李炳初 ，楊麗紅 ，孫福佳

（上海理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，上海 200240）

機(jī)電一體化是機(jī)械、電氣、電子、控制等多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，其目的是通過(guò)整合多學(xué)科知識(shí)，設(shè)計(jì)、制造和控制集成的機(jī)電產(chǎn)品或系統(tǒng)[1]。機(jī)電一體化是智能制造的重要支撐技術(shù)，機(jī)電一體化領(lǐng)域的創(chuàng)新能力是促進(jìn)行業(yè)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力，對(duì)于實(shí)現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可持續(xù)化具有重要意義[2]。隨著我國(guó)制造業(yè)水平的提升，對(duì)機(jī)電領(lǐng)域綜合型創(chuàng)新人才提出了更迫切的要求，除了扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)之外，綜合型創(chuàng)新人才還應(yīng)具備技術(shù)、產(chǎn)品、管理等多方面的創(chuàng)新能力，其培養(yǎng)難度更大[3]。

作為機(jī)械電子工程重要專業(yè)基礎(chǔ)，“機(jī)電一體化”課程的目標(biāo)是培養(yǎng)具備多學(xué)科綜合素質(zhì)且能夠勝任機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和控制工作的人才。面對(duì)綜合創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)，“機(jī)電一體化”課程教學(xué)需要進(jìn)一步改進(jìn)提升。目前，“機(jī)電一體化”課程教學(xué)采取理論教學(xué)為主，實(shí)踐教學(xué)為輔的教學(xué)模式，且理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)并未針對(duì)性融合[4]。針對(duì)該問(wèn)題，課題組結(jié)合機(jī)械電子工程學(xué)科特點(diǎn)和新教學(xué)理念，從理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、工程教學(xué)三個(gè)方面分析“機(jī)電一體化”課程的教學(xué)模式，探討新教學(xué)理念與教學(xué)技術(shù)。

1 理論教學(xué)

理論教學(xué)是機(jī)電一體化專業(yè)教育的重要組成部分，主要目的是讓學(xué)生了解機(jī)電一體化的基本概念、原理、方法和應(yīng)用，掌握機(jī)電一體化領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)和理論技能[5]。主要包括以下方面。

1）機(jī)電一體化概念和發(fā)展歷程：介紹機(jī)電一體化的基本概念、發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，讓學(xué)生了解機(jī)電一體化的重要性和發(fā)展趨勢(shì)。

2）機(jī)電系統(tǒng)的基本原理：介紹機(jī)械、電子和控制等學(xué)科的基本原理和方法，掌握機(jī)械、電子和控制等學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)和理論技能，為后續(xù)的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制打下基礎(chǔ)。其中基礎(chǔ)知識(shí)框架應(yīng)涵蓋：機(jī)械基礎(chǔ)，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、機(jī)械原理等，主要是為了理解機(jī)械工程在機(jī)電一體化中的重要性和作用；電子基礎(chǔ)，包括電路原理、電子元器件、電子技術(shù)、數(shù)字電路、模擬電路等，主要是為了理解電子工程在機(jī)電一體化中的重要性和作用；自動(dòng)控制基礎(chǔ)，包括自動(dòng)控制原理、控制系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，主要是為了理解控制技術(shù)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用和作用；計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，包括計(jì)算機(jī)原理、編程語(yǔ)言、算法、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)等，主要是為了理解計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用和作用。

3）機(jī)電元器件和傳感器：介紹機(jī)電元器件和傳感器的種類、原理和應(yīng)用，讓學(xué)生了解各種機(jī)電元器件和傳感器的基本功能和應(yīng)用范圍。

4）機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)：介紹機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法，掌握機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本技能，包括機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)電元器件的選擇和搭配、機(jī)電系統(tǒng)性能測(cè)試等。

5）機(jī)電控制技術(shù)：介紹機(jī)電控制技術(shù)的基本原理和方法，掌握機(jī)電控制技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)和理論技能，包括機(jī)電控制系統(tǒng)的建模、控制器的設(shè)計(jì)和調(diào)試等。

在機(jī)電一體化理論教學(xué)中，教師需要結(jié)合具體的案例和實(shí)踐，加強(qiáng)學(xué)生理論與實(shí)踐的結(jié)合，提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，為學(xué)生將來(lái)從事機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和控制等工作做好充分的準(zhǔn)備。

2 實(shí)踐教學(xué)

機(jī)械電子工程的實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的重要途徑，實(shí)踐教學(xué)主要包括課程實(shí)驗(yàn)、操作實(shí)訓(xùn)等形式。實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作，讓學(xué)生掌握理論知識(shí)并培養(yǎng)實(shí)際操作能力[6]。實(shí)踐教學(xué)主要內(nèi)容包括以下方面。

1）機(jī)電元器件實(shí)驗(yàn)：通過(guò)機(jī)電元器件實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解各種機(jī)電元器件的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用，掌握機(jī)電元器件的實(shí)際使用方法和注意事項(xiàng)。

2）機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：通過(guò)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法，掌握機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技能，包括機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)電元器件的選擇和搭配、機(jī)電系統(tǒng)性能測(cè)試等。

3）機(jī)電控制實(shí)驗(yàn)：通過(guò)機(jī)電控制實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解機(jī)電控制技術(shù)的基本原理和方法，掌握機(jī)電控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，包括機(jī)電控制系統(tǒng)的建模、控制器的設(shè)計(jì)和調(diào)試等。

4）機(jī)電產(chǎn)品制造實(shí)驗(yàn)：通過(guò)機(jī)電產(chǎn)品制造實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解機(jī)電產(chǎn)品的制造流程和技術(shù)要求，掌握機(jī)電產(chǎn)品的制造技能，包括機(jī)械加工、電氣裝配、產(chǎn)品測(cè)試等。

實(shí)踐教學(xué)需要配置較好的軟硬件支撐條件。硬件應(yīng)配備一些常見(jiàn)的機(jī)電一體化教學(xué)設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、傳感器實(shí)驗(yàn)裝置、機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)字化智能控制實(shí)驗(yàn)裝置、電子實(shí)驗(yàn)、機(jī)械加工設(shè)備、焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。軟件可以使用計(jì)算機(jī)軟件和仿真技術(shù)來(lái)支持機(jī)電一體化教學(xué)，如MATLAB、SolidWorks、AutoCAD 等，這些軟件可以用來(lái)演示機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析、仿真等，讓學(xué)生更好地理解機(jī)電一體化的理論和實(shí)踐。

3 工程教學(xué)

3.1 工程案例教學(xué)

機(jī)電一體化涉及機(jī)械、電子、控制等多學(xué)科的交叉，學(xué)生往往難以理解各學(xué)科的聯(lián)系，更難以將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程中。而工程案例教學(xué)正是為了解決這一問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，基于真實(shí)的工程案例，以工程問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)模式，旨在幫助學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程中，并提高解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力和水平[7]。

工程案例教學(xué)是一種非常實(shí)用和有效的教學(xué)方法，可以幫助學(xué)生更好地理解工程實(shí)踐中的問(wèn)題和解決方案，提高他們的實(shí)踐能力和解決問(wèn)題的能力。將真實(shí)的工程案例引入課堂，學(xué)生可以通過(guò)分析和解決工程問(wèn)題來(lái)學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識(shí)。這樣的教學(xué)方式不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，更可以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。工程案例教學(xué)需要注意以下要點(diǎn)。

1）選取適當(dāng)?shù)陌咐涸谶M(jìn)行工程案例教學(xué)時(shí)，需要選取符合學(xué)生學(xué)習(xí)層次和興趣愛(ài)好的案例，使學(xué)生更容易理解和接受。

2）建立問(wèn)題意識(shí)：在介紹案例的過(guò)程中，可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，培養(yǎng)他們的問(wèn)題意識(shí)。通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)，可以幫助學(xué)生更好地理解案例中的問(wèn)題和難點(diǎn)。

3）引導(dǎo)分析解決方案：通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生分析案例中的問(wèn)題，幫助他們理解解決問(wèn)題的思路和方法。在引導(dǎo)分析過(guò)程中，可以采用多種分析方法，如系統(tǒng)分析、決策樹(shù)分析、故障分析等。

工程案例教學(xué)可采取交互式教學(xué)方法，教師可以設(shè)置一些問(wèn)題或思考點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)小組討論、角色扮演、模擬演練等方式進(jìn)行互動(dòng)和合作，也可以指導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)資料和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，幫助他們更好地理解工程問(wèn)題和解決方法，提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)效果；在工程案例教學(xué)的過(guò)程中，還可以引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)和反思所學(xué)內(nèi)容，幫助他們進(jìn)一步深化理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。

3.2 工程項(xiàng)目教學(xué)

工程項(xiàng)目教學(xué)是一種非常實(shí)用和有效的教學(xué)方法，可以幫助學(xué)生更好地了解工程實(shí)踐中的問(wèn)題和解決方案，培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。工程項(xiàng)目教學(xué)可以以實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、科研課程、學(xué)科競(jìng)賽指導(dǎo)等形式開(kāi)展。其中，實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)的目標(biāo)是讓學(xué)生在實(shí)際工程項(xiàng)目中實(shí)踐應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，加深對(duì)工程實(shí)踐的認(rèn)識(shí)和理解。實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)可以在企業(yè)、研究所、大學(xué)實(shí)驗(yàn)室等實(shí)際工程環(huán)境中進(jìn)行，讓學(xué)生了解實(shí)際工程項(xiàng)目的組織和管理方式，熟悉工程實(shí)踐中的工具和流程。在工程項(xiàng)目教學(xué)中，教師應(yīng)注意以下方面。

1）設(shè)定明確的目標(biāo)：明確項(xiàng)目的目標(biāo)和要求可使學(xué)生更清楚地知道項(xiàng)目的意義和目的，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2）組織合適的團(tuán)隊(duì)：工程項(xiàng)目往往需要多人協(xié)同，合理組織學(xué)生團(tuán)隊(duì)是重要環(huán)節(jié)，使每個(gè)學(xué)生能夠發(fā)揮自己的特長(zhǎng)，同時(shí)要注重團(tuán)隊(duì)的協(xié)作和溝通能力。

3）設(shè)計(jì)詳細(xì)的計(jì)劃：制定詳細(xì)的項(xiàng)目計(jì)劃，包括項(xiàng)目的時(shí)間、進(jìn)度、任務(wù)分工等，使學(xué)生能夠清晰地了解項(xiàng)目的安排和要求，同時(shí)能夠合理分配時(shí)間和任務(wù)。

4）引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作：讓學(xué)生親身體驗(yàn)從問(wèn)題提出到解決方案構(gòu)思再到解決方案執(zhí)行的完整過(guò)程，掌握解決問(wèn)題的方法和技巧。

在工廠項(xiàng)目教學(xué)中，需要為學(xué)生提供必要的資源支持，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備、工具、技術(shù)指導(dǎo)等，以便學(xué)生能夠順利完成項(xiàng)目任務(wù)。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行總結(jié)和反思，幫助他們進(jìn)一步深化理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，并在項(xiàng)目實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。課程項(xiàng)目還應(yīng)注意合理選題，從多方面衡量項(xiàng)目任務(wù)。

1）實(shí)踐意義：能夠解決實(shí)際問(wèn)題，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)、自動(dòng)化控制等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價(jià)值。

2）創(chuàng)新性：對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題的準(zhǔn)確凝練與挖掘。

3）學(xué)生興趣和能力：題目范圍應(yīng)較為廣泛，兼顧多數(shù)同學(xué)的研究興趣和能力。

4 創(chuàng)新能力培養(yǎng)

創(chuàng)新能力培養(yǎng)是教學(xué)的重要目標(biāo)，也是極具挑戰(zhàn)的目標(biāo)。培養(yǎng)創(chuàng)新能力，除了靈活掌握專業(yè)知識(shí)外，還需要開(kāi)闊的視野和先進(jìn)的思維方法[8]。在視野方面，需要深入了解機(jī)械電子工程領(lǐng)域的前沿技術(shù)，通過(guò)學(xué)術(shù)會(huì)議、研討會(huì)、交流講座等方式拓展視野，掌握行業(yè)內(nèi)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)，了解國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)和應(yīng)用案例；在思維方法方面，學(xué)會(huì)多方位思考問(wèn)題，發(fā)展多元化的思維方式，從不同的角度、層面、維度看待同一個(gè)問(wèn)題，具有跨界思維和創(chuàng)新思維。另外，需要多元化學(xué)習(xí)，除學(xué)習(xí)機(jī)械電子工程領(lǐng)域的知識(shí)，還需要了解其他學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，如材料、物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)等，這樣可以促進(jìn)知識(shí)的交叉融合，從而產(chǎn)生更多的創(chuàng)新想法。

在創(chuàng)新能力培養(yǎng)上，參與科研項(xiàng)目是一種重要的形式，應(yīng)通過(guò)項(xiàng)目課程、科研助理等方式，鼓勵(lì)并組織本科階段的同學(xué)參加科研項(xiàng)目。通過(guò)參與科研項(xiàng)目，本科生可以了解科研的基本流程和方法，增強(qiáng)科研意識(shí)和科研能力。此外，在科研過(guò)程中需要主動(dòng)思考問(wèn)題，積極探索答案，從而鍛煉批判性思維和解決問(wèn)題的能力。參與科研項(xiàng)目需要進(jìn)行大量實(shí)踐工作，如實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集和分析等，這些實(shí)踐活動(dòng)能夠增強(qiáng)本科生的實(shí)踐能力，提高其實(shí)驗(yàn)技能和數(shù)據(jù)分析能力。本科生參與科研項(xiàng)目需要與導(dǎo)師和其他團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行良好的溝通和協(xié)作，參加研討會(huì)和學(xué)術(shù)會(huì)議，這些活動(dòng)能夠提高本科生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和人際交往能力以及語(yǔ)言表達(dá)和組織能力。參與科研項(xiàng)目還可有效拓展本科生的視野，使其了解業(yè)界技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，提升其對(duì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的把握能力。

5 新教學(xué)技術(shù)的運(yùn)用

5.1 翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂是一種新型的教學(xué)模式，它把學(xué)生在課堂內(nèi)聽(tīng)講、做練習(xí)的時(shí)間轉(zhuǎn)移到了家庭或其他場(chǎng)所，在課堂上由教師和學(xué)生共同進(jìn)行互動(dòng)、探究和討論[9]?！皺C(jī)電一體化”是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，需要學(xué)生不斷地實(shí)踐和探究，而傳統(tǒng)的課堂教學(xué)往往無(wú)法滿足這種需求。通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂的方式，學(xué)生可以在家里預(yù)習(xí)相關(guān)的機(jī)電一體化知識(shí)和技能，這樣可以讓學(xué)生更加深入地了解機(jī)電一體化的理論和實(shí)踐，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)和探究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在課堂上，教師可以組織學(xué)生進(jìn)行小組討論、問(wèn)題解答和實(shí)驗(yàn)探究等活動(dòng)，通過(guò)互動(dòng)方式傳遞設(shè)計(jì)思路及創(chuàng)新意識(shí)，使學(xué)生更生動(dòng)地理解和掌握機(jī)電一體化技術(shù)。此外，翻轉(zhuǎn)課堂還可以提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，讓學(xué)生更加主動(dòng)地參與到學(xué)習(xí)過(guò)程中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。

5.2 元宇宙

元宇宙屬于虛擬教學(xué)類技術(shù)，是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和在線教育平臺(tái)，為學(xué)生提供沉浸式的教學(xué)體驗(yàn)[10]?！皺C(jī)電一體化”課程教學(xué)和元宇宙相結(jié)合，可以讓學(xué)生在虛擬世界中進(jìn)行更加豐富、生動(dòng)的機(jī)電學(xué)科學(xué)習(xí)和實(shí)踐。例如，在元宇宙中，學(xué)生可以進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、電路的搭建、自動(dòng)化系統(tǒng)的編程等實(shí)際操作，進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)和合作。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以更加直觀地了解各種機(jī)電設(shè)備的工作原理和運(yùn)行過(guò)程，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。另外，元宇宙技術(shù)可以為學(xué)生提供更加廣闊的機(jī)電學(xué)科學(xué)習(xí)和研究的空間，學(xué)生可以在虛擬世界中進(jìn)行各種創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)和探索，挑戰(zhàn)一些難度較高的實(shí)驗(yàn)和解決方案。這不僅可提高學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)也可為機(jī)電學(xué)科的發(fā)展和進(jìn)步提供更多的思路和可能性。

6 結(jié)論

課題組結(jié)合機(jī)械電子工程學(xué)科特點(diǎn)和新教學(xué)理念，從理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、工程教學(xué)三個(gè)方面分析“機(jī)電一體化”課程的教學(xué)模式，研究創(chuàng)新能力培養(yǎng)的切入點(diǎn)與實(shí)施方法，探討翻轉(zhuǎn)課堂等新教學(xué)模式、元宇宙等新教學(xué)技術(shù)在“機(jī)電一體化”課程教學(xué)中的應(yīng)用。