唐煒　王紅茹　李忠國

摘??? 要：為適應(yīng)應(yīng)用型本科卓越工程師計劃提出的人才培養(yǎng)新要求，文章以學(xué)生工程實踐能力與創(chuàng)新意識培養(yǎng)為出發(fā)點，介紹了江蘇科技大學(xué)機電專業(yè)電控類課程群在理論教學(xué)、實驗教學(xué)、課外科技創(chuàng)新活動等方面所采取的案例式、項目式、CDIO等教學(xué)改革方法及其實踐探索，以實現(xiàn)理論教學(xué)與實驗及實踐環(huán)節(jié)的有機結(jié)合，從而使卓越計劃學(xué)生具有在機電控制領(lǐng)域解決復(fù)雜工程問題的專業(yè)知識和實踐能力。

關(guān)鍵詞：卓越工程師;電控類課程;教學(xué)改革;工程實踐能力

中圖分類號：G642.0????????? 文獻標(biāo)識碼：A????????? 文章編號：1002-4107（2019）04-0027-03

“卓越工程師培養(yǎng)計劃”（簡稱“卓越計劃”）是我國高等教育中長期發(fā)展規(guī)劃中的一個重大改革項目，旨在培養(yǎng)一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)時代發(fā)展需要的優(yōu)秀工程技術(shù)人才[1]。江蘇科技大學(xué)是一所以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的普通高校，于2011年成為教育部批準(zhǔn)實施“卓越計劃”的試點高校之一。

機械電子工程專業(yè)涉及力學(xué)、機械工程、電工電子、自動控制、信息處理、計算機應(yīng)用等多學(xué)科知識，綜合應(yīng)用性強。電控類課程在整個課程體系中占有重要的地位，是培養(yǎng)學(xué)生工程綜合素質(zhì)和實踐創(chuàng)新能力的重要載體。但傳統(tǒng)教學(xué)模式存在以下問題[2]：1.課堂教學(xué)所占比重偏大，教學(xué)模式陳舊，教學(xué)內(nèi)容與實際工程應(yīng)用時有脫節(jié);2.課程內(nèi)驗證/演示性實驗偏多，工程背景不強、綜合/設(shè)計性實驗項目缺乏;3.課程群內(nèi)容缺少整合與優(yōu)化，學(xué)科前沿知識、新技術(shù)應(yīng)用等融入課堂的力度不夠;4.課程教學(xué)與學(xué)生課外科技實踐結(jié)合度不高，學(xué)以致用效果有待加強;5.實驗室開放程度不夠，設(shè)備利用率不高，學(xué)生動手實踐能力訓(xùn)練不充分，解決工程實際問題的能力薄弱。

江蘇科技大學(xué)機電專業(yè)如何在實施“卓越計劃”這一大背景下，結(jié)合機械工程師培養(yǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)校標(biāo)準(zhǔn)，通過電控類課程大力度的教學(xué)改革，使學(xué)生真正具有卓越工程師所必備的工程素質(zhì)和創(chuàng)新意識，成為專業(yè)建設(shè)中必須認真思考的問題。本文在分析機電專業(yè)電控類課程知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從理論教學(xué)、實踐教學(xué)、課外科技創(chuàng)新活動等方面闡述了一些切實可行的教學(xué)模式和教改措施，以期探索更高效的教學(xué)方法和手段，使機電專業(yè)學(xué)生具有卓越工程師所必備的工程綜合素質(zhì)和實踐創(chuàng)新精神。

一、電控類課程設(shè)置

現(xiàn)代機械行業(yè)的發(fā)展，尤其是中國制造2025戰(zhàn)略的提出，對機電工程人才知識結(jié)構(gòu)提出了更高要求，機電專業(yè)必須構(gòu)建以現(xiàn)代機械設(shè)計方法、先進機械制造技術(shù)和機電控制自動化技術(shù)三大主線為支撐的教學(xué)體系。江蘇科技大學(xué)機電專業(yè)電控類課程主要包括“微機原理與接口技術(shù)”“機械工程測試技術(shù)”“機械控制工程基礎(chǔ)”“機械設(shè)備電氣控制”“機電傳動與控制”和“數(shù)控技術(shù)”等主干課程以及“機電控制基礎(chǔ)課程設(shè)計”“專業(yè)綜合課程設(shè)計”“專業(yè)綜合獨立授課實驗”“開放選修實驗”和課外創(chuàng)新科技實踐（第二課堂）等實驗/實踐性環(huán)節(jié)。

二、理論教學(xué)改革

理論教學(xué)的改革要求教師在發(fā)揮傳統(tǒng)教學(xué)優(yōu)勢的同時，應(yīng)積極地探索更高效、開放的教學(xué)方法與手段?！白吭接媱潯币髲娀囵B(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力，而電控類課程教學(xué)內(nèi)容較為枯燥、概念大多抽象、理解相對困難，因此必須通過多種途徑對理論教學(xué)進行改革。在此以“微機原理與接口技術(shù)”為例，介紹所采取的一些措施和方法。

（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

機電專業(yè)多年來一直堅持選用51單片機作為教學(xué)機型。目前，本課程已對單片機硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、程序設(shè)計、系統(tǒng)擴展以及各功能部件應(yīng)用等內(nèi)容進行了整合與優(yōu)化，在學(xué)時有限的課堂上不追求面面俱到，重點把握單片機技術(shù)共性知識點，并且以應(yīng)用實例剖析為教學(xué)主線，幫助學(xué)生掌握單片機基本應(yīng)用技術(shù)，了解單片機系統(tǒng)設(shè)計方法，在軟硬件兩方面都具備初步的調(diào)試與維護能力。

（二）以實際應(yīng)用為落腳點

受客觀條件限制，單片機教學(xué)難以真正做到“即學(xué)即用”。引入proteus軟件和Keil C51開發(fā)環(huán)境，使學(xué)生可隨時仿效單片機及其外圍電路，并結(jié)合匯編或C51程序設(shè)計，建立接近實際應(yīng)用的軟硬件仿真系統(tǒng);補充介紹PCB設(shè)計流程，使學(xué)生了解如何將“紙上談兵”的電路圖最終做成實物，增加學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的認可度，切實做到“學(xué)以致用”。

（三）基于校園網(wǎng)建設(shè)課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂

因?qū)W時數(shù)的局限，為提高教學(xué)效率，本課程構(gòu)建了不受時空限制的網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)平臺，并增設(shè)了討論、答疑等師生互動環(huán)節(jié)，有效拓展了課堂教學(xué)的深度和廣度。目前網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂主要模塊包括教學(xué)計劃、授課內(nèi)容、習(xí)題與思考、自主測試、答疑與互動、作業(yè)批閱、課程實驗、綜合實踐、創(chuàng)新計劃、課外科技競賽、工程設(shè)計案例、學(xué)生作品、視野拓展等。

（四）微課教學(xué)資源的建設(shè)

微課是近年來興起的一種輔助教學(xué)形式，它以視頻為主要載體，是一種情景化的在線視頻課程資源。本課程近年來加強了微視頻等教學(xué)資源的建設(shè)力度，應(yīng)用效果良好。如在講解“指令執(zhí)行過程”“指令執(zhí)行時序”等重要知識點時，僅靠一遍課堂講解，學(xué)生對“控制信號流、地址信息流、數(shù)據(jù)流在不同功能部件之間的傳遞過程”的理解大多不到位。這就要求學(xué)生在課后進行反復(fù)咀嚼才能消化，凸顯了微視頻等教學(xué)資源的重要性。

（五）改革課程教學(xué)模式

講授過程中，始終堅持以“智能機器人小車”作為軟硬件剖析對象，并采用案例式教學(xué)模式組織教學(xué)，努力探索討論式、參與式、研究式等多種教學(xué)形式，在課堂教學(xué)中做到傳授理論知識和培養(yǎng)實踐能力相結(jié)合。表1為采用案例式教學(xué)模式的相關(guān)授課內(nèi)容，具體要求和實施細節(jié)提前在網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂中向?qū)W生公布。

三、實驗教學(xué)改革

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程綜合素質(zhì)、動手實踐能力的最重要環(huán)節(jié)。卓越計劃背景下，對學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)必須作為主線貫穿于整個實驗教學(xué)體系。江蘇科技大學(xué)機電專業(yè)電控類課程構(gòu)建了課內(nèi)實驗、課程設(shè)計、課外實踐等一體化的實踐教學(xué)體系，其中實驗項目又分成演示性、驗證性、設(shè)計性、綜合性、開放選修等層次，以使學(xué)生綜合實踐能力能得到螺旋式提升。在此僅介紹在《機電專業(yè)綜合獨立授課實驗》中，采用項目式教學(xué)方法的一些體會[3]。

項目式教學(xué)是一種基于建構(gòu)主義教學(xué)理論的新模式，要求通過一個完整的項目實施來組織教學(xué)。它強調(diào)：學(xué)生是知識的主動建構(gòu)者，教師是教學(xué)過程的組織/指導(dǎo)者。在實施早期，教師與學(xué)生充分交流技術(shù)路線，由學(xué)生確定總體方案;隨著項目深入，越來越多的內(nèi)容由學(xué)生獨立完成，教師只須定期檢查進展，并對難點問題進行指導(dǎo);而在后期，學(xué)生完全成為項目實施過程中的中心，教師更多是扮演咨詢師的角色;最終由學(xué)生按規(guī)范提交實驗報告并答辯。

項目設(shè)計須注重：實用性：項目應(yīng)具有較強工程應(yīng)用價值，并與專業(yè)實踐技能訓(xùn)練緊密結(jié)合;可行性：盡量貼近機電工程項目，須在實驗室條件下模擬實際項目運行全過程;難度適中：難度過大，易導(dǎo)致學(xué)生望而生畏，無從下手;難度過低，達不到真刀真槍的要求;綜合性：訓(xùn)練量充分，軟硬結(jié)合，尤其強調(diào)電控類課程群知識的集成與融合。

以“智能小車的設(shè)計與實現(xiàn)”項目為例，其教學(xué)實施全流程為：需求分析—項目調(diào)研—總體設(shè)計—機械結(jié)構(gòu)設(shè)計—電路設(shè)計—線路板設(shè)計—元器件焊接—硬件調(diào)試—軟件編程—軟件調(diào)試—軟硬聯(lián)調(diào)—性能測試—資料歸檔。該項目安排在第七學(xué)期相對分散進行，學(xué)生可根據(jù)自身興趣愛好自行組隊，每團隊4人，全隊協(xié)作完成方案設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試和報告撰寫等任務(wù)，但每個成員具體分工各有側(cè)重，如分別負責(zé)方案選擇、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、線路板制作等部分。實施過程中，教師定期進行必要的技術(shù)指導(dǎo)、進度協(xié)調(diào)、答疑等工作。每個團隊最終提交一套實物樣機，撰寫技術(shù)報告，并完成現(xiàn)場答辯。

四、課外科技創(chuàng)新實踐

近年來，各類大學(xué)生課外科技競賽活動越來越豐富，如全國性的挑戰(zhàn)杯賽、機器人大賽和省級機械創(chuàng)新設(shè)計大賽等，為機電專業(yè)學(xué)生課外科技創(chuàng)新實踐提供了廣闊舞臺。任課教師可利用這些活動作為實踐教學(xué)改革的切入點，積極探索創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，既給予學(xué)生必備的科研素養(yǎng)訓(xùn)練，又充分利用實驗室資源，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力。目前，江蘇科技大學(xué)本科生創(chuàng)新計劃是在第二課堂面向全體大三學(xué)生設(shè)立的一項課外科技創(chuàng)新活動，研究周期約1年。整個運行過程，教師采用CDIO教學(xué)模式指導(dǎo)，在此略做介紹。

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），是在我國逐步推廣的一種全新工程教育理念和實施體系。它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程[4]。該模式下，既要培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識和技能解決工程實際問題的專業(yè)綜合素質(zhì)，又要讓學(xué)生掌握集社會、科技、人文為一體的大系統(tǒng)適應(yīng)與調(diào)控能力、團隊交流能力、工程思維方法和實踐創(chuàng)新精神[5]。

本課程群所涉項目既可由學(xué)生根據(jù)興趣專業(yè)自行擬定，也可從教師承擔(dān)的科研課題中進行提煉。表2以2017年本創(chuàng)項目“全向移動搬運機器人”為例，說明了CDIO教學(xué)模式在本創(chuàng)計劃中的實施全過程。

CDIO運行模式下，在項目實施中的不同階段，對學(xué)生能力的培養(yǎng)側(cè)重點不同。在構(gòu)思階段，主要完成文獻檢索、整理、創(chuàng)新思維、概念設(shè)計;在設(shè)計階段，主要完成工程設(shè)計、分析、計算、建模與仿真、可行性評估;在實現(xiàn)階段，主要完成硬/軟件設(shè)計與調(diào)試方法、工程實踐技能、系統(tǒng)測試、項目組織管理、團隊協(xié)作;在運作階段，主要完成系統(tǒng)優(yōu)化、表達與交流、技術(shù)報告撰寫、答辯及驗收。由此看出，通過一個完整項目的充分訓(xùn)練后，學(xué)生無疑在文獻檢索、工程設(shè)計、工程思維、綜合實踐、團隊協(xié)作精神、交流溝通、書面表達等方面的能力會得到逐步強化。

“卓越計劃”重視工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式改革，強調(diào)學(xué)生工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，這給機電專業(yè)電控類課程教學(xué)改革提出了新要求，任課教師必須主動面向工程應(yīng)用，不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進教學(xué)方法，豐富教學(xué)手段，加強實踐性環(huán)節(jié)，全方位地提高教學(xué)質(zhì)量。近年來實踐表明：在機電專業(yè)電控類課程教學(xué)改革中，采用“課堂講授—課內(nèi)實驗—綜合實踐—網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂—本創(chuàng)計劃”的立體化教學(xué)形式不失為一種行之有效的教學(xué)改革途徑，這不僅可有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還有利于全面提高學(xué)生的工程綜合素質(zhì)、實踐動手能力和創(chuàng)新意識。

參考文獻：

[1]曾玲暉，張翀，盧應(yīng)梅，等.基于卓越教學(xué)視角的大學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究[J].高等工程教育研究，2016，（1）.

[2]唐煒.基于項目驅(qū)動的單片機類課程實踐教學(xué)改革[J].實驗室研究與探索，2010，（5）.

[3]俞國燕，王貴，劉煥牢，等.機械類專業(yè)項目驅(qū)動式實踐教學(xué)模式的探索與實踐[J].中國大學(xué)教學(xué)，2014，（12）.

[4]胡文龍.基于CDIO的工科探究式教學(xué)改革研究[J].高等工程教育研究，2014，（1）.

[5]康亮，洪曉鷗，陳冠玲.CDIO教育模式在學(xué)生課外科技競賽中的應(yīng)用與探討[J].實驗室研究與探索，2012，（2）.