武星 樓佩煌 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016

項(xiàng)目驅(qū)動型系統(tǒng)教學(xué)法在機(jī)電一體化課程中的應(yīng)用研究

武星 樓佩煌 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016

機(jī)電一體化課程是機(jī)械制造及其自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)課，涉及面廣，實(shí)踐性強(qiáng)。我們注重將本學(xué)科的科研成果引入課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，自主研發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺，合理細(xì)化、簡化項(xiàng)目研究內(nèi)容，積極構(gòu)建理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、項(xiàng)目研究一體化的系統(tǒng)教學(xué)法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

機(jī)電一體化；項(xiàng)目驅(qū)動；系統(tǒng)教學(xué)法；成果轉(zhuǎn)化

引言

21世紀(jì)是一個以創(chuàng)造、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)為特征的時代，高等學(xué)校肩負(fù)著創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新的重任。高等工程教育的目標(biāo)是要培養(yǎng)符合社會發(fā)展要求的合格工程師，傳統(tǒng)的以教師為中心、以課堂講授為主、以理論考試成績評價(jià)學(xué)生的工程教育模式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)需求，這要求改革現(xiàn)行的工程教育方法[1]。不斷改變和突破現(xiàn)有的教學(xué)方法及手段以提高實(shí)際教學(xué)效果[2]，以靈活多樣的師生教學(xué)互動模式來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能夠主動學(xué)習(xí)，成為課堂上學(xué)習(xí)知識的主人[3]。

科研成果作為科技創(chuàng)新的產(chǎn)出和結(jié)果，既是師資隊(duì)伍素質(zhì)的標(biāo)志，也是體現(xiàn)學(xué)校水平的指標(biāo)。科研是教學(xué)的底蘊(yùn)，將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源無疑是一種有效的途徑[4]。我校機(jī)械制造及其自動化專業(yè)所在的學(xué)科是國家重點(diǎn)學(xué)科，也是江蘇省重中之重學(xué)科，承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金、國家“863 計(jì)劃”、國家科技攻關(guān)、國防預(yù)研等一大批科研項(xiàng)目，其中有相當(dāng)數(shù)量的科研成果可以轉(zhuǎn)化為機(jī)電一體化等相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容，為我們的教學(xué)研究與課程改革提供了良好的條件。

1.機(jī)電一體化課程的特點(diǎn)

機(jī)電一體化技術(shù)是以機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為主的多學(xué)科相互融合形成的一門綜合性技術(shù)學(xué)科，該課程是機(jī)械制造及其自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)課，其內(nèi)容涵蓋機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、檢測與傳感技術(shù)、自動控制技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、系統(tǒng)總體技術(shù)等，涉及面廣，知識點(diǎn)眾多；實(shí)踐性強(qiáng)，理論必須結(jié)合實(shí)踐。

作為一門綜合性技術(shù)學(xué)科，機(jī)電一體化課程內(nèi)容龐雜，高校一般將其安排在第7 學(xué)期，并在其之前安排一系列先修課，如機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理、PLC原理、傳感器技術(shù)、控制工程基礎(chǔ)、機(jī)床數(shù)控技術(shù)等。通過先修課的學(xué)習(xí)，學(xué)生對各部分的知識具有一定的基礎(chǔ)。如果機(jī)電一體化課程對上述內(nèi)容再進(jìn)行簡單地重復(fù)，則學(xué)生對該課程的反應(yīng)普遍不感興趣，教學(xué)效果不很理想。

另一方面，機(jī)電一體化技術(shù)所涉及的多方面內(nèi)容對實(shí)踐要求很高，而教學(xué)對象又是沒有任何工程經(jīng)驗(yàn)的在校學(xué)生。傳統(tǒng)的教學(xué)方法及實(shí)踐活動大多只針對個別知識點(diǎn)，缺乏對系統(tǒng)性和實(shí)踐性的充分考慮，使得本來富于魅力的知識變成了空洞的說教和內(nèi)容的堆積，學(xué)生感覺不到學(xué)習(xí)的價(jià)值所在，逐步喪失了學(xué)習(xí)的動力。

針對機(jī)電一體化課程的自身特點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容上我們避免簡單重復(fù)先修課的已有知識，而是從機(jī)電融合的角度，強(qiáng)調(diào)以等效性和互補(bǔ)性為代表的系統(tǒng)工程觀點(diǎn)和方法。在教學(xué)方法上我們注重引進(jìn)本學(xué)科的科研成果，利用科研過程中設(shè)備創(chuàng)新的經(jīng)驗(yàn)自主研發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺，并根據(jù)學(xué)生的實(shí)際能力水平合理細(xì)化、簡化項(xiàng)目研究內(nèi)容，積極構(gòu)建理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、項(xiàng)目研究一體化的系統(tǒng)教學(xué)法，以實(shí)驗(yàn)操作促進(jìn)理論學(xué)習(xí)，以項(xiàng)目研究提升綜合應(yīng)用。

2.基于科研成果轉(zhuǎn)化的項(xiàng)目驅(qū)動

在將科研成果引入課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，可從課程教學(xué)內(nèi)容組織和實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備研發(fā)兩方面具體開展。機(jī)電一體化課程知識點(diǎn)廣泛且相對獨(dú)立，如果單從學(xué)科理論體系發(fā)展角度講述內(nèi)容，各部分之間的關(guān)聯(lián)性并不明顯。如果從項(xiàng)目研究的角度，為了開發(fā)某一機(jī)電一體化系統(tǒng)所必需的各種技術(shù)方法，則更容易將分布在不同學(xué)科中的知識點(diǎn)聯(lián)系起來，形成以一體化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)為特色的綜合性技術(shù)體系。

在將科研項(xiàng)目引入課程教學(xué)的過程中，教師必須認(rèn)真分析項(xiàng)目所包含的技術(shù)要素對課程教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)的支撐作用。首先這些技術(shù)要素要能較完整覆蓋課程的教學(xué)內(nèi)容，其次技術(shù)要素之間的關(guān)聯(lián)性要能較好反映課程理論的系統(tǒng)性，再次項(xiàng)目的技術(shù)復(fù)雜性要符合學(xué)生的實(shí)際能力水平。可能實(shí)際的科研項(xiàng)目很難完全滿足這些要求，所以可對實(shí)際項(xiàng)目的內(nèi)容進(jìn)行重新組織，精心細(xì)化，合理簡化。即使項(xiàng)目具有一定的工程應(yīng)用背景和挑戰(zhàn)性，容易激發(fā)學(xué)生參與的興趣；同時也使項(xiàng)目具有一定的實(shí)現(xiàn)平臺基礎(chǔ)和可行性，容易鼓勵學(xué)生產(chǎn)生能夠順利完成項(xiàng)目的信心。

考慮到項(xiàng)目所涉及課程教學(xué)內(nèi)容的完整性，在選擇項(xiàng)目時優(yōu)先采用能夠覆蓋機(jī)械機(jī)構(gòu)、傳感器元件、控制器軟硬件、伺服驅(qū)動裝置的綜合應(yīng)用，突出機(jī)、電、信息技術(shù)的一體化。為了配合該課程的教學(xué)內(nèi)容，充分利用自身的技術(shù)優(yōu)勢和科研過程中設(shè)備創(chuàng)新的經(jīng)驗(yàn)，以投入少量的經(jīng)費(fèi)起步，通過自行開發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和軟件，逐步建成和完善了機(jī)電一體化創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺。

在該創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺中，機(jī)械機(jī)構(gòu)包括滑塊機(jī)構(gòu)、絲杠傳動機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、傳送帶、棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、龍門式機(jī)械手、笛卡爾教學(xué)機(jī)械手等。傳感器元件包括電容、電感和光電傳感器，各種行程開關(guān)和接近開關(guān)，專用物料自動識別裝置等。控制器有臺式計(jì)算機(jī)、可編程控制器和嵌入式控制器等。伺服驅(qū)動裝置有交流變頻驅(qū)動單元、步進(jìn)驅(qū)動單元、直流伺服驅(qū)動單元、氣動執(zhí)行裝置等。該平臺不但將機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感器、驅(qū)動器、控制器四個機(jī)電一體化的核心技術(shù)整合在一起，還建成了物料自動識別與裝配系統(tǒng)、自動化立體庫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、自動化換刀機(jī)械手實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、有軌導(dǎo)向車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等，并配有網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)、集成控制平臺、專門的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)站等，可進(jìn)一步與CAD、CAE、虛擬現(xiàn)實(shí)、信息化技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)有機(jī)結(jié)合。

需要注意的是，將科研項(xiàng)目引入課程教學(xué)過程，不是利用學(xué)生完成項(xiàng)目，而是借助項(xiàng)目形式培養(yǎng)學(xué)生。在課程教學(xué)過程中，項(xiàng)目不能代替教學(xué)，項(xiàng)目所包含的技術(shù)要素不能偏離課程教學(xué)內(nèi)容，項(xiàng)目的技術(shù)復(fù)雜度不能超出學(xué)生的實(shí)際能力水平。

3.系統(tǒng)教學(xué)法的構(gòu)建與應(yīng)用

如前所述，機(jī)電一體化是一門建立在眾多先修課程基礎(chǔ)之上的綜合性技術(shù)學(xué)科，為了避免簡單重復(fù)先修課的已有知識，我們積極通過理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、項(xiàng)目研究的不同教學(xué)過程，強(qiáng)調(diào)知識的系統(tǒng)性、技術(shù)的關(guān)聯(lián)性、學(xué)科的交叉性，在教學(xué)實(shí)踐中認(rèn)真研究項(xiàng)目驅(qū)動型系統(tǒng)教學(xué)法。

在理論學(xué)習(xí)階段，努力避免課程本位傾向，即片面追求本課程的理論完整性，而忽略了該門課程在整個專業(yè)課程體系中所起的作用。系統(tǒng)教學(xué)法是基于一個項(xiàng)目所涉及的實(shí)際系統(tǒng)，從系統(tǒng)的角度去講解知識點(diǎn)，打破學(xué)科間的相互隔絕，加強(qiáng)滲透交流以改變學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生從整體角度考慮問題。

在機(jī)電一體化課程中，我們尤其強(qiáng)調(diào)機(jī)電融合的觀點(diǎn)。機(jī)電一體化技術(shù)不是簡單地用電子設(shè)備代替部分機(jī)械結(jié)構(gòu)，也不是孤立地發(fā)揮兩種技術(shù)的長處，而是利用兩種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合而產(chǎn)生的新的思想方法和技術(shù)手段。一方面，當(dāng)系統(tǒng)的某一功能單靠某一種技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)時，必須進(jìn)行機(jī)械、電子、信息技術(shù)等有機(jī)結(jié)合的一體化設(shè)計(jì)。另一方面，當(dāng)系統(tǒng)某一功能的實(shí)現(xiàn)有多種可行的技術(shù)方案時，必須采用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法，對各種技術(shù)方案進(jìn)行分析和評價(jià)，在充分考慮與其他功能單元連接和匹配的條件下，選擇最優(yōu)的技術(shù)方案。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)階段，依靠不斷完善的機(jī)電一體化創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識，結(jié)合自己的能力和興趣，開展內(nèi)容廣泛、形式多樣、深度不一的開放性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可根據(jù)擬定的實(shí)驗(yàn)主題，完成機(jī)械機(jī)構(gòu)的創(chuàng)意組合，傳感器元件、PLC、交直流伺服單元、變頻器等傳感、驅(qū)動、控制裝置的綜合應(yīng)用。根據(jù)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，還可以開展人機(jī)控制界面、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊、遠(yuǎn)程控制等提高實(shí)驗(yàn)。

通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)階段，學(xué)生可充分體驗(yàn)機(jī)械設(shè)計(jì)、裝配，電氣設(shè)計(jì)與接線，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與程序編寫等實(shí)際操作過程，有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解和綜合，培養(yǎng)學(xué)生動手實(shí)踐的能力，提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造的意識。

在項(xiàng)目研究階段，首先給出多個項(xiàng)目研究方向供學(xué)生參考，簡要介紹項(xiàng)目的工程應(yīng)用背景和技術(shù)要求，項(xiàng)目實(shí)施過程中所需的關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)所涉及的知識點(diǎn)正是課程要求的教學(xué)內(nèi)容。對于學(xué)生在先修課中已學(xué)過的已有知識進(jìn)行簡單復(fù)習(xí)，重點(diǎn)解決學(xué)生未曾學(xué)過的、難以理解的知識點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)技巧。

在項(xiàng)目研究過程中，通過分組討論和集中討論，逐一解決學(xué)生遇到的專門問題和共性問題。如在一次分組討論中涉及室內(nèi)移動機(jī)器人的定位導(dǎo)航問題，其屬于傳感檢測技術(shù)和信息處理技術(shù)領(lǐng)域。對于學(xué)生想要采用的多超聲波傳感器定位導(dǎo)航方法，師生共同討論了超聲波測距原理、多點(diǎn)定位原理、導(dǎo)航系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)手段以及可能存在的導(dǎo)航誤差和技術(shù)局限性。這些互動性強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié)有利于激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步拓展學(xué)習(xí)新技術(shù)的求知欲，也為其自主進(jìn)入新領(lǐng)域?qū)W習(xí)打下了良好的知識基礎(chǔ)。

在項(xiàng)目總結(jié)階段，不僅是對所學(xué)知識的回顧和討論，更是對綜合應(yīng)用知識能力的考核。機(jī)電一體化強(qiáng)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對多種技術(shù)方案進(jìn)行分析對比，結(jié)合系統(tǒng)的功能要求、技術(shù)指標(biāo)和成本控制多方面因素進(jìn)行綜合評價(jià)，選擇功能性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和安全性指標(biāo)都較好的優(yōu)化方案，幫助學(xué)生理解實(shí)際工程系統(tǒng)和教學(xué)原型系統(tǒng)的差異。

4.結(jié)語

為了提高機(jī)電一體化課程的教學(xué)效果，我們注重將本學(xué)科的科研成果引入課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。通過自主研發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺，以項(xiàng)目所包含的技術(shù)要素覆蓋教學(xué)內(nèi)容的知識點(diǎn)，以項(xiàng)目研究帶動專業(yè)理論知識的學(xué)習(xí)，以實(shí)驗(yàn)操作加深學(xué)生對專業(yè)知識的理解，積極構(gòu)建理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、項(xiàng)目研究一體化的系統(tǒng)教學(xué)法，重點(diǎn)突出知識的系統(tǒng)性、技術(shù)的關(guān)聯(lián)性、學(xué)科的交叉性。通過積極參與該課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，許多學(xué)生在知識、能力、素質(zhì)等各方面得到了顯著提高，并在大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目、大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽、出國留學(xué)研究生選拔以及知名國際性大企業(yè)招聘中脫穎而出。學(xué)生的成功成才是高等學(xué)校在教書育人方面的重要成果，也是我們從事教學(xué)研究與課程改革的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)。

[1]陸一平,查建中.繽紛課堂:源于國外的工程教育實(shí)踐教學(xué)方法.高等工程教育研究,2009,(6):137～142

[2]段華洽,王朔柏.深化教學(xué)改革創(chuàng)新教學(xué)模式.中國大學(xué)教學(xué),2009,(4):35～37

[3]范欽珊,陳建平等.研究型大學(xué)需要研究型教學(xué).中國大學(xué)教學(xué),2009,(11):8～

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.04.060