(jí)開(kāi)設(shè)，在課程開(kāi)設(shè)之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了機(jī)械原理、控制理論、檢測(cè)技術(shù)等相關(guān)課程，課程教學(xué)中只是各部分知識(shí)的簡(jiǎn)單重復(fù)和回顧。且課堂教學(xué)內(nèi)容為對(duì)知識(shí)點(diǎn)的講述雖覆蓋面廣，但知識(shí)點(diǎn)零散，互聯(lián)性差，知識(shí)模塊之間無(wú)法銜接融合，不利于學(xué)生掌握實(shí)際產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)用到的多學(xué)科知識(shí)的交叉和互聯(lián)。本門(mén)課程教材注重基礎(chǔ)知識(shí)的冗長(zhǎng)理論推理，技術(shù)不能及時(shí)更新，時(shí)效性差，原理性內(nèi)容介紹與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用相差甚遠(yuǎn)，與當(dāng)前機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展脫節(jié)，且不符合地域性機(jī)電類綜合人才的培養(yǎng)。課程應(yīng)用實(shí)際操作性差，學(xué)生對(duì)系統(tǒng)的概念較為模糊，在實(shí)例講解過(guò)程中，學(xué)生知識(shí)被動(dòng)接受，對(duì)方案設(shè)計(jì)的優(yōu)化并無(wú)實(shí)質(zhì)性的理解，主動(dòng)性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析更少之又少。

2.教學(xué)方式。

理論授課以單方面的講授為主，往往是知識(shí)的灌輸，教學(xué)方式單一，學(xué)生被動(dòng)的學(xué)習(xí)和記憶。實(shí)踐教學(xué)課時(shí)偏少，缺乏開(kāi)放性、綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)往往采用PLC等成品實(shí)訓(xùn)設(shè)備，并不符合該課程實(shí)訓(xùn)要求和特點(diǎn)，學(xué)生依照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)模仿，談不上系統(tǒng)集成和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。且目前采用的合班上課形式難以兼顧實(shí)踐教學(xué)分離，使其與理論教學(xué)分離，教學(xué)效果大大減弱。

3.教學(xué)管理。

考核方式單一，以一張?jiān)嚲韥?lái)決定學(xué)生是否合格無(wú)法體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新和應(yīng)用能力。常規(guī)性書(shū)面作業(yè)無(wú)法提升學(xué)生的系統(tǒng)應(yīng)用能力，若日常無(wú)反饋，無(wú)法掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)也就無(wú)從談起。如果能轉(zhuǎn)換教學(xué)方式，以學(xué)生為主體，主動(dòng)的學(xué)習(xí)，這樣在教學(xué)效果上會(huì)有很大提高

三、基于CDIO的項(xiàng)目化課程實(shí)施方案

在高等教育進(jìn)入大眾化階段后，應(yīng)用型本科教育逐步被世界各國(guó)所提倡和推廣。應(yīng)用型人才通常定義為復(fù)合性人才，即，學(xué)生具有以深厚專業(yè)理論和可供廣泛遷移的知識(shí)平臺(tái)，且具備利用知識(shí)和技術(shù)解決生產(chǎn)、服務(wù)、管理等方面的實(shí)際應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力及社會(huì)適應(yīng)能力。簡(jiǎn)單的說(shuō)，即具有解決實(shí)際問(wèn)題能力的人。

以應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求為導(dǎo)向的本科教育，特別針對(duì)適應(yīng)當(dāng)前工業(yè)發(fā)展需求的新型機(jī)電類人才培養(yǎng)，提出基于CDIO的項(xiàng)目主動(dòng)體驗(yàn)式教學(xué)改革[1，2]，即利用CDIO工程教育模式（構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）），以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，將工程和產(chǎn)品的概念融入實(shí)際教學(xué)中，以實(shí)際機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的課程實(shí)例，探索一種新型的學(xué)生體驗(yàn)式主動(dòng)學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，讓學(xué)生真正的以自主、實(shí)踐、交互的方式學(xué)習(xí)本課程，掌握課程的精髓并應(yīng)用于工程實(shí)踐中，培養(yǎng)真正的機(jī)電類產(chǎn)業(yè)工程師和應(yīng)用型本科人才。

CDIO理念強(qiáng)調(diào)了學(xué)生以主動(dòng)實(shí)踐建立在真實(shí)世界的產(chǎn)品和系統(tǒng)來(lái)學(xué)習(xí)和領(lǐng)會(huì)交叉學(xué)科間的有機(jī)聯(lián)系，《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程涵蓋了多領(lǐng)域技術(shù)，恰恰為開(kāi)展以CDIO為主線的教學(xué)提供了課程改革的土壤。本課程與生產(chǎn)、生活實(shí)際緊密聯(lián)系，以實(shí)際項(xiàng)目為載體，結(jié)合案例分析、討論與互動(dòng)、實(shí)踐教學(xué)等多種方式開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。

1.教學(xué)思想改革。

《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程不死板的照搬傳統(tǒng)的教學(xué)模式和教學(xué)方式，教學(xué)過(guò)程中，滲透CDIO教學(xué)理念，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)式學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

課程以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為導(dǎo)向和原則，以提高學(xué)生綜合運(yùn)用各領(lǐng)域知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力為目的，盡可能地互聯(lián)并貫通課程中的知識(shí)點(diǎn)，穿插入與課程相關(guān)的研究項(xiàng)目和實(shí)際技術(shù)問(wèn)題中，讓學(xué)生深入學(xué)習(xí)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中各個(gè)階段所涉及的專業(yè)技術(shù)知識(shí)以及具體問(wèn)題解決方法，在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，提出可能出現(xiàn)的問(wèn)題和相應(yīng)的解決方案，從而提高學(xué)生綜合運(yùn)用本專業(yè)知識(shí)分析、理解和解決實(shí)踐問(wèn)題的能力。

2.教學(xué)內(nèi)容建設(shè)。

（1）教學(xué)規(guī)劃重新設(shè)置。

從教學(xué)規(guī)劃始，依照CDIO教學(xué)理念重新編寫(xiě)教學(xué)大綱、教學(xué)和課程規(guī)劃；編寫(xiě)適應(yīng)本地域的機(jī)電類人才的教材，制作多媒體課件，完善課程的教學(xué)和課程設(shè)計(jì)題目的編寫(xiě)，精選實(shí)際案例進(jìn)行編寫(xiě)和項(xiàng)目流程設(shè)計(jì)。課時(shí)分配方面，傳統(tǒng)的課堂講授比例減小，加入實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐訓(xùn)練及項(xiàng)目環(huán)節(jié)。

（2）知識(shí)精講。

學(xué)生在本門(mén)課程開(kāi)設(shè)之前學(xué)習(xí)了機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成部分的原理，理論授課時(shí)則以知識(shí)體系為主線，重點(diǎn)是課程內(nèi)容中知識(shí)模塊之間的銜接融合部分，而多學(xué)科知識(shí)點(diǎn)間的交叉往往是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)的精講，以點(diǎn)帶面，達(dá)到知識(shí)的融會(huì)貫通。

（3）介紹最新的技術(shù)。

從機(jī)電結(jié)合的角度介紹機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用領(lǐng)域、典型機(jī)電一體化產(chǎn)品的分析與設(shè)計(jì)等內(nèi)容。結(jié)合最新的研究成果，介紹當(dāng)前行業(yè)動(dòng)態(tài)，避免教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)際脫離。增加反映學(xué)科發(fā)展的新系統(tǒng)、新案例，明確機(jī)械、電子、測(cè)控等各部分內(nèi)容的相互聯(lián)系和結(jié)合，體現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的系統(tǒng)性及實(shí)用性。

3.教學(xué)模式建設(shè)。

完善“基于CDIO的項(xiàng)目主動(dòng)體驗(yàn)式教學(xué)”的《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)模式。以項(xiàng)目訓(xùn)練為應(yīng)用型人才培養(yǎng)的主要方式，推進(jìn)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的基于探索和實(shí)踐的教學(xué)改革。按照實(shí)際項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)規(guī)劃和組織教學(xué)活。探索與研究應(yīng)用性人才培養(yǎng)相適應(yīng)的教學(xué)方法與手段，形成具有專業(yè)特色的一流教學(xué)內(nèi)容和方法。

（1）討論與互動(dòng)教學(xué)模式。

教學(xué)過(guò)程本身應(yīng)為教師和學(xué)生以信息為載體的互動(dòng)過(guò)程。為了使學(xué)生積極加入到課堂教學(xué)，形成從被動(dòng)聽(tīng)課到主動(dòng)參與的轉(zhuǎn)變，課程將設(shè)計(jì)理論和研究項(xiàng)目的教學(xué)過(guò)程存在的相關(guān)理論和技術(shù)問(wèn)題融于討論。以實(shí)例為引線，從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生思考并發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的精髓，并以學(xué)生上臺(tái)講演和討論互動(dòng)為教學(xué)方式，以具體問(wèn)題的理論基礎(chǔ)和提出解決問(wèn)題的方法為討論內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生聽(tīng)課的熱情和參與討論的積極性，引導(dǎo)學(xué)生形成解決實(shí)際工程問(wèn)題的思考過(guò)程，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的綜合能力[3]。

（2）增設(shè)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目環(huán)節(jié)，與工程實(shí)踐相結(jié)合，與科研活動(dòng)相結(jié)合。

實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)及項(xiàng)目教學(xué)是本課程教學(xué)改革的重中之重，在實(shí)際技術(shù)問(wèn)題解決的過(guò)程中秉承CDIO教學(xué)理念，提高應(yīng)用機(jī)電一體化理論知識(shí)、分析和設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的工程實(shí)踐能力。因此需要建立多層次的實(shí)驗(yàn)體系，并積極探索面向解決問(wèn)題綜合性實(shí)驗(yàn)和面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的開(kāi)放性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等多種實(shí)踐形式[4]。

增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，在課堂教學(xué)之外利用已有的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)條件讓學(xué)生接觸實(shí)際的機(jī)電系統(tǒng)。比如，使用（光）機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)設(shè)備開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)。此類實(shí)驗(yàn)設(shè)備涵蓋了課程習(xí)中涉及的各類驅(qū)動(dòng)、傳感器等多種技術(shù)，為學(xué)生營(yíng)造了典型的機(jī)電產(chǎn)品學(xué)習(xí)認(rèn)知環(huán)境。通過(guò)綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)置，完成系統(tǒng)故障檢測(cè)、站點(diǎn)間聯(lián)網(wǎng)程序控制等，學(xué)生能夠獲得綜合性機(jī)電一體化技術(shù)的初步認(rèn)識(shí)和提升。

在教學(xué)中利用各類競(jìng)賽的契機(jī)和氛圍，帶領(lǐng)學(xué)生開(kāi)發(fā)小型機(jī)電一體化系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生初步的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。例如開(kāi)設(shè)慧魚(yú)機(jī)器人的組裝和調(diào)試環(huán)節(jié)，不僅能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，亦可鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)能力，鍛煉其實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

為了提高學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和工程意識(shí)，在本課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)中開(kāi)設(shè)項(xiàng)目任務(wù)教學(xué)模式。項(xiàng)目教學(xué)以工程實(shí)踐為導(dǎo)向，通過(guò)完成一個(gè)完整的“項(xiàng)目”工作而進(jìn)行的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。通過(guò)將一個(gè)明確的“項(xiàng)目任務(wù)”布置給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行資料整理—系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)—子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)—系統(tǒng)方案優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)多類知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用。

項(xiàng)目任務(wù)加強(qiáng)學(xué)生系統(tǒng)分析的訓(xùn)練，有助于提升學(xué)生分析解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力的同時(shí)，教學(xué)方式的改進(jìn)也提高了對(duì)教師本身科研和教學(xué)能力的要求。項(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，積累的科研成果才可以不斷地充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)水平，從而更好的將工程經(jīng)驗(yàn)服務(wù)于教學(xué)。

4.評(píng)價(jià)體系建設(shè)。

教學(xué)方式的變革要有與之配套的考核方式[5]。改革后的課程評(píng)價(jià)已無(wú)法適用傳統(tǒng)的閉卷考核方式，考核方式中加大過(guò)程性考核，即對(duì)學(xué)生查找資料、知識(shí)應(yīng)用、知識(shí)遷移、分析創(chuàng)新、表達(dá)綜述能力的考察。因此采用理論知識(shí)隨堂考察，實(shí)踐環(huán)節(jié)階段考察、項(xiàng)目任務(wù)附加考察三位一體的考核方式。理論和課程實(shí)驗(yàn)占總成績(jī)不超過(guò)40%，其余為項(xiàng)目任務(wù)所占比例。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)，包括資料的查閱、知識(shí)的運(yùn)用；方案設(shè)計(jì)情況；討論課講解及回答問(wèn)題情況；實(shí)際設(shè)計(jì)情況；實(shí)際動(dòng)手能力的評(píng)價(jià)；總結(jié)報(bào)告質(zhì)量。完善各項(xiàng)目的考核辦法，設(shè)計(jì)項(xiàng)目各環(huán)節(jié)的考核標(biāo)準(zhǔn)，形成對(duì)工程素質(zhì)、實(shí)踐技能、合作能力等綜合評(píng)價(jià)體系。

四、總結(jié)

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門(mén)課程涉及到的技術(shù)領(lǐng)域?qū)?，知識(shí)體量大，使用的方法和實(shí)施的實(shí)際案例及產(chǎn)品始終處于發(fā)展之中，課題組針對(duì)課程存在問(wèn)題，將CDIO理念引入課程教學(xué)中，在教學(xué)內(nèi)容、方式上提出相應(yīng)的改進(jìn)方式，以理論為基礎(chǔ)，以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，著重培養(yǎng)學(xué)生的思維方式和實(shí)踐能力，使學(xué)生能易于地掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念和原理，更深刻透徹地掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)及其應(yīng)用，并能熟練地運(yùn)用課程知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題。

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基金項(xiàng)目：安徽省教育廳質(zhì)量工程教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目2016jyxm0494；安徽信息工程學(xué)院2017年度專業(yè)核心課程建設(shè)項(xiàng)目2017xjkcjs14。