机电一体化系统设计【机电一体化系统设计课程教学改革探索】

　　摘 要：根据机电一体化系统设计课程综合性、实践性强的特点，分析现行按照知识体系划分教学方式的不足，结合数学建模和项目教学对能力培养的优势，探索新的教学模式。提出“以项目任务为主，以知识精讲和自学自研为辅”的教学改革方案，建立注重综合素质和能力的课程考核机制，达到培养学生通过抓“模型”，分析解决实际工程问题的能力。
　　关键词：机电一体化；数学建模；项目教学
　　Exploring of teaching reform for the course of design of mechatronics system
　　Ding Wenzheng1, Wang Juan2, Wang Mulan1
　　1. Nanjing institute of technology, Nanjing, 211167, China
　　2. Jiangsu institute of economic & trade technology, Nanjing, 211168, China
　　Abstract: A new teaching mode was suggested according to the characteristic of the course of design of mechatronics system. Mathematical modeling method and project-teaching method were implemented in this mode. The teaching reform scheme was presented which included the project task, refinable teaching and teaching by oneselves, and a new assessing approach was established which was focus on the ability of the students. By this teaching mode, we hope that the students could improve the ability of solving the practical engineering problems through abstracting the model.
　　Key words: mechatronics; mathematical modeling; project-teaching
　　
　　在高等教育进入普及化的今天，应用型人才越来越受到社会的重视。所谓应用型人才，是指面对实际问题，具有解决实际问题能力的人。工程问题错综复杂，如何在教学中培养这种能力呢？关键就在于让学生搞清“模型”的意义。因为“模型”反映的是事物的本质，是对客观事物的近似描述。我们要引导学生提出“模型”，通过抓“模型”，教给学生提出问题、分析问题、解决问题的方法。
　　机电一体化系统设计作为机械制造及自动化本科专业的专业课程，是对基础课、专业基础课等知识内容的综合应用，是理论与工程结合的前沿课程。目前按照知识体系划分的教学模式，往往造成学生虽然学习了各个模块的知识，但因缺乏对工程对象的总体认识和把握，使得在系统层面上的设计和应用能力较弱。为此，笔者围绕应用型人才的培养目标，结合南京工程学院在应用型人才培养方面的教学改革实践，探讨在机电一体化系统设计课程教学中，融入数学建模和项目教学两种方法，在项目任务中加强数学建模和数字仿真分析的内容，培养学生提炼模型，通过模型分析、解决实际工程问题的能力。
　　
　　1 机电一体化系统设计课程分析
　　
　　机电一体化是机械工业的发展方向，但机电一体化系统设计是机械技术和电子技术的有机融合，以此实现系统构成的最佳化。如果按照知识体系划分进行教学，每个知识模块的内容都不能深入探讨，教与学都是蜻蜓点水，而且知识模块之间的衔接脱节现象比较严重，在最后的应用案例讲解时，学生基本只能被动接受，至于为什么这样设计或这样的方案是否最佳普遍比较模糊。如何引导学生从总体上进行系统分析和设计是这门课教学探索的第一个基本点。
　　另外课程的教学内容在很大程度上受到了教材的限制，而且技术性的课程如果没有实际的操作，教学很容易陷入教师主导的“空对空”局面，教师对着多媒体讲，学生对着多媒体听，一起纸上谈兵。所以如何改革教学内容、教学方式，发挥学生学习的主动性是教学探索的第二个基本点。
　　针对以上分析，笔者提出综合数学建模和项目教学两者特点的教学改革措施，增加项目教学内容，重点引入“系统”的概念，引导学生运用系统的观点对项目任务进行数学建模，进而分析解决问题。
　　
　　2 教学方案设置
　　
　　我们根据机电一体化系统设计课程特点，设置了以项目任务为主，以知识精讲和自学自研为辅的教学方案。
　　(1)知识精讲。以知识体系为主线，精讲内容少而精，引导学生多角度、深层次地理解课程内容。精讲以教师为主，重点是课程内容中知识模块之间的衔接融合部分。这部分交叉内容往往是学生学习的难点，通过点的精讲，以点带面，达到知识的融会贯通。例如在讲授执行装置和机械系统两部分内容时，略去执行装置和机械系统本身的结构和特性分析，突出讲解执行元件与机械系统结合中的问题，像机电系统的惯量匹配就是一个难点。为了讲清这个问题，可以从学生已知的牛顿定律入手，进行对比分析，了解惯量匹配的目的是为了更好地实现系统的稳定性和快速性。此外考虑到理论理解的难度，可以利用多媒体播放惯量匹配对加工精度影响的实验，将抽象问题形象化、具体化。
　　(2)项目任务。项目任务以学生完成为主，但任务的设计要求教师精心准备。项目都来自工程实际，需经过提炼整理才能达到教学目的，要求设计出项目任务知识覆盖面广，能贯穿课程的大部分内容，更重要的是要体现“系统”的概念，引导学生用系统的观点分析问题，建立数学模型。模型不能太简单，要体现数学建模的反复过程：即“项目分析―模型提炼―系统建模―软件求解―结果分析―模型修正―应用”。基于上述目标，我们设置了“数控机床半闭环伺服进给系统设计”的项目任务，要求各个小组首先设计搭建一个单滑台的半闭环伺服进给系统，然后按照物理系统建立运动控制性能的数学模型，以模型计算结果和实际系统测量结果的偏差为考核依据。项目开始就提醒学生要注意从系统的层面上分析影响运动控制性能的因素，既包括控制系统，也包括伺服系统，还包括机械系统。尤其是机械系统不能简单地只考虑无阻尼自然频率和阻尼比对滑台动态特性的影响，还要考虑到滚珠丝杠的间隙、滑台的摩擦等非线性因素的影响。指导学生在系统模型建立之后通过与实测结果的对比，反复修正数学模型，调整物理系统，搞清模型的意义，更深刻地认识物理系统的本质。
　　这样综合性的项目任务，学生初次碰到肯定觉得有难度，会占用大量的教学时间，因此项目教学要充分利用课余时间进行集中辅导。另外在课堂教学中适当增加部分简单案例介绍供学生自学研究和模仿参照，提高学生的主动性和项目教学的效果。
　　(3)自学自研。机电一体化作为一门交叉学科，课堂讲授内容总是有限，安排自学自研，可以开拓学生的专业视野，提高自学能力。首先在教材上打破“学一门课只读一本书”的现象，引导学生围绕项目任务研读几本推荐教材，然后根据实际需要自主选取所需的教材内容，进行知识构建，教师可以综合不同学生的知识需要，作为精讲内容的补充。另外，根据项目任务的需要，要求学生学会数学建模和相关建模软件的编程方法，提高工具知识的应用能力。
　　
　　3 考核方案设置
　　
　　教学方案的改革要求考核方式也要多样化。针对基本概念、理论和计算仍采取闭卷考核。但项目任务的完成是团队协作和综合能力的体现，这主要通过探索性表现、创新性表现、任务结果以及小组报告等综合评定。自学自研则以专题报告的方式检查，安排学生之间的互评。这样的组合考核方法，既能让学生以主动探索、积极动手的轻松心态完成知识的学习，又能培养和锻炼学生的综合能力。
　　在机电一体化系统设计教学中，通过项目任务加强学生系统分析和数学建模的训练，有助于提升学生分析解决实际工程问题的能力。同时教学方式的变革也提高了对教师的要求，因为项目任务源自工程实践，要求教师不断地参与科研项目，追踪学科前沿，随时更新教学素材。培养应用型人才，教学改革势在必行，希望通过笔者的探索，推进机电一体化系统设计课程的教学改革，培养出具有解决实际工程问题能力的人才。
　　
　　参考文献
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