本站原创摘 要结合机电类专业课程实际,分析了现有课程体系存在的问题,提出利用开放实验课平台进行机电类专业课程教学改革的实施思路,对实践效果进行分析,并通过教学反思,总结了开放实验课程对今后教学工作的启发.
关 键 词机电类专业；教学改革；开放实验课；实践效果
中图分类号G642.0文献标识码A文章编号1007-5739（2014）06-0321-03
机电一体化是现代工业的基础,其核心思想是将机械、电子、信息、控制有机结合,以实现工业产品和生产过程整体最优化与智能化.随着我国经济持续发展,工业自动化水平迅速提高,为适应工业发展对具有实践性、创造性等综合能力且素质高的技术人才的迫切需要,机电类课程教育改革不断深入.对于二本、三本院校,教学工作的目标是培养学生工程实践和创新能力,使学生能够胜任现代机电设备实际设计、操作,以顺应时怎么发表展潮流,满足自身发展需求.
机电类专业课涉及到“机”和“电”2个方面,机电一体化也体现在学生知识体系的融合上,“机”与“电”共同支撑了机械设计与制造及其自动化专业,随着传感检测技术、现代信息处理技术、计算机应用技术、微电子技术和半导体制作工艺的不断进步,“电”对于该专业的重要性正在逐步提升,促使机电一体化专业课在内涵与外延上发生了意义深远的变革.
浙江农林大学机械类专业在教学计划中逐步增加了《计算机基础》《微机原理与应用》《机电传动控制》《机床数控技术》《机电一体化系统设计》等机电类课程.就现有课程体系而言,内容较多,涉及知识广泛,理论性和实践性都较强,这些课程内容正是学习、了解和设计机电产品的必修知识,为学生今后的实践提供基础.
1现有课程体系存在的问题
1.1课时安排不尽合理
典型的机电专业课包括《微机原理及其应用》《机电传动控制》与《机电一体化系统设计》3门课程,其涉及的知识面较广,学习起点较高,难度较大,而且课程之间内在关联性强.当前,3门课程教学安排分别为48、40、40课时,教学方法为理论学习与实验实践相结合,其中课堂教学分别为40、32、40课时,实验课分别为8、8、0课时.可见当前的课程设置仍保留传统的重理论轻工程应用的培养模式,课程主要以理论讲授法为主组织教学,尤其《机电一体化系统设计》,甚至没有安排实验环节.这样的课程安排有利于集中授课,但忽视了对学生学习潜能的开发,在教学过程中学生是被动地听,不能动手进行实际操作,参与程度不高,不利于学生独立思考和工程实践能力的锻炼,并且存在着重理论轻实践、重讲授知识轻能力培养的不足,导致学生理论知识不系统.
1.2课程间衔接不畅
机电类专业课之间目前较为突出的问题还有“机”与“电”相关知识不能有机地结合,几门课在课程内容上存在章节内容重复或不能合理衔接.例如作为主干课程,《机电传动控制》中关于电动机原理、继电器接触器控制等内容与《电工电子技术》有重叠,然而表面相似的课本知识,侧重点并不相同,教学中往往给学生造成一定误导.而作为机电专业课集大成的课程《机电一体化系统设计》,既有一定深度又有足够的广度,是综合性比较强的应用型课程,对学生专业基础功底有一定的要求.但该课程自身的理论体系不突出,各部分内容之间相对独立,缺少一个可以贯穿整个教学过程并将各知识点串联起来的线索,在逐章节授课时容易造成内容割裂,缺乏有机整体感,学生也会难以把握重点,感到茫然.
1.3课程内容有待更新
课程内容方面的最主要问题是缺乏新颖性,《微机原理》课程内容仍然为51系列单片机,开发语言以汇编语言为主,对于更新的单片机与嵌入式系统介绍较少.许多工程上广泛应用的机电一体化技术与装备,没有反映在课程中,例如机器人技术、现场总线技术、智能控制技术等.这样的课程体系很难使学生毕业后适应工作岗位要求,也不利于培养学生系统地思考问题、解决问题的能力.
其次是课程内容的“脱节”问题.一方面课程的设置缺乏系统性,不同课程之间不能很好衔接,使学生知识体系脱节.另一方面,现有课程重理论、轻应用,而且实践环节以课内实验与课程设计为主,使学生缺乏系统性锻炼,造成理论与实践脱节.例如《机电一体化系统设计》理论课结束后,有1次专业课程设计,内容包括机械本体设计与控制系统软、硬件设计,是学生进行毕业设计的前奏,也是走向工作岗位前的重要锻炼,然而学生普遍反应,课程设计内容深度和广度都超出自己的专业知识基础,很难将自己4年来所学知识串联成体系,所定任务难以轻松完成.
2教学改革的实施
2.1教改思路
上述问题使现有课程体系难以适应新的形式,为了提高机电类课程教学的效果,保证教学质量,众多高校都积极地开展教学研究,如整合教学内容,以课程集群化建设作为发展的方向,利用许多课程知识的关联性,在教学内容上进行优化组合,一定程度上解决了课程之间内容相互重复的现象,使得课程内容得到精简[1].应用多媒体课件提高课堂教学知识传授的密度,利用网络技术为学生开辟第二课堂,为学生自主学习提供了渠道,师生通过网络互动,为理论与实践教学的拓展与深化增添了巨大的空间[2].一些研究型大学,则引入研究型教学方法,利用学校科研优势,吸收本科生参与科研,建立以研究为基础的教学模式,改善学生的创新能力和探索意识[3].与研究型教学方法类似,项目化教学方法以具体研究任务为牵引,学生以团队为基础,围绕对工程实践的解决来组织教学[4-5].
上述教学方法都取得了较好的效果,值得借鉴.作为应用型本科专业,浙江农林大学机械专业的教学资源、学生的自学能力等方面与其他教学研究型大学相比有较大不足,同时作为普通本科,与高等职业技术学校教学目标也有很大区别.因此,在借鉴其他类型高校的经验与方法的基础上,必须有针对性地对机电类教学中的有关问题进行深入的研究,探索适合应用型本科教学的新的教学形式.考虑到不同机电类专业课之间的内在联系性,教学改革将是一个系统工程.一方面,课程之间需要更好的衔接,另一方面,由于以工程应用为背景,更需要注重培养学生工程的实践能力.如果将课堂教学归结为“显式”,那么课堂之外的学习实训则为“隐式”,鉴于目前普遍存在的压缩课时问题,“隐式”教学在整个教学过程中的作用将越来越重要.针对如何发挥“隐式”教学作用,目前在机电专业课方面,国内有许多有益的尝试,较为成功的教学实践方法除前节所述之外,还有行为引导型教学法[6]、任务驱动教学法[7]等.这些教学方法在教学过程中体现了教师的主导地位和学生的主体地位,在教学过程中学生不再是配角,从信息的搜集、计划的制定、方案的选择与实施、信息的反馈到成果的评价,学生参与解决问题的全部过程.新大纲即将实施,机电专业课理论教学课时将进一步压缩,教学过程中,实践环节的作用将更加突出.根据校机电类本科生的特点和课程体系设置,上述教学方法是值得借鉴的,开放实验课也正是在这样的背景下引入.
2.2开放实验课程的引入
为培养学生对机电一体化相关技术的认知,从而能够将相关课程的知识与实践联系起来,增强思考问题与动手的能力,培养学生科研兴趣,同时提高大型设备利用率,在机电类课程教学过程中,依托机械工程实验中心,以机电一体化培训系统为主要平台,引入了开放实验课.经过宣传成功达到开班条件,第一届学生以本部与天目学院机械、交通、农机等工科专业大二、大三学生为主.
机电一体化培训系统是一套大型综合化教学实验平台,以该系统为载体可以为多门机电一体化相关课程提供认知支持,促进相关知识的掌握,并可以为机器人动力学与控制相关科研提供验证与参考.主要内容与学时分配：机电一体化培训系统软硬件原理与演示4课时；基本控制环节硬件选择与接线培训4课时；电动机调速与控制4课时；PLC基本原理与操作4课时；直角坐标机械臂运动控制4课时；串联机械臂运动控制4课时；并联机械臂运动控制4课时；机械臂正运动学、逆运动学算法验证4课时.
2.3实践效果
在机电类课程教学中引入开放实验课,对于教师与学生来讲都是个新事物,作为机电专业课主讲教师,经过课堂宣传等工作,并且利用毕业生毕业设计,组织学生通过实际操作对设备进行了摸底,同时结合教师科研项目重点利用设备进行了多体系统动力学算法验证试验.通过这些工作筛选了相关实验项目并编写了规程,保证了开放课最终圆满完成.
第一届开放实验课招收了1个班学生,大多已经有一定专业知识基础,成绩在本专业普遍在中等以上,可以说都具备学习的主动性.开放课实施过程中,学生都学习到了实际工程应用技术,动手能力普遍得到提高.最终共有18名拿到学分,另有若干名学生未及时选课也参与了实验,甚至参与到教师科研项目中.学生学习的主动性和积极性得到了显著提高,尤其是见识了自动化系统高效率工作之后,多数学生能够按照要求查阅相关资料,补充基础知识.机械专业大二的《微机原理》,以及大四的《机电一体化系统设计》2门课程与开放实验课同步进行,大二学生在完成课内实验后,通过实训,更深刻理解了计算机对控制系统的作用,并利用单片机套件完成了电动机PWM调速、并联机构运动控制等实验,显示出了较好的分析问题和解决问题的能力.大四学生面临课程设计与毕业设计,参加开放实验课学习的几名学生课程设计与毕业设计均有较好表现.
3教学反思
3.1开放实验课的意义
开放性实验与平时的课程实验有很大区别.课程实验中,学生都是按照教师与指导书规划好的步骤去完成,缺乏实际的思考步骤,甚至动手不动脑,因此在实验中得不到实质的提高.开放实验课的内容则跨越多门课程,更加综合,实验过程中需要动手动脑相结合,整个过程中要遇到很多的问题,而这些问题需要学生自己去解决,正是这个过程锻炼了学生的能力,这正是体现了设计性、综合性实验的真谛,使学生的理论与实践能够有机结合.
开放实验课的另一个意义在于为多门机电类课程提供了直观有效的衔接平台,不但使该课程理论实践相衔接,也使整个课程群有机衔接,有利于初学者（范围包括且不限于本科生和研究生新生）对抽象且相对枯燥的机电一体化理论知识的学习建立起信心,并通过该平台建立起宽广扎实的机电一体化知识体系.通过构建以学生为本的“理论教学、讨论互动、动手实验、项目研究、课程设计”五位一体有机融合型课程教学体系,以及建立注重过程和综合能力的课程考核机制,能够实现多方位综合素质培养的有机融合.
3.2存在的问题
开放实验课的实施虽然取得了预期效果,但仍存在一些问题.首先是实验装置问题,一些实验设备,例如机电一体化培训系统存在老化问题,由于年久失修,系统曾经多次出现故障,最严重的一次是因为物料检测单元工控机故障,系统连续2周不能正常运行,直到厂家进行维修才解决问题,使得涉及到的几个实验未能达到理想状况.其次,实验选项也存在问题.制订计划时以验证演示实验为主,但其中一些实验涉及到的理论知识显然难度过大,学生难以理解.例如串联机械臂与并联机械臂正运动学、逆运动学算法验证、插补运动演示等,要求学生能够理解空间变换、运动旋量等较深知识.最后,通过开放实验课,暴露出学生知识体系普遍存在不匹配的问题.大多数学生从未实际接触过类似先进自动控制系统,由于基本上是大二、大三学生,其知识体系并未完善,对于系统运行,只能了解表面现象,不能理解具体原理,使其中一些实训,如计算机控制系统编程、机械臂插补运动控制等实训科目无法科学设计实验.
3.3对今后教学工作的启发
研究机电类课程教学认知学习规律,探索与学生认知过程相适应的教学内容设置与实施.其基本思路是拟构建基础型知识、综合设计能力和研究创新能力3个层次知识体系.第一层次为基础知识学习,旨在培养学生对课程基本知识点的掌握,主要通过课堂教学完成.第二层次为综合设计实践能力培养,旨在培养学生独立设计能力,综合运用所学知识、独立设计实验方案并实现实验方案,完成实验数据的测试与采集,整理并分析数据,得出可靠数据的能力.第三层次则有针对性地培养学生基本的科学研究方法与能力,初步掌握撰写研究论文的方法,为以后的继续深造打下坚实的基础.主要以现有科研项目为依托,面向部分学生,以科研助手形式参与科研课题[8].
4结语
机电类课程涵盖基础课（如《电工电子技术》）、专业基础课（如《微机原理及其应用》）与专业课（如《机电一体化系统设计》）,课程学习的时间跨度较大,无论从深度还是广度方面,对学生都有较高要求.如何将知识结构系统性和教学体系完整性统一起来,将是机电类课程教学过程中永恒的主题.利用开放实验课能够激发学生的学习兴趣、积极性和主动性,开发大学生创新思维意识,构筑工程背景知识体系,将“机”与“电”知识有机结合起来.通过实际动手动脑操作,也提升了学生综合应用已有知识解决实际问题的能力,激发学生协作精神和创业思想.总之,开放实验课将为理论与实践有机结合的工程教育探索出一条有益的道路.该课程体系处于实验阶段,有待于进一步发展和完善.
5参考文献
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[3]吴涛.机电传动控制课程的研究型教学模式[J].实验室研究与探索,2013,32（1）：105-107,187.
[4]陆荣.项目教学法在机电控制系统设计教学中的应用[J].科教导刊,2012（10）：9-10,19.
[5]姚利敏.项目教学法在PLC课程中的应用[J].电子制作,2013（7）：179,172.
[6]王晓丽.案例法和项目驱动法在机电一体化设计课程中的应用[J].机械管理开发,2013（1）：173,175.
[7]孙承练.行为引导型教学法在专业课教学中的运用[J].轻工科技,2013（7）：181-182.
[8]何炜.高职机电课程设计教学改革探研[J].成才之路,2012（23）：65.