機電一體化系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)內(nèi)容與方式革新
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本文作者：郝娟、肖定國、賈玉平 單位：北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院
“機電一體化”是微電子技術(shù)向機械工業(yè)滲透過程中逐漸形成的，涉及機械學(xué)、電子學(xué)和信息科學(xué)的新興交叉學(xué)科[1]。作為機械類專業(yè)的一門重要課程，《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和機電產(chǎn)品設(shè)計能力具有重要作用[2]。由于綜合了多門學(xué)科，該課程所涉及的知識點量多面廣，而且有些內(nèi)容學(xué)生在相關(guān)的課程中接觸過，如果在教學(xué)過程中不加注意，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。本文針對課程學(xué)習(xí)中存在的問題，結(jié)合作者多年的教學(xué)經(jīng)驗，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式兩個方面提出了改革措施。
一、課程存在問題
《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》的教學(xué)內(nèi)容各部分內(nèi)容差別很大，連續(xù)性差，教師在講授過程中，必須將各個章節(jié)的內(nèi)容有機聯(lián)系起來；此外，各部分內(nèi)容又相對獨立，若講授時一視同仁，不分主次，往往給學(xué)生造成是在重溫舊知識的感覺，甚至搞不懂學(xué)習(xí)這門課程的真正目的是什么[3]。《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》的主要任務(wù)是使學(xué)生樹立正確的系統(tǒng)設(shè)計思想，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際、調(diào)查研究、刻意創(chuàng)新的能力，使學(xué)生掌握機電有機結(jié)合的理論、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的基本規(guī)律及基本方法，具備機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計能力。僅靠傳統(tǒng)的課堂授課是無法實現(xiàn)這個任務(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)計思想為主線。機電一體化的目的是提高產(chǎn)品或系統(tǒng)的附加價值，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、自動化需求。因此，機電一體化的研究方法不能只是簡單拼湊，應(yīng)該從系統(tǒng)設(shè)計方案開始到各元部件選擇到系統(tǒng)最終成形的全過程都要貫徹系統(tǒng)設(shè)計的思想。首先是從整體角度及可行性方面對系統(tǒng)進行多種整體方案設(shè)計；然后對其機械機構(gòu)、執(zhí)行元件、微機控制系統(tǒng)、檢測傳感裝置等組成部分及相關(guān)接口進行細(xì)節(jié)設(shè)計；最后對系統(tǒng)性價比進行衡量，得出優(yōu)化設(shè)計方案，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。以上三個環(huán)節(jié)相互影響，一般在緒論里講第一個環(huán)節(jié)，在此環(huán)節(jié)讓學(xué)生了解一個典型的機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品整體上的五大功能構(gòu)成和五大功能要素，在進行系統(tǒng)整體方案設(shè)計時可能有多種選擇，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行綜合評價，優(yōu)化出最佳的方案。以設(shè)計精密數(shù)控機床為例，從總體上對其五大功能和功能要素進行分解，分解的結(jié)果可以用功能矩陣來表示[4]，最終設(shè)計方案的選擇取決于能否提高產(chǎn)品或系統(tǒng)的附加價值。第二個環(huán)節(jié)分別講述構(gòu)成機電一體化的功能要素，盡管每一功能要素在內(nèi)容上相對獨立，但它們作為機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品組成部分，通過廣義接口聯(lián)系在一起，彼此相互影響，學(xué)生只有認(rèn)識了這一點，才能從總體上把握機電一體化的系統(tǒng)設(shè)計思想。還以設(shè)計精密數(shù)控機床為例，為了達(dá)到高精度，可以選用精密機械，但這勢必造成系統(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。另一個可行的方法是采用軟件補償來提高精度，但這會對微機控制系統(tǒng)和傳感檢測系統(tǒng)提出新的要求。第三個環(huán)節(jié)是對系統(tǒng)性能的綜合評價，評價的結(jié)果不符合要求時還有可能需要對整體方案或各個功能要素重新選擇，直至滿足要求為止。在課程講述過程中，僅僅介紹系統(tǒng)設(shè)計思想，既抽象又枯燥，若能結(jié)合實際案例，學(xué)生就會在潛移默化中逐漸領(lǐng)略機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法的精髓。一般教材在后面的章節(jié)中都會給出很多的案例，建議這些案例不要都放在最后講，找出一個或幾個典型案例，在講授每一部分內(nèi)容時都結(jié)合該案例，并將系統(tǒng)設(shè)計方法融于其中，既利于學(xué)生對知識的掌握，又能起到舉一反三的作用，便于學(xué)生分析和設(shè)計其他的機電一體化產(chǎn)品。
2.以理論聯(lián)系實際為導(dǎo)向。高等學(xué)校培養(yǎng)的是具有創(chuàng)新能力的高級應(yīng)用型人才，即具有較高的綜合素質(zhì)，寬厚扎實的專業(yè)理論，并能將理論應(yīng)用于解決實際問題，且有創(chuàng)新實踐能力的高級專門人才。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計綜合性較高，知識點量多面廣，并且內(nèi)容抽象，學(xué)生很難在有限的課時內(nèi)完全掌握；而對于從事該門課程教學(xué)的教師來講，不能只注重理論知識的講解，要以理論聯(lián)系實際為導(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，但對其長什么樣卻知之甚少，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，無形中就將理論和實際聯(lián)系在一起了。此外，還可以在授課過程中加強演示驗證內(nèi)容，俗話說百聞不如一見，有的知識應(yīng)用性較強，理論比較抽象，很難通過講的方式讓學(xué)生掌握，但通過實驗或者觀看視頻等，立刻就撥開云霧見晴天了。如在講光電編碼器時提到，光電編碼器的輸出信號可以經(jīng)過2倍頻或4倍頻以提高檢測分辨率，用語言描述時學(xué)生不容易理解，把光電編碼器信號引出來，用示波器一看，一目了然。當(dāng)然也可以通過《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程設(shè)計，讓學(xué)生利用所學(xué)親自參與機電一體化產(chǎn)品設(shè)計，在設(shè)計過程中通過查閱資料、技術(shù)調(diào)研、設(shè)計加工、組裝調(diào)試等可進一步加強學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。
三、教學(xué)方式改革
明確了教學(xué)內(nèi)容，還要通過適當(dāng)?shù)姆绞綄⒅R傳授給學(xué)生。首先要培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生對某一學(xué)科有興趣，才會不知疲倦，才會有靈感，才會樂在其中，既能提高學(xué)習(xí)效果，又能成為創(chuàng)新的動力和源泉。如在講述第一章緒論時，在引出機電一體化的概念和內(nèi)涵后，不是把重點放在對概念的進一步解釋上，而是以圖片或錄像的方式列舉了大量機電一體化產(chǎn)品實例。這些實例中大部分來自生活或生產(chǎn)實踐，學(xué)生在觀看這些實例的過程中，對這些產(chǎn)品的神奇功能產(chǎn)生了濃厚的興趣，自然就會產(chǎn)生探個究竟甚至親自進行設(shè)計的愿望。其次，要重視學(xué)生的基礎(chǔ)知識，如果說興趣是前進的動力，那么基礎(chǔ)知識就是成功的基石，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。在講數(shù)控部分內(nèi)容時，很多同學(xué)說參加過數(shù)控編程的實習(xí)活動，會用G代碼編程，當(dāng)問到編程的幾個坐標(biāo)系時，卻沒有幾個人真正明白，但數(shù)控機床的坐標(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，對授課內(nèi)容要“避輕就重”，機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，講課的重點也不應(yīng)一樣，在講述時要結(jié)合專業(yè)“避輕就重”?！氨茌p”就是對學(xué)生有一定基礎(chǔ)的內(nèi)容少講，“就重”就是對學(xué)生難以理解、接觸較少的內(nèi)容重點講。機械類專業(yè)的學(xué)生機械基礎(chǔ)較好，對機構(gòu)的力傳遞、運動傳遞容易掌握，對執(zhí)行元件的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較弱，但這部分內(nèi)容在機電一體化系統(tǒng)中有重要的地位，因此要重點講述。
機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，所涉及的知識量多面廣，本文針對課程存在的問題，基于作者的教學(xué)實踐經(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)容上強調(diào)以系統(tǒng)設(shè)計方法為主線，以理論聯(lián)系實際為導(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，對授課的內(nèi)容不是一刀切，而是避輕就重。通過這些改革措施，取得了較為滿意的教學(xué)質(zhì)量和效果。
