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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
機電一體化系統設計涉及機械、電子、計算機、自動控制及信息處理技術、系統工程、檢測傳感技術、伺服傳動技術等多學科領域，是機械工程專業學科課程群中的核心課程。本課程技術含量高，內容更新快，要求學生能綜合運用機械、電子、控制與信息處理等多學科的知識，完成對系統的分析、設計、優化等一系列過程，具有很強的綜合性和工程實踐性，相比其它專業課程而言，課程建設和教學改革面臨更多問題，具有更大難度。
目前課程建設中存在的主要問題有：①教學內容過分側重于工程科學理論知識的灌輸，缺少工程分析設計的實踐過程，遠遠不能滿足工程應用要求；②教學模式基本還是傳統的以教師傳授知識為主，學生被動學習的模式，“以教師為中心，以課堂為中心，以書本為中心” 的單向灌輸式教學模式方法仍然占據主導地位，學生動手解決實際工程問題的機會很少。以上問題使得學生理論知識與工程實踐相脫離，實踐能力和創新能力薄弱，不能適應現代化經濟建設和工程技術發展的要求。
1 課程教學改革研究
我校自1999年開設機電一體化專業方向以來，一直對《機電一體化系統設計》課程建設和教學改革進行了不斷的探索，現將教學內容和教學模式改革的過程小結如下：
1.1 教學內容改革
高檔數控機床和基礎制造裝備是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(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，因此在教學內容設置上，緊跟這一重大決策，響應國家戰略需求，將典型的機電一體化系統――數控專機系統設計專題作為主要內容，在前續課程所講授的理論知識和工程應用實例基礎上，教師指導學生結合工程實例，對機電一體化系統，特別是數控專機系統的設計過程進行較系統完整的學習，并循序漸進地進入實際設計過程，并最終完成數控專機的方案設計和優化、各元部件選型、軟件流程圖、電氣原理圖等所有理論設計和功能模塊細部設計過程。教學所用的工程設計案例大部分來自學校教師所承擔的實際科研項目，如數控電焊專機設計、錐齒輪傳動質量智能檢測分析系統設計、數控彎管機控制系統設計等，避免了空泛地照搬教材進行照本宣科，而是由教師指導學生在設計過程中自主查閱、了解相關知識，進一步掌握相關技能，并將所學所得結合實際設計過程進行鞏固，在此過程中，教師將自己的設計思路、方法和經驗毫無保留地對學生進行傳授和討論，從而實現對學生自學能力、創新能力、實踐動手能力等機電復合型工程技術能力的培養。這對于在校學生來說是非常難得的學習和實踐的機會，也真正體現出課程面向社會需求、面向工程應用的實質。
1.2 教學模式和教學方法改革
本課程是一門面向工程應用，分析解決實際工程問題，對“系統”進行“設計”和“整合優化”的專業核心課程。因此在教學中指導學生始終要以系統工程的角度出發，以整體全局性的高度，對所設計的數控專機進行化整為零、化繁為簡的分析，將一個大系統的設計任務分解為各個子系統乃至各個單獨的功能模塊和功能部件的設計和選型，再經過接口設計，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。
在教學過程中，始終堅持面向工程應用，以學生為主體的模式，課堂時間主要用于重要理論和技能、關鍵問題和練習作業的學習和討論，其余所需知識技能交由學生課后通過圖書館、網絡等查閱設計案例、論文、產品技術手冊等相關資料和自學完成，同時學習運用一些常用設計工具，并通過作業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論。這種以具體工程設計任務為教學主線的方式讓學生明確意識到課內外所學知識技能在實踐生產中大有用武之地，認識到教師布置的作業均是完成設計任務必需環節，從而大大提高了學生的學習積極性，使其在課堂上的注意力非常集中，課后能根據任務所需而主動自發地進行學習和討論以完成任務，而不再像以往那樣由于不明白所學知識具體有何用處而造成理論和實際脫節，甚至產生忽視和厭學心理。在此過程中學生逐漸認識到自己理論知識上的薄弱點和缺少的實踐經驗，有針對性地學習參考相關理論知識和前人的方法經驗，彌補以往知識技能系統的缺失環節，并能及時將所遇到的問題及心得體會在課內課外與教師和同組同學進行交流討論，最終較系統完整地完成對各相關知識和技能進行總結，并在工程項目中綜合應用的過程。
本課程是涉及到機械、電子、控制、信息等多學科知識和技術的一門交叉課程，在課堂教學環節，普遍出現的情況是將本課程作為前續課程中“機”、“電” 、“控制”等學科知識的簡單組合和回顧，導致本課程應具有的系統性、綜合性、實踐性不能體現，與其余專業課程間也無法形成科學合理的承接脈絡。改革教學模式和方法后，以整個工程設計過程為主線，將所涉及到的各學科關鍵理論知識，進行系統性邏輯性的梳理，形成清晰的脈絡和層次，并指導學生在完成設計任務的過程中，有意識地綜合運用所學知識、工具和技能，達到學以致用的目的。
例如，在講授“機械子系統設計”章節時，把握住“各子系統有機融合”這一本質，讓學生不僅掌握書本上陳述的對機械系統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本身穩定性、快速性、準確性等性能指標出發，而更要從控制系統、伺服驅動系統與機械系統有機結合的角度來看待。通過運用經典控制理論中的時域分析和頻率分析兩種方法，了解機械系統參數中系統阻尼比和無阻尼固有頻率這兩個最基本的參數，對機械系統參數變化引起的控制性能變化的過程、原理進行分析推導，同時通過課堂上采用MATLAB對系統進行設計與仿真的實例演示，使學生了解這一控制設計領域的經典工具，經過教師指導和課后自學，掌握該軟件的基本使用方法并在設計中加以運用，從而將控制工程領域的相關知識、技能與機電一體化系統設計任務緊密聯系起來。
又如，在進行“伺服驅動系統設計”章節的教學時，通過課堂討論和課后作業，讓學生將伺服驅動器、變頻器等驅動系統，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、應用場合、性價比等主要指標逐一進行分析和比較，針對數控專機任務要求設計合適的驅動方案，并查閱技術資料，完成電機選型計算以及電機與驅動器的接口設計，從而將前續課程所學的機電控制知識通過設計任務進行系統完整地運用。
再如，在“控制系統設計”環節，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等高級語言編程驅動運動控制卡等控制實例，使學生了解各控制系統的軟、硬件組成及其設計過程和設計方法，課后自行查閱資料，對各種控制系統的優缺點、最新應用現狀和發展趨勢進行分析總結，設計出合適的控制方案，并在課堂演示實例基礎上，學習運用相關工具，進行初步的控制系統軟、硬件設計。
運用以上教學模式和方法，使學生在系統性地了解基礎理論和技術的基礎上，迅速地掌握關鍵理論知識和必要技能，并有效地在工程設計項目中加以應用，在培養學生自學能力、創新能力和理論聯系實踐的能力方面頗有成效，為其今后的工程應用和技術研究工作打下了良好的基礎。
2 結論
我國政府在2006年初已將建設創新型國家確立為一項重要的戰略目標，高質量的工程科技人才正是建設創新型國家的重要力量。我國高校機電一體化專業必須積極面向社會的迫切需求，以培養能滿足產業需求、具有較強創新能力和綜合能力的機電一體化科研技術人才作為最重要的工作目標。本文對機電一體化專業的核心課程――機電一體化系統設計的課程內容建設和教學模式方法改革進行了探討，提出了面向產業需求、面向工程應用、以典型機電一體化系統――數控專機設計過程為教學主線，以學生為主體，以學生參與實際設計的過程為教學重點等改革措施，以期逐步構建科學合理的課程內容體系和教學模式，實現培養學生的工程素質、提高學生實踐能力和創新能力的目標。
基金資助：重慶市重大教改項目“以培養學生工程設計能力為目標的機械工程系列核心課程教學改革研究與實踐（09-1-005）”
重慶理工大學高等教育研究立項項目 “《機電一體化系統設計》課程教學改革研究（2010009）”
參考文獻
