机电一体化系统设计课程教学改革

摘要：工程教育认证是实现国际间专业及其培养人才互认的主要途径。为了促进齐鲁工业大学机械专业的长足发展，自2015年机械与汽车工程学院开始着手进行机械制造及其自动化专业工程教育认证工作准备。“机电一体化系统设计”课程团队结合新形势下工程教育实际需求，进行了课程改革和体系构建。根据“机电有机结合”的教学要求，在教学内容、教学方法和考核方式方面进行了相应改革，力求知识结构系统性和教学体系完整性的统一。经过几年的教学实践和持续反馈改进，学生的多项工程能力得到综合锻炼，教学改革收到了良好效果。

关键词：工程教育认证；机电一体化系统设计；工程实践；教学改革；持续反馈改进

一、教学现状分析

“机电一体化系统设计”课程是涉及机械、电子、控制、信息等多学科交叉知识，在大学三年级第二学期开课。课程在是在“机电有机结合”的系统教学思路引导下，把信息处理、传感检测、自动控制、伺服传动、精密机械和系统总体技术有机地结合起来，强调知识结构系统性，而不是对原有多个学科知识的机械叠加。目前随着工程科学的深入化和精细化，工程科学研究对从业者的要求越来越高。基于工程科学偏向应用的特点，要求工程研究和工程实践紧密结合，理论结合实际不断反馈演进，这就需要大量的时间、精力和资源投入[3，4]。而且随着工程方法的发展和应用，“必须掌握”的知识和工具越来越多，从而引发课堂学时不够的普遍问题。另外课堂教学大多采用以教师为主导通过多媒体教学平台进行授课，实践环节辅以少量的单一目标的实验，在促进学生理解复杂工程问题的认识和能力上缺乏引导。以上情况导致机电一体化系统设计课程的教学，在理论和实践之间出现分裂，远不能满足工程教育认证的工程类毕业生能力的要求。

二、课程改革及体系构建

（一）教学内容的改革

在课程内容方面，“机电有机结合”的教学要求，需要做到知识结构系统性和教学体系完整性辩证统一。在教学过程中，需要将“机电有机结合”的教学理念贯穿始终。在各章节知识的讲解中，并不严格根据教材的章节顺序进行，而是将整个课程内容用一些典型机电一化系统或产品把章节知识前后穿插呼应。如在讲授“机械系统部件的选择与设计”中的“机械系统数学模型的建立”时，可以和“机电一体化系统元、部件的特性分析”中自动控制理论的系统传递函数知识结合起来，在教学“机械系统部件的选择与设计”中的“机座和机架设计”时，可以和“机电一体化系统元、部件的特性分析”中的“动态特性分析”结合起来。也很好的满足了工程教育认证标准提到的理解系统的概念，能在机械工程领域内针对复杂机械工程问题进行建模、分析和求解，并能对系统进行改进、优化的指标点要求[3]。另外，总结积累课程组教师团队参与研究的具体工程案例，如“搪瓷内胆缺陷检测系统的开发”，“控水阀性能测试系统的研发”，“机场快调车结构优化设计”，“陶瓷洁具喷釉机器人”等。根据这些案例的特点，将所涉及到的知识点和现代工具的使用有机结合，具体讲解工程案例中采用的分析方法和工具，引发学生的学习兴趣，如常用的工程分析软件的种类和使用、工程测试软硬件工具、加工制造方式等。以上措施很好的切合了工程教育认证标准提到的使用现代工具，能够针对机械产品和装备设计、开发和制造中复杂工程问题，选择与使用现代计算、设计、测试、制造和仿真分析等软硬件工具的指标点要求[4]。

（二）教学方法的改革

教学过程是教师、学生、教学媒介多方互动过程。传统的教学方法以教师为中心、以课堂讲授为主，存在学生被动接受灌输的知识，学习状态和教学效果不佳的问题。因此不断增加可以反映本学科最新科技成果和实践动态等相关教学内容显得尤为必要[5]。为了适应新形势的工科教育，有效提高学生主动参与积极性，本课程将课堂讲授、答辩互动、项目研究和现场教学结合起来，及时转换教师和学生的主体角色，激发学生的学习兴趣、培养学生的解决问题的综合能力。理论教学把信息处理、传感检测、自动控制、伺服传动、精密机械和系统总体技术有机地结合起来，强调知识结构系统性和教学体系完整性辩证统一；基于团队的主题报告项目，可以引导学生深入掌握课程的理论知识体系，提高综合运用现代工具研究工程问题的能力，而且可以锻炼学生论文写作和表达能力，提高其分析问题和解决实际工程问题的能力，培养学生的工程观念；答辩互动充分激发学生的团队协作能力，提高学生的参与兴趣；现场教学结合我校特色实验室的机电一体化装备实物，如山东省精益生产物流自动化工程技术研究中心的物流装备、中国轻工业装备制造与智能测控重点实验室的瓷砖包装机生产线等，通过实地解析各系统的工作原理，引发学生的讨论和思考，将课堂教学内容真正有机整合，进一步加强学生深入理解机电一体化的系统概念和工程实践面临的各种挑战。

（三）考核方式的改革

由于本课程所涉及的内容较多，知识广泛，理论性和实践性都较强，因此采用常规的考试方式对考核学生在知识的应用与实践能力方面稍显不足。本课程针对以上特点改进考核方式，引导学生把学习的重点放在知识的应用和解决实际问题的能力训练上。具体的考核方式采用试卷（开卷）、团队主题报告演讲、个人专题报告等多种形式，从理论基础、创新意识和工程实践能力等多方面评价学生的工程素养。

三、教学改革实施实例

（一）统筹规划

系统规划机电一体化系统设计理论课程和实践环节过程，提炼各环节的相关理论和技术问题，以工程教育认证的考核标准和培养工程素养的角度，引导学生主动学习。用理解机电一体化的系统概念和解决复杂工程问题为契机，促使学生使用现代信息技术，了解和获取工业领域的前沿动态和科技最新进展，选取典型机电系统构成及关键技术为实践环节主题，以达到综合训练学生能力，提高学生综合运用专业知识、现代工具分析、理解和解决理论和实践问题的能力。

（二）团队分组

根据本课程的教学大纲的要求，进行课时分配和选课学生人数的统筹规划。在上课之前对课程进行总体规划，由于选修课会遇到个别学生弃选的情况，所以在开课后第2个学时进行小组分配方案的调整，开课第4个学时即确定最终的分组名单。本课程总学时32学时，第一阶段的16个学时为理论教学环节，第二阶段为现场教学环节，第三个阶段为基于团队的主题研究环节，第二第三阶段为实践环节，随着每个学期选课学生的变动进行灵活分配调整。以培养学生团队合作意识为宗旨，根据选课人数和课时安排灵活分组。具体操作大致采取打乱班级界限、打乱学号顺序的方式进行编组，避免出现学生能力强弱不均、部分学生抱团排外的弊端，力求公正公平、充分激发学生的主观能动性，调动每个成员的团队意识。这期间部分学生对团队成员之间的沟通交流存在畏难情绪，以各种借口申请调整团队分组方案，此时需要坚持分组原则，并且依托各班干部进行情况调查，排除学生心理的顾虑，鼓励学生之间建立良好的同学友谊。一旦团队分组名单确定完成，开始对学生以团队为单位安排座次，并要求后续上课时按照团队分组座次落座，贯彻课堂纪律，如此一方面可以加深同专业不同班级学生之间的相互了解，另一方面方便考勤，以小组集体协作的方式督促同组学生学习进步。

（三）课堂教学

教学第一阶段以讲授法教学方法为主，辅以案例、讨论、情景教学等方法，对本课程所要教授的理论知识进行教授。在此过程中，进行第二阶段教学的准备工作，设计考核任务清单，包括报告内容、宣讲时长、答辩表现等考核要求。在第一阶段课程进行过程中制定如下教学计划和节点控制：1.团队分组；2.团队任务下达；3.在小组成员充分熟悉和交流的情况下，初步决定团队报告主题；4.引导学生进行团队报告主题的调整和确定；5.由团队代表抽签选择报告顺序；6.团队报告的准备；7.团队主题报告；8.团队分组答辩；9.教师点评，小组互评；10.提交个人报告材料、团队报告材料、报告ppt。

（四）主题报告

教学第二阶段以学生为主体，在团队任务的驱动下，按照计划方案实施，教师引导各团队小组成员分工合作，共同完成主题报告演讲和报告材料的提交。为了增加课堂的趣味性，主题报告后的团队分组答辩、小组互评的环节，答辩小组的同学集思广益，互动场面热烈，使学生们能够充分感受和参与教学。教师根据团队演讲报告情况，表12015-2018学年本课程团队报告主题汇总表除了提问，还按照团队主题报告任务的要点进行多方面点评，包括报告时长控制、内容组织、报告形式、ppt制作、主题讲述效果、答辩效果等，帮助学生了解学习学术报告和主题宣讲的规范，拓展学生多方面能力。最后按照考核要点给出个人的最终成绩。

（五）教学调研

课程结束后，对学生进行教学方法的调研，包括以团队为单位提交课程评价和建议，包括课后感想，教学形式的优点、缺点及改良建议。针对每一轮教学过程中学生集中反馈的问题，教师通过学习教学技巧、增强专业知识和咨询资深教师等多种方法，不断改进，以期持续改进课程教学方案和效果。

四、教学改革效果反馈

根据本课程近年来积累的教学资料进行统计分析，从多方面总结教学改革效果，对持续改进课程教学方案提供支撑。

（一）对2015-2018年度的报告主题进行统计

通过比较和分析，每学年团队报告主题覆盖面广，紧跟工业领域的前沿动态和科技最新成果。在进行团队报告主题确定时，鼓励团队成员选择自己的参加实践类比赛的优秀成果作为报告内容，如2015年的主题“硬币分拣机”、“智能点滴报警系统”、“甘薯秧苗移栽机”；2016年的主题“公交车新型投币箱”；2017年的主题“智能小花匠”、“硬币分拣装置”；2018年的主题“多功能搜救机器人”均是各年级学生参加全国机器人大赛、山东省机电创新大赛、山东省机器人大赛等比赛的获奖作品。合适的选题极大的激发了学生的参与性和主动性，同时也起到了引导学生将所学知识和实践成果紧密结合的作用。从报告效果来看，学生的讲解精彩纷呈，能够展现出综合运用专业知识、现代工具，分析、理解和解决问题的能力，听讲学生聚精会神、热烈回应。

（二）对学生提交的课程评价进行统计分析

课程结束后，对学生进行教学方法的调研，包括以团队为单位提交课程评价和建议，提交课程学结。主要内容包括三个方面：课程的评价、对课程的建议、学习本课程的收获。通过统计和总结，课程中存在的问题集中体现在：1.由于随机分组，团队成员之间缺乏了解，需要教师在课堂上鼓励大家互动、交流；2.团队报告经验缺乏，希望增加展示的机会；3.在团队报告过程中，增加不同团队之间的互动和交流。学习本课程收获集中体现在：1.巩固了先修课程，加深了专业知识了解；2.通过大量不同类型的主题报告，掌握了机电有机结合的特点，并开拓了视野；3.体会到团队合作的重要性，锻炼了团队分工协作的能力；4.锻炼了演讲和表达的能力。针对上述问题，在后续的课程实践中，分别采取了相应的措施，除了在课堂理论教学过程中鼓励团队成员互动，而且在现场教学的过程中，以团队为单位进行，在团队代表抽签选择报告顺序环节，增强团队成员之间和不同团队间的互动交流。针对学生希望增加团队和个人展示机会的问题，采取全班表决的方式，争取团队进行第二次主题报告的机会。针对报告过程中的团队间互动缺乏的问题，采取鼓励同主题或相近主题团队互相提问、答辩，以及鼓励团队采用多种展示方式，引发全体同学的关注和讨论，更进一步锻炼学生团队协作和表达能力。

五、教学改革总结

综上所述，教学改革取得以下效果：1.从平时上课情况来看，学生到课率高，上课认真，学习主动，巩固了先修课程，增强了机电专业的基础知识和实践能力的培养；2.从学生评学来看，通过主题报告、合作，同学们对团队分组方式表示赞成，对这种课程改革方式反响热烈。以完成团队任务为导向，充分锻炼和提高了学生的沟通能力、团队协作能力和个人口头表达能力，并增进了同学间的友谊；3.通过团队主题报告的广泛选题，一方面学生能够主动把课堂理论知识和工业领域的前沿动态和科技最新进展相结合，掌握文献检索、资料查询、调研及运用现代信息技术工具的能力；一方面合适的选题极大的激发了学生的参与性和主动性，教师也从学生的汇报讨论中获益匪浅，教学效果良好。

参考文献：

[1]林健.工程教育认证与工程教育改革和发展[J].高等工程教育研究，2015（2）：10.

[2]教育部.中国工程教育质量报告[N].中国教育报，2016-04-08（7）.

[3]陈利华，赵津婷，刘向东.从工程教育认证视角重构第一课堂实践教学体系[J].中国大学教学，2015（12）：60.

[4]林健.多学科交叉融合的新生工科专业建设[J].高等工程教育研究，2018（1）：32.

作者：王丽 冯益华 单位：齐鲁工业大学（山东省科学院） 机械与汽车工程学院