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摘 要 机电一体化系统设计作为机械工程专业学科课程群中的核心课程，具有综合性和实践性强的特点。本文针对我国本科院校在本课程建设和教学改革中出现的主要问题，提出面向产业需求、面向工程应用、强调工程意识和创新意识的培养，以典型的机电一体化系统——数控专机设计专题为教学主线，以学生为主体，以培养学生自主学习意识和自学能力为目的，以学生参与实际设计的过程为重点进行了教学内容、教学模式的改革，对构建和完善提升本科生的工程素质、培养学生的实践能力和创新能力的课程内容和教学模式进行了探讨。
关键词 机电一体化系统设计 工程应用 创新能力 实践能力
中图分类号：G420 文献标识码：A
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
機电一体化系统设计涉及机械、电子、计算机、自动控制及信息处理技术、系统工程、检测传感技术、伺服传动技术等多学科领域，是机械工程专业学科课程群中的核心课程。本课程技术含量高，内容更新快，要求学生能综合运用机械、电子、控制与信息处理等多学科的知识，完成对系统的分析、设计、优化等一系列过程，具有很强的综合性和工程实践性，相比其它专业课程而言，课程建设和教学改革面临更多问题，具有更大难度。
目前课程建设中存在的主要问题有：①教学内容过分侧重于工程科学理论知识的灌输，缺少工程分析设计的实践过程，远远不能满足工程应用要求；②教学模式基本还是传统的以教师传授知识为主，学生被动学习的模式，“以教师为中心，以课堂为中心，以书本为中心” 的单向灌输式教学模式方法仍然占据主导地位，学生动手解决实际工程问题的机会很少。以上问题使得学生理论知识与工程实践相脱离，实践能力和创新能力薄弱，不能适应现代化经济建设和工程技术发展的要求。
1 课程教学改革研究
我校自1999年开设机电一体化专业方向以来，一直对《机电一体化系统设计》课程建设和教学改革进行了不断的探索，现将教学内容和教学模式改革的过程小结如下：
1.1 教学内容改革
高档数控机床和基础制造装备是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》16个重大专项之一，也是国家振兴计划的重要组成部分，因此在教学内容设置上，紧跟这一重大决策，响应国家战略需求，将典型的机电一体化系统——数控专机系统设计专题作为主要内容，在前续课程所讲授的理论知识和工程应用实例基础上，教师指导学生结合工程实例，对机电一体化系统，特别是数控专机系统的设计过程进行较系统完整的学习，并循序渐进地进入实际设计过程，并最终完成数控专机的方案设计和优化、各元部件选型、软件流程图、电气原理图等所有理论设计和功能模块细部设计过程。教学所用的工程设计案例大部分来自学校教师所承担的实际科研项目，如数控电焊专机设计、锥齿轮传动质量智能检测分析系统设计、数控弯管机控制系统设计等，避免了空泛地照搬教材进行照本宣科，而是由教师指导学生在设计过程中自主查阅、了解相关知识，进一步掌握相关技能，并将所学所得结合实际设计过程进行巩固，在此过程中，教师将自己的设计思路、方法和经验毫无保留地对学生进行传授和讨论，从而实现对学生自学能力、创新能力、实践动手能力等机电复合型工程技术能力的培养。这对于在校学生来说是非常难得的学习和实践的机会，也真正体现出课程面向社会需求、面向工程应用的实质。
1.2 教学模式和教学方法改革
本课程是一门面向工程应用，分析解决实际工程问题，对“系统”进行“设计”和“整合优化”的专业核心课程。因此在教学中指导学生始终要以系统工程的角度出发，以整体全局性的高度，对所设计的数控专机进行化整为零、化繁为简的分析，将一个大系统的设计任务分解为各个子系统乃至各个单独的功能模块和功能部件的设计和选型，再经过接口设计，将各功能模块有机地融合在一起，组成一个整体性能高于各部件之和的完整系统。
在教学过程中，始终坚持面向工程应用，以学生为主体的模式，课堂时间主要用于重要理论和技能、关键问题和练习作业的学习和讨论，其余所需知识技能交由学生课后通过图书馆、网络等查阅设计案例、论文、产品技术手册等相关资料和自学完成，同时学习运用一些常用设计工具，并通过作业和小组讨论等方式进行巩固，有疑难问题可提出并在全班进行讨论，最后在教师指点下得出正确结论。这种以具体工程设计任务为教学主线的方式让学生明确意识到课内外所学知识技能在实践生产中大有用武之地，认识到教师布置的作业均是完成设计任务必需环节，从而大大提高了学生的学习积极性，使其在课堂上的注意力非常集中，课后能根据任务所需而主动自发地进行学习和讨论以完成任务，而不再像以往那样由于不明白所学知识具体有何用处而造成理论和实际脱节，甚至产生忽视和厌学心理。在此过程中学生逐渐认识到自己理论知识上的薄弱点和缺少的实践经验，有针对性地学习参考相关理论知识和前人的方法经验，弥补以往知识技能系统的缺失环节，并能及时将所遇到的问题及心得体会在课内课外与教师和同组同学进行交流讨论，最终较系统完整地完成对各相关知识和技能进行总结，并在工程项目中综合应用的过程。
本课程是涉及到机械、电子、控制、信息等多学科知识和技术的一门交叉课程，在课堂教学环节，普遍出现的情况是将本课程作为前续课程中“机”、“电” 、“控制”等学科知识的简单组合和回顾，导致本课程应具有的系统性、综合性、实践性不能体现，与其余专业课程间也无法形成科学合理的承接脉络。改革教学模式和方法后，以整个工程设计过程为主线，将所涉及到的各学科关键理论知识，进行系统性逻辑性的梳理，形成清晰的脉络和层次，并指导学生在完成设计任务的过程中，有意识地综合运用所学知识、工具和技能，达到学以致用的目的。
例如，在讲授“机械子系统设计”章节时，把握住“各子系统有机融合”这一本质，让学生不仅掌握书本上陈述的对机械系统的性能要求等知识点，更要明白这些要求的提出不是孤立地从机械系统本身稳定性、快速性、准确性等性能指标出发，而更要从控制系统、伺服驱动系统与机械系统有机结合的角度来看待。通过运用经典控制理论中的时域分析和频率分析两种方法，了解机械系统参数中系统阻尼比和无阻尼固有频率这两个最基本的参数，对机械系统参数变化引起的控制性能变化的过程、原理进行分析推导，同时通过课堂上采用MATLAB对系统进行设计与仿真的实例演示，使学生了解这一控制设计领域的经典工具，经过教师指导和课后自学，掌握该软件的基本使用方法并在设计中加以运用，从而将控制工程领域的相关知识、技能与机电一体化系统设计任务紧密联系起来。
又如，在进行“伺服驱动系统设计”章节的教学时，通过课堂讨论和课后作业，让学生将伺服驱动器、变频器等驱动系统，以及交直流伺服电机、步进电机、力矩电机等常用伺服电机的性能、特点、应用场合、性价比等主要指标逐一进行分析和比较，针对数控专机任务要求设计合适的驱动方案，并查阅技术资料，完成电机选型计算以及电机与驱动器的接口设计，从而将前续课程所学的机电控制知识通过设计任务进行系统完整地运用。
再如，在“控制系统设计”环节，教师通过简要讲解和演示PLC梯形图编制、单片机编程和仿真、VB/VC++或LABVIEW等高级语言编程驱动运动控制卡等控制实例，使学生了解各控制系统的软、硬件组成及其设计过程和设计方法，课后自行查阅资料，对各种控制系统的优缺点、最新应用现状和发展趋势进行分析总结，设计出合适的控制方案，并在课堂演示实例基础上，学习运用相关工具，进行初步的控制系统软、硬件设计。
运用以上教学模式和方法，使学生在系統性地了解基础理论和技术的基础上，迅速地掌握关键理论知识和必要技能，并有效地在工程设计项目中加以应用，在培养学生自学能力、创新能力和理论联系实践的能力方面颇有成效，为其今后的工程应用和技术研究工作打下了良好的基础。
2 结论
我国政府在2006年初已将建设创新型国家确立为一项重要的战略目标，高质量的工程科技人才正是建设创新型国家的重要力量。我国高校机电一体化专业必须积极面向社会的迫切需求，以培养能满足产业需求、具有较强创新能力和综合能力的机电一体化科研技术人才作为最重要的工作目标。本文对机电一体化专业的核心课程——机电一体化系统设计的课程内容建设和教学模式方法改革进行了探讨，提出了面向产业需求、面向工程应用、以典型机电一体化系统——数控专机设计过程为教学主线，以学生为主体，以学生参与实际设计的过程为教学重点等改革措施，以期逐步构建科学合理的课程内容体系和教学模式，实现培养学生的工程素质、提高学生实践能力和创新能力的目标。
基金资助：重庆市重大教改项目“以培养学生工程设计能力为目标的机械工程系列核心课程教学改革研究与实践（09-1-005）”
重庆理工大学高等教育研究立项项目 “《机电一体化系统设计》课程教学改革研究（2010009）”
参考文献
[1] 崔军,汪霞.反思目标 回归本质——本科工程教育问题分析与改革对策[J].江苏高教,2009(4).
[2] 熊光洁,张力,张元培.机电课程改革应适应世界制造业发展[J].理工高教研究,2004(5).
[3] 于淼.高校应成为培养创新人才的主阵地.中国药科大学,2004(6).
关键词 机电一体化系统设计 工程应用 创新能力 实践能力
中图分类号：G420 文献标识码：A
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
機电一体化系统设计涉及机械、电子、计算机、自动控制及信息处理技术、系统工程、检测传感技术、伺服传动技术等多学科领域，是机械工程专业学科课程群中的核心课程。本课程技术含量高，内容更新快，要求学生能综合运用机械、电子、控制与信息处理等多学科的知识，完成对系统的分析、设计、优化等一系列过程，具有很强的综合性和工程实践性，相比其它专业课程而言，课程建设和教学改革面临更多问题，具有更大难度。
目前课程建设中存在的主要问题有：①教学内容过分侧重于工程科学理论知识的灌输，缺少工程分析设计的实践过程，远远不能满足工程应用要求；②教学模式基本还是传统的以教师传授知识为主，学生被动学习的模式，“以教师为中心，以课堂为中心，以书本为中心” 的单向灌输式教学模式方法仍然占据主导地位，学生动手解决实际工程问题的机会很少。以上问题使得学生理论知识与工程实践相脱离，实践能力和创新能力薄弱，不能适应现代化经济建设和工程技术发展的要求。
1 课程教学改革研究
我校自1999年开设机电一体化专业方向以来，一直对《机电一体化系统设计》课程建设和教学改革进行了不断的探索，现将教学内容和教学模式改革的过程小结如下：
1.1 教学内容改革
高档数控机床和基础制造装备是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》16个重大专项之一，也是国家振兴计划的重要组成部分，因此在教学内容设置上，紧跟这一重大决策，响应国家战略需求，将典型的机电一体化系统——数控专机系统设计专题作为主要内容，在前续课程所讲授的理论知识和工程应用实例基础上，教师指导学生结合工程实例，对机电一体化系统，特别是数控专机系统的设计过程进行较系统完整的学习，并循序渐进地进入实际设计过程，并最终完成数控专机的方案设计和优化、各元部件选型、软件流程图、电气原理图等所有理论设计和功能模块细部设计过程。教学所用的工程设计案例大部分来自学校教师所承担的实际科研项目，如数控电焊专机设计、锥齿轮传动质量智能检测分析系统设计、数控弯管机控制系统设计等，避免了空泛地照搬教材进行照本宣科，而是由教师指导学生在设计过程中自主查阅、了解相关知识，进一步掌握相关技能，并将所学所得结合实际设计过程进行巩固，在此过程中，教师将自己的设计思路、方法和经验毫无保留地对学生进行传授和讨论，从而实现对学生自学能力、创新能力、实践动手能力等机电复合型工程技术能力的培养。这对于在校学生来说是非常难得的学习和实践的机会，也真正体现出课程面向社会需求、面向工程应用的实质。
1.2 教学模式和教学方法改革
本课程是一门面向工程应用，分析解决实际工程问题，对“系统”进行“设计”和“整合优化”的专业核心课程。因此在教学中指导学生始终要以系统工程的角度出发，以整体全局性的高度，对所设计的数控专机进行化整为零、化繁为简的分析，将一个大系统的设计任务分解为各个子系统乃至各个单独的功能模块和功能部件的设计和选型，再经过接口设计，将各功能模块有机地融合在一起，组成一个整体性能高于各部件之和的完整系统。
在教学过程中，始终坚持面向工程应用，以学生为主体的模式，课堂时间主要用于重要理论和技能、关键问题和练习作业的学习和讨论，其余所需知识技能交由学生课后通过图书馆、网络等查阅设计案例、论文、产品技术手册等相关资料和自学完成，同时学习运用一些常用设计工具，并通过作业和小组讨论等方式进行巩固，有疑难问题可提出并在全班进行讨论，最后在教师指点下得出正确结论。这种以具体工程设计任务为教学主线的方式让学生明确意识到课内外所学知识技能在实践生产中大有用武之地，认识到教师布置的作业均是完成设计任务必需环节，从而大大提高了学生的学习积极性，使其在课堂上的注意力非常集中，课后能根据任务所需而主动自发地进行学习和讨论以完成任务，而不再像以往那样由于不明白所学知识具体有何用处而造成理论和实际脱节，甚至产生忽视和厌学心理。在此过程中学生逐渐认识到自己理论知识上的薄弱点和缺少的实践经验，有针对性地学习参考相关理论知识和前人的方法经验，弥补以往知识技能系统的缺失环节，并能及时将所遇到的问题及心得体会在课内课外与教师和同组同学进行交流讨论，最终较系统完整地完成对各相关知识和技能进行总结，并在工程项目中综合应用的过程。
本课程是涉及到机械、电子、控制、信息等多学科知识和技术的一门交叉课程，在课堂教学环节，普遍出现的情况是将本课程作为前续课程中“机”、“电” 、“控制”等学科知识的简单组合和回顾，导致本课程应具有的系统性、综合性、实践性不能体现，与其余专业课程间也无法形成科学合理的承接脉络。改革教学模式和方法后，以整个工程设计过程为主线，将所涉及到的各学科关键理论知识，进行系统性逻辑性的梳理，形成清晰的脉络和层次，并指导学生在完成设计任务的过程中，有意识地综合运用所学知识、工具和技能，达到学以致用的目的。
例如，在讲授“机械子系统设计”章节时，把握住“各子系统有机融合”这一本质，让学生不仅掌握书本上陈述的对机械系统的性能要求等知识点，更要明白这些要求的提出不是孤立地从机械系统本身稳定性、快速性、准确性等性能指标出发，而更要从控制系统、伺服驱动系统与机械系统有机结合的角度来看待。通过运用经典控制理论中的时域分析和频率分析两种方法，了解机械系统参数中系统阻尼比和无阻尼固有频率这两个最基本的参数，对机械系统参数变化引起的控制性能变化的过程、原理进行分析推导，同时通过课堂上采用MATLAB对系统进行设计与仿真的实例演示，使学生了解这一控制设计领域的经典工具，经过教师指导和课后自学，掌握该软件的基本使用方法并在设计中加以运用，从而将控制工程领域的相关知识、技能与机电一体化系统设计任务紧密联系起来。
又如，在进行“伺服驱动系统设计”章节的教学时，通过课堂讨论和课后作业，让学生将伺服驱动器、变频器等驱动系统，以及交直流伺服电机、步进电机、力矩电机等常用伺服电机的性能、特点、应用场合、性价比等主要指标逐一进行分析和比较，针对数控专机任务要求设计合适的驱动方案，并查阅技术资料，完成电机选型计算以及电机与驱动器的接口设计，从而将前续课程所学的机电控制知识通过设计任务进行系统完整地运用。
再如，在“控制系统设计”环节，教师通过简要讲解和演示PLC梯形图编制、单片机编程和仿真、VB/VC++或LABVIEW等高级语言编程驱动运动控制卡等控制实例，使学生了解各控制系统的软、硬件组成及其设计过程和设计方法，课后自行查阅资料，对各种控制系统的优缺点、最新应用现状和发展趋势进行分析总结，设计出合适的控制方案，并在课堂演示实例基础上，学习运用相关工具，进行初步的控制系统软、硬件设计。
运用以上教学模式和方法，使学生在系統性地了解基础理论和技术的基础上，迅速地掌握关键理论知识和必要技能，并有效地在工程设计项目中加以应用，在培养学生自学能力、创新能力和理论联系实践的能力方面颇有成效，为其今后的工程应用和技术研究工作打下了良好的基础。
2 结论
我国政府在2006年初已将建设创新型国家确立为一项重要的战略目标，高质量的工程科技人才正是建设创新型国家的重要力量。我国高校机电一体化专业必须积极面向社会的迫切需求，以培养能满足产业需求、具有较强创新能力和综合能力的机电一体化科研技术人才作为最重要的工作目标。本文对机电一体化专业的核心课程——机电一体化系统设计的课程内容建设和教学模式方法改革进行了探讨，提出了面向产业需求、面向工程应用、以典型机电一体化系统——数控专机设计过程为教学主线，以学生为主体，以学生参与实际设计的过程为教学重点等改革措施，以期逐步构建科学合理的课程内容体系和教学模式，实现培养学生的工程素质、提高学生实践能力和创新能力的目标。
基金资助：重庆市重大教改项目“以培养学生工程设计能力为目标的机械工程系列核心课程教学改革研究与实践（09-1-005）”
重庆理工大学高等教育研究立项项目 “《机电一体化系统设计》课程教学改革研究（2010009）”
参考文献
[1] 崔军,汪霞.反思目标 回归本质——本科工程教育问题分析与改革对策[J].江苏高教,2009(4).
[2] 熊光洁,张力,张元培.机电课程改革应适应世界制造业发展[J].理工高教研究,2004(5).
[3] 于淼.高校应成为培养创新人才的主阵地.中国药科大学,2004(6).