機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容與方式革新
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本文作者：郝娟、肖定國(guó)、賈玉平 單位：北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院
“機(jī)電一體化”是微電子技術(shù)向機(jī)械工業(yè)滲透過(guò)程中逐漸形成的，涉及機(jī)械學(xué)、電子學(xué)和信息科學(xué)的新興交叉學(xué)科[1]。作為機(jī)械類專業(yè)的一門重要課程，《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力具有重要作用[2]。由于綜合了多門學(xué)科，該課程所涉及的知識(shí)點(diǎn)量多面廣，而且有些內(nèi)容學(xué)生在相關(guān)的課程中接觸過(guò)，如果在教學(xué)過(guò)程中不加注意，容易使本門課程變成“炒剩飯”，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。本文針對(duì)課程學(xué)習(xí)中存在的問(wèn)題，結(jié)合作者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式兩個(gè)方面提出了改革措施。
一、課程存在問(wèn)題
《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》的教學(xué)內(nèi)容各部分內(nèi)容差別很大，連續(xù)性差，教師在講授過(guò)程中，必須將各個(gè)章節(jié)的內(nèi)容有機(jī)聯(lián)系起來(lái)；此外，各部分內(nèi)容又相對(duì)獨(dú)立，若講授時(shí)一視同仁，不分主次，往往給學(xué)生造成是在重溫舊知識(shí)的感覺(jué)，甚至搞不懂學(xué)習(xí)這門課程的真正目的是什么[3]?！稒C(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》的主要任務(wù)是使學(xué)生樹(shù)立正確的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際、調(diào)查研究、刻意創(chuàng)新的能力，使學(xué)生掌握機(jī)電有機(jī)結(jié)合的理論、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本規(guī)律及基本方法，具備機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力。僅靠傳統(tǒng)的課堂授課是無(wú)法實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù)目標(biāo)的，必須從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式上作出改革。
二、教學(xué)內(nèi)容改革
1.以系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想為主線。機(jī)電一體化的目的是提高產(chǎn)品或系統(tǒng)的附加價(jià)值，即多功能、高效率、高可靠性、省材料、省能源，并使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向輕、薄、短、小化方向發(fā)展，從而不斷滿足人們生活的多樣化和生產(chǎn)的省力化、自動(dòng)化需求。因此，機(jī)電一體化的研究方法不能只是簡(jiǎn)單拼湊，應(yīng)該從系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案開(kāi)始到各元部件選擇到系統(tǒng)最終成形的全過(guò)程都要貫徹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想。首先是從整體角度及可行性方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多種整體方案設(shè)計(jì)；然后對(duì)其機(jī)械機(jī)構(gòu)、執(zhí)行元件、微機(jī)控制系統(tǒng)、檢測(cè)傳感裝置等組成部分及相關(guān)接口進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)；最后對(duì)系統(tǒng)性價(jià)比進(jìn)行衡量，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，選擇原則是在保證目的功能要求與適當(dāng)壽命的前提下不斷降低成本。以上三個(gè)環(huán)節(jié)相互影響，一般在緒論里講第一個(gè)環(huán)節(jié)，在此環(huán)節(jié)讓學(xué)生了解一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品整體上的五大功能構(gòu)成和五大功能要素，在進(jìn)行系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)時(shí)可能有多種選擇，需要結(jié)合系統(tǒng)的功能要求、技術(shù)指標(biāo)和成本控制多方面因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，優(yōu)化出最佳的方案。以設(shè)計(jì)精密數(shù)控機(jī)床為例，從總體上對(duì)其五大功能和功能要素進(jìn)行分解，分解的結(jié)果可以用功能矩陣來(lái)表示[4]，最終設(shè)計(jì)方案的選擇取決于能否提高產(chǎn)品或系統(tǒng)的附加價(jià)值。第二個(gè)環(huán)節(jié)分別講述構(gòu)成機(jī)電一體化的功能要素，盡管每一功能要素在內(nèi)容上相對(duì)獨(dú)立，但它們作為機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品組成部分，通過(guò)廣義接口聯(lián)系在一起，彼此相互影響，學(xué)生只有認(rèn)識(shí)了這一點(diǎn)，才能從總體上把握機(jī)電一體化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想。還以設(shè)計(jì)精密數(shù)控機(jī)床為例，為了達(dá)到高精度，可以選用精密機(jī)械，但這勢(shì)必造成系統(tǒng)成本的增加，而且，成本有可能隨著精度要求的提高成幾何倍數(shù)增加。另一個(gè)可行的方法是采用軟件補(bǔ)償來(lái)提高精度，但這會(huì)對(duì)微機(jī)控制系統(tǒng)和傳感檢測(cè)系統(tǒng)提出新的要求。第三個(gè)環(huán)節(jié)是對(duì)系統(tǒng)性能的綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的結(jié)果不符合要求時(shí)還有可能需要對(duì)整體方案或各個(gè)功能要素重新選擇，直至滿足要求為止。在課程講述過(guò)程中，僅僅介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，既抽象又枯燥，若能結(jié)合實(shí)際案例，學(xué)生就會(huì)在潛移默化中逐漸領(lǐng)略機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的精髓。一般教材在后面的章節(jié)中都會(huì)給出很多的案例，建議這些案例不要都放在最后講，找出一個(gè)或幾個(gè)典型案例，在講授每一部分內(nèi)容時(shí)都結(jié)合該案例，并將系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法融于其中，既利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，又能起到舉一反三的作用，便于學(xué)生分析和設(shè)計(jì)其他的機(jī)電一體化產(chǎn)品。
2.以理論聯(lián)系實(shí)際為導(dǎo)向。高等學(xué)校培養(yǎng)的是具有創(chuàng)新能力的高級(jí)應(yīng)用型人才，即具有較高的綜合素質(zhì)，寬厚扎實(shí)的專業(yè)理論，并能將理論應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題，且有創(chuàng)新實(shí)踐能力的高級(jí)專門人才。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合性較高，知識(shí)點(diǎn)量多面廣，并且內(nèi)容抽象，學(xué)生很難在有限的課時(shí)內(nèi)完全掌握；而對(duì)于從事該門課程教學(xué)的教師來(lái)講，不能只注重理論知識(shí)的講解，要以理論聯(lián)系實(shí)際為導(dǎo)向。為此，課前要做大量的準(zhǔn)備，廣泛積累素材以豐富課堂教學(xué)效果，將抽象的道理通俗化、形象化，加深學(xué)生的印象。如有時(shí)教材上只介紹某些元部件的工作原理，學(xué)生即使明白其工作原理了，但對(duì)其長(zhǎng)什么樣卻知之甚少，更談不上怎么用了?？梢岳镁W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)下載很多產(chǎn)品樣本，產(chǎn)品樣本主要是推銷產(chǎn)品用，一般會(huì)詳細(xì)介紹產(chǎn)品的外形和應(yīng)用，將教材和樣本二者結(jié)合在一起講述，無(wú)形中就將理論和實(shí)際聯(lián)系在一起了。此外，還可以在授課過(guò)程中加強(qiáng)演示驗(yàn)證內(nèi)容，俗話說(shuō)百聞不如一見(jiàn)，有的知識(shí)應(yīng)用性較強(qiáng)，理論比較抽象，很難通過(guò)講的方式讓學(xué)生掌握，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者觀看視頻等，立刻就撥開(kāi)云霧見(jiàn)晴天了。如在講光電編碼器時(shí)提到，光電編碼器的輸出信號(hào)可以經(jīng)過(guò)2倍頻或4倍頻以提高檢測(cè)分辨率，用語(yǔ)言描述時(shí)學(xué)生不容易理解，把光電編碼器信號(hào)引出來(lái)，用示波器一看，一目了然。當(dāng)然也可以通過(guò)《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生利用所學(xué)親自參與機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)查閱資料、技術(shù)調(diào)研、設(shè)計(jì)加工、組裝調(diào)試等可進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。
三、教學(xué)方式改革
明確了教學(xué)內(nèi)容，還要通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞綄⒅R(shí)傳授給學(xué)生。首先要培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生對(duì)某一學(xué)科有興趣，才會(huì)不知疲倦，才會(huì)有靈感，才會(huì)樂(lè)在其中，既能提高學(xué)習(xí)效果，又能成為創(chuàng)新的動(dòng)力和源泉。如在講述第一章緒論時(shí)，在引出機(jī)電一體化的概念和內(nèi)涵后，不是把重點(diǎn)放在對(duì)概念的進(jìn)一步解釋上，而是以圖片或錄像的方式列舉了大量機(jī)電一體化產(chǎn)品實(shí)例。這些實(shí)例中大部分來(lái)自生活或生產(chǎn)實(shí)踐，學(xué)生在觀看這些實(shí)例的過(guò)程中，對(duì)這些產(chǎn)品的神奇功能產(chǎn)生了濃厚的興趣，自然就會(huì)產(chǎn)生探個(gè)究竟甚至親自進(jìn)行設(shè)計(jì)的愿望。其次，要重視學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，如果說(shuō)興趣是前進(jìn)的動(dòng)力，那么基礎(chǔ)知識(shí)就是成功的基石，學(xué)生要想真正掌握這門技術(shù)，必須擁有牢固的基礎(chǔ)知識(shí)。在講數(shù)控部分內(nèi)容時(shí)，很多同學(xué)說(shuō)參加過(guò)數(shù)控編程的實(shí)習(xí)活動(dòng)，會(huì)用G代碼編程，當(dāng)問(wèn)到編程的幾個(gè)坐標(biāo)系時(shí)，卻沒(méi)有幾個(gè)人真正明白，但數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系是編程的基礎(chǔ)，是數(shù)控加工的參照，如果連參照都不知道在哪兒，怎么能真正掌握數(shù)控技術(shù)呢？最后，對(duì)授課內(nèi)容要“避輕就重”，機(jī)電一體化作為綜合學(xué)科，包含的內(nèi)容較多，不同專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)不同，講課的重點(diǎn)也不應(yīng)一樣，在講述時(shí)要結(jié)合專業(yè)“避輕就重”。“避輕”就是對(duì)學(xué)生有一定基礎(chǔ)的內(nèi)容少講，“就重”就是對(duì)學(xué)生難以理解、接觸較少的內(nèi)容重點(diǎn)講。機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生機(jī)械基礎(chǔ)較好，對(duì)機(jī)構(gòu)的力傳遞、運(yùn)動(dòng)傳遞容易掌握，對(duì)執(zhí)行元件的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較弱，但這部分內(nèi)容在機(jī)電一體化系統(tǒng)中有重要的地位，因此要重點(diǎn)講述。
機(jī)電一體化是一門不斷發(fā)展、高技術(shù)密集的新型交叉學(xué)科，所涉及的知識(shí)量多面廣，本文針對(duì)課程存在的問(wèn)題，基于作者的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)歷，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式提出了改革措施，在教學(xué)內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)以系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為主線，以理論聯(lián)系實(shí)際為導(dǎo)向，在教學(xué)方式中重視培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)授課的內(nèi)容不是一刀切，而是避輕就重。通過(guò)這些改革措施，取得了較為滿意的教學(xué)質(zhì)量和效果。
