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篇1
Curriculum Reform of "Mechatronics System Design" in Universities
ZENG Yudan, DU Liuqing, ZHANG Mingde, YANG Xiangyu, WANG Yali
(Chongqing Automobile Institute, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054)
Abstract "Mechatronics System Design" as a core curriculum in group of mechanical engineering curriculum, has strong comprehensive and practical features. In this paper, our undergraduate institutions in the curriculum development and teaching reform emerged as the major issue, the demand for the industry, for engineering applications, emphasizing awareness and sense of innovation and engineering training, a typical mechatronic systems - NC special main design feature for teaching, student-centered, self-study students for the purpose of awareness and self-learning ability, the students involved in the actual design process was focused on teaching content, teaching reform, to build and improve enhance undergraduate project quality, to develop students' practical ability and creative ability of the curriculum and teaching model are discussed.
Key words Mechatronics System Design; engineering applications; innovation ability; practical ability
0 引言
機電一體化系統(tǒng)設(shè)計涉及機械、電子、計算機、自動控制及信息處理技術(shù)、系統(tǒng)工程、檢測傳感技術(shù)、伺服傳動技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域，是機械工程專業(yè)學(xué)科課程群中的核心課程。本課程技術(shù)含量高，內(nèi)容更新快，要求學(xué)生能綜合運用機械、電子、控制與信息處理等多學(xué)科的知識，完成對系統(tǒng)的分析、設(shè)計、優(yōu)化等一系列過程，具有很強的綜合性和工程實踐性，相比其它專業(yè)課程而言，課程建設(shè)和教學(xué)改革面臨更多問題，具有更大難度。
目前課程建設(shè)中存在的主要問題有：①教學(xué)內(nèi)容過分側(cè)重于工程科學(xué)理論知識的灌輸，缺少工程分析設(shè)計的實踐過程，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程應(yīng)用要求；②教學(xué)模式基本還是傳統(tǒng)的以教師傳授知識為主，學(xué)生被動學(xué)習(xí)的模式，“以教師為中心，以課堂為中心，以書本為中心” 的單向灌輸式教學(xué)模式方法仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，學(xué)生動手解決實際工程問題的機會很少。以上問題使得學(xué)生理論知識與工程實踐相脫離，實踐能力和創(chuàng)新能力薄弱，不能適應(yīng)現(xiàn)代化經(jīng)濟建設(shè)和工程技術(shù)發(fā)展的要求。
1 課程教學(xué)改革研究
我校自1999年開設(shè)機電一體化專業(yè)方向以來，一直對《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程建設(shè)和教學(xué)改革進行了不斷的探索，現(xiàn)將教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式改革的過程小結(jié)如下：
1.1 教學(xué)內(nèi)容改革
高檔數(shù)控機床和基礎(chǔ)制造裝備是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》16個重大專項之一，也是國家振興計劃的重要組成部分，因此在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上，緊跟這一重大決策，響應(yīng)國家戰(zhàn)略需求，將典型的機電一體化系統(tǒng)――數(shù)控專機系統(tǒng)設(shè)計專題作為主要內(nèi)容，在前續(xù)課程所講授的理論知識和工程應(yīng)用實例基礎(chǔ)上，教師指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合工程實例，對機電一體化系統(tǒng)，特別是數(shù)控專機系統(tǒng)的設(shè)計過程進行較系統(tǒng)完整的學(xué)習(xí)，并循序漸進地進入實際設(shè)計過程，并最終完成數(shù)控專機的方案設(shè)計和優(yōu)化、各元部件選型、軟件流程圖、電氣原理圖等所有理論設(shè)計和功能模塊細(xì)部設(shè)計過程。教學(xué)所用的工程設(shè)計案例大部分來自學(xué)校教師所承擔(dān)的實際科研項目，如數(shù)控電焊專機設(shè)計、錐齒輪傳動質(zhì)量智能檢測分析系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)控彎管機控制系統(tǒng)設(shè)計等，避免了空泛地照搬教材進行照本宣科，而是由教師指導(dǎo)學(xué)生在設(shè)計過程中自主查閱、了解相關(guān)知識，進一步掌握相關(guān)技能，并將所學(xué)所得結(jié)合實際設(shè)計過程進行鞏固，在此過程中，教師將自己的設(shè)計思路、方法和經(jīng)驗毫無保留地對學(xué)生進行傳授和討論，從而實現(xiàn)對學(xué)生自學(xué)能力、創(chuàng)新能力、實踐動手能力等機電復(fù)合型工程技術(shù)能力的培養(yǎng)。這對于在校學(xué)生來說是非常難得的學(xué)習(xí)和實踐的機會，也真正體現(xiàn)出課程面向社會需求、面向工程應(yīng)用的實質(zhì)。
1.2 教學(xué)模式和教學(xué)方法改革
本課程是一門面向工程應(yīng)用，分析解決實際工程問題，對“系統(tǒng)”進行“設(shè)計”和“整合優(yōu)化”的專業(yè)核心課程。因此在教學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生始終要以系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，以整體全局性的高度，對所設(shè)計的數(shù)控專機進行化整為零、化繁為簡的分析，將一個大系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)分解為各個子系統(tǒng)乃至各個單獨的功能模塊和功能部件的設(shè)計和選型，再經(jīng)過接口設(shè)計，將各功能模塊有機地融合在一起，組成一個整體性能高于各部件之和的完整系統(tǒng)。
在教學(xué)過程中，始終堅持面向工程應(yīng)用，以學(xué)生為主體的模式，課堂時間主要用于重要理論和技能、關(guān)鍵問題和練習(xí)作業(yè)的學(xué)習(xí)和討論，其余所需知識技能交由學(xué)生課后通過圖書館、網(wǎng)絡(luò)等查閱設(shè)計案例、論文、產(chǎn)品技術(shù)手冊等相關(guān)資料和自學(xué)完成，同時學(xué)習(xí)運用一些常用設(shè)計工具，并通過作業(yè)和小組討論等方式進行鞏固，有疑難問題可提出并在全班進行討論，最后在教師指點下得出正確結(jié)論。這種以具體工程設(shè)計任務(wù)為教學(xué)主線的方式讓學(xué)生明確意識到課內(nèi)外所學(xué)知識技能在實踐生產(chǎn)中大有用武之地，認(rèn)識到教師布置的作業(yè)均是完成設(shè)計任務(wù)必需環(huán)節(jié)，從而大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使其在課堂上的注意力非常集中，課后能根據(jù)任務(wù)所需而主動自發(fā)地進行學(xué)習(xí)和討論以完成任務(wù)，而不再像以往那樣由于不明白所學(xué)知識具體有何用處而造成理論和實際脫節(jié)，甚至產(chǎn)生忽視和厭學(xué)心理。在此過程中學(xué)生逐漸認(rèn)識到自己理論知識上的薄弱點和缺少的實踐經(jīng)驗，有針對性地學(xué)習(xí)參考相關(guān)理論知識和前人的方法經(jīng)驗，彌補以往知識技能系統(tǒng)的缺失環(huán)節(jié)，并能及時將所遇到的問題及心得體會在課內(nèi)課外與教師和同組同學(xué)進行交流討論，最終較系統(tǒng)完整地完成對各相關(guān)知識和技能進行總結(jié)，并在工程項目中綜合應(yīng)用的過程。
本課程是涉及到機械、電子、控制、信息等多學(xué)科知識和技術(shù)的一門交叉課程，在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，普遍出現(xiàn)的情況是將本課程作為前續(xù)課程中“機”、“電” 、“控制”等學(xué)科知識的簡單組合和回顧，導(dǎo)致本課程應(yīng)具有的系統(tǒng)性、綜合性、實踐性不能體現(xiàn)，與其余專業(yè)課程間也無法形成科學(xué)合理的承接脈絡(luò)。改革教學(xué)模式和方法后，以整個工程設(shè)計過程為主線，將所涉及到的各學(xué)科關(guān)鍵理論知識，進行系統(tǒng)性邏輯性的梳理，形成清晰的脈絡(luò)和層次，并指導(dǎo)學(xué)生在完成設(shè)計任務(wù)的過程中，有意識地綜合運用所學(xué)知識、工具和技能，達(dá)到學(xué)以致用的目的。
例如，在講授“機械子系統(tǒng)設(shè)計”章節(jié)時，把握住“各子系統(tǒng)有機融合”這一本質(zhì)，讓學(xué)生不僅掌握書本上陳述的對機械系統(tǒng)的性能要求等知識點，更要明白這些要求的提出不是孤立地從機械系統(tǒng)本身穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性等性能指標(biāo)出發(fā)，而更要從控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)與機械系統(tǒng)有機結(jié)合的角度來看待。通過運用經(jīng)典控制理論中的時域分析和頻率分析兩種方法，了解機械系統(tǒng)參數(shù)中系統(tǒng)阻尼比和無阻尼固有頻率這兩個最基本的參數(shù)，對機械系統(tǒng)參數(shù)變化引起的控制性能變化的過程、原理進行分析推導(dǎo)，同時通過課堂上采用MATLAB對系統(tǒng)進行設(shè)計與仿真的實例演示，使學(xué)生了解這一控制設(shè)計領(lǐng)域的經(jīng)典工具，經(jīng)過教師指導(dǎo)和課后自學(xué)，掌握該軟件的基本使用方法并在設(shè)計中加以運用，從而將控制工程領(lǐng)域的相關(guān)知識、技能與機電一體化系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)緊密聯(lián)系起來。
又如，在進行“伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計”章節(jié)的教學(xué)時，通過課堂討論和課后作業(yè)，讓學(xué)生將伺服驅(qū)動器、變頻器等驅(qū)動系統(tǒng)，以及交直流伺服電機、步進電機、力矩電機等常用伺服電機的性能、特點、應(yīng)用場合、性價比等主要指標(biāo)逐一進行分析和比較，針對數(shù)控專機任務(wù)要求設(shè)計合適的驅(qū)動方案，并查閱技術(shù)資料，完成電機選型計算以及電機與驅(qū)動器的接口設(shè)計，從而將前續(xù)課程所學(xué)的機電控制知識通過設(shè)計任務(wù)進行系統(tǒng)完整地運用。
再如，在“控制系統(tǒng)設(shè)計”環(huán)節(jié)，教師通過簡要講解和演示PLC梯形圖編制、單片機編程和仿真、VB/VC++或LABVIEW等高級語言編程驅(qū)動運動控制卡等控制實例，使學(xué)生了解各控制系統(tǒng)的軟、硬件組成及其設(shè)計過程和設(shè)計方法，課后自行查閱資料，對各種控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點、最新應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行分析總結(jié)，設(shè)計出合適的控制方案，并在課堂演示實例基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)運用相關(guān)工具，進行初步的控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計。
運用以上教學(xué)模式和方法，使學(xué)生在系統(tǒng)性地了解基礎(chǔ)理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，迅速地掌握關(guān)鍵理論知識和必要技能，并有效地在工程設(shè)計項目中加以應(yīng)用，在培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力、創(chuàng)新能力和理論聯(lián)系實踐的能力方面頗有成效，為其今后的工程應(yīng)用和技術(shù)研究工作打下了良好的基礎(chǔ)。
2 結(jié)論
我國政府在2006年初已將建設(shè)創(chuàng)新型國家確立為一項重要的戰(zhàn)略目標(biāo)，高質(zhì)量的工程科技人才正是建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要力量。我國高校機電一體化專業(yè)必須積極面向社會的迫切需求，以培養(yǎng)能滿足產(chǎn)業(yè)需求、具有較強創(chuàng)新能力和綜合能力的機電一體化科研技術(shù)人才作為最重要的工作目標(biāo)。本文對機電一體化專業(yè)的核心課程――機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的課程內(nèi)容建設(shè)和教學(xué)模式方法改革進行了探討，提出了面向產(chǎn)業(yè)需求、面向工程應(yīng)用、以典型機電一體化系統(tǒng)――數(shù)控專機設(shè)計過程為教學(xué)主線，以學(xué)生為主體，以學(xué)生參與實際設(shè)計的過程為教學(xué)重點等改革措施，以期逐步構(gòu)建科學(xué)合理的課程內(nèi)容體系和教學(xué)模式，實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)、提高學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的目標(biāo)。
基金資助：重慶市重大教改項目“以培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計能力為目標(biāo)的機械工程系列核心課程教學(xué)改革研究與實踐（09-1-005）”
重慶理工大學(xué)高等教育研究立項項目 “《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程教學(xué)改革研究（2010009）”
參考文獻(xiàn)
