本站原创摘 要针对机械大类开设的检测与控制系列课程现状,提出面向机电一体化方向整合优化课程体系和教学内容的教改目标,改变传统教学中电、机分离的教学方式,有效引导学生形成良好的机电合一的认识,提高教学质量.
关 键 词机电一体化；检测与控制；课程整合
中图分类号：G642.4文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2013）21-0074-03
传统学科体系的界限随现代科技发展变得模糊,呈现相互渗透和交叉的态势.在机械工程领域,现代机械结构、检测与控制技术往往互为条件并紧密结合.这种密切的关系促使工业生产由机械工程领域迈入以机电一体化为特征的发展新阶段,从而需求大量具备机电一体化基础理论,强调机械动手能力与机电控制能力相结合的新型机械专业人才.为适应这种需求,机械大类下机电一体化方向的教学探讨逐渐被重视,检测与控制类课程在机械专业的教学培养中的地位逐步提高.但传统思想的影响使传统课程和检测与控制系列课程自成体系,内容脱节,造成学生即使熟识机械结构也无法清楚其控制运作流程.要改变知识结构上“机强电弱”的严峻局面,解决知识更新与课时减少的矛盾,迫切要求进行课程内容整合,开展教学改革和实践分析.
基于传统机械专业教学模式,如何把握好机电一体化的内涵,教学中避免机械、检测和控制等技术的简单组合、拼凑,如何通过课程整合和优化课程内容,探讨教学中机电的合理结合,成为教学改革中的核心问题.本文从分析现阶段的具体问题,突出机电一体化的需求着手,面向机械大类进行“检测与控制”系列课程的整合和优化教学改革研究.文中主要分析如何优化课程的配置和联系,有效使用先进的教学方法和手段,充分利用资源,将机械工程的特点和检测与控制的课程整合为一个现代机械工程测控系统的教学体系,使学生在有限的学时内能够掌握机电一体化的基本理论及先进技术,系统、有效地将机、电结合,从而有效提高教学质量和教学效率.
1优化课程结构,丰富教学内容,推进课程整合
通过企业走访、毕业生座谈等方式,明确了社会对机电一体化方向人才的需求：需具备传统机械专业扎实的机械结构设计、力学分析、切削原理等基础理论,又要有较好的电力电子、电机传动、测控技术等知识.检测与控制系列课程作为机电一体化方向的主要电类课程,内容广且复杂,单纯地将检测与控制系列课程捆绑在传统机械专业上,是不可能达到较理想的教学效果的.因此,根据社会调研的结论,在“机为基础,电为机用,机电合一”思想的指导下,对检测与控制类课程内容进行整合优化.
在课程教学中改变以前惯势,淡化课程中一些纯理论的内容,如传感器的结构形式和工作原理的繁复推导与演算过程,把重点放在常见传感器的应用上.同时适当增加一些跨学科内容,如：如何对传感器输出信号进行处理；结合数控技术和机械加工工艺需求,以一些实际机电设备为例,分析机电测量与控制系统的构建；在检测与控制中,常用的分析信号的方法和仪器以及计算机辅助虚拟软件；等等.通过诸如此类结合机械工业中实际应用的课内整合,合理安排教学内容,增强各部分之间的衔接,使课程内容综合化、一体化,使学生更快地形成熟练的机电一体化综合专业技能.
现阶段各种相关教材各有特点,但都把测试和控制分成两个独立的知识环节,导致学生不能理解测量系统与被控对象、自控系统之间的内在联系,无法正确分析自控系统中测量信号的获取,更无法正确进行测量仪器的选择、配置和使用.此外,教材内容以理论分析为主,抽象枯燥,很难调动学生的学习热情,达不到期望的教学效果.
基于这种情况,通过充分理解教材中基本内容及之间的联系,教学中调整知识结构,大胆合理地对教材内容进行专题式整合,着眼应用,引入机械加工、数控技术等实例来分析,将学习内容按系统性、层次性的特点重新“建构”,使学生对知识有整体的把握.如在课程讲授中,打破教材的局限,把常用的机械量的检测与控制进行整合,形成温度检测控制系统、位移（速度、加速度）检测控制系统等多个专题,结合工业实例,分析信号特征、传感器选用、信号处理、自控系统结构及其动态性能分析等,将教学内容整合为全面系统的机械工业自动测控技术体系.
通过课程整合,体现了机电合一的目标.但要切实取得相应的教学效果,教学设计和教学处理尤为重要.课堂教授语言精炼,突出重点,精粗得当才能化难为易.如检测技术中信号的采集处理都基于传感器,而传感器的工作原理多种多样,后续信号处理也各不相同,讲授中突出常用机械量检测中应用到的传感器及其信号处理系统的分析,淡化检测的繁难理论而重应用,这样适合机电一体化方向的要求.而对包含大量数学推导和电学、力学基础理论的控制部分知识,讲授中辅以动画、录像等手段,以讲清基本原理和分析问题的思路为主线,从专业需求入手,以应用为主,尽可能避开繁复的数学推导,不给学生造成心理压力.
2以探究性教学模式,引导学生自主学习,加强实践教学
课堂教学以引导学生自主思考、动手实践为目的.教学中以设问—讲授—归纳—解决问题的方式展开,通过课内和课外给学生提供更多的自主学习和实践探究的机会,强化学生知识的迁移能力,使学生具备与未来职业相适应的分析和解决问题的能力.根据学生电类知识相对比较单薄的特点,明确在实践环节上需下大力气.如何利用现有的资源给学生提供更多的实践平台,来实现延伸课堂教学,扩展学习空间,巩固和加深对理论的理解,是教学改革中需要重点解决的问题.
经过这两年的教学改革实践,以验证为主的实践教学模式被打破,为加深学生对基础理论的理解而设置的验证性实验仍保留,但加大综合性实验和设计性实验的比例.其中以典型检测控制系统为实验对象的综合性实验,通过分析系统的结构、选择传感器、分析检测系统的动态参数和控制系统动态性能,从而提高学生运用知识进行分析和综合的能力.增设少量综合性较强的设计性实验,可以综合运用到所学电子技术、传感器与自动检测技术、自动控制技术、计算机等知识来分析、解决实际问题,从而帮助学生全面提高机电一体化的能力.全面开放实验室给学生提供自己动手、自己思考、自主探究的舞台.学院的创新实验室中齐备的电子元件以及单片机开发板、PCB制版设备等可以让学生在教师指导下将自主设计的思想性产物,通过动手制作变成出色的成品.这个实验室现今保存了近几年来许多学生的实践成果,而这些学生出色的动手实践能力和扎实的机电基础,成为他们就业的竞争资本.此外,利用学校大力支持学生科研的优势,鼓励和指导学生设计制作参与国家、省级创新大赛和挑战杯等.这几年学生取得的成绩,说明部分学生的学习主动性被充分调动,实现了真正意义上的理实统一.
3课程教学资源包的建设
检测与控制类课程与数学联系紧密,内容多,枯燥且难消化.在教学改革中,努力寻求信息技术与课程教学实践中的整合点,建设完善了信息丰富的教学资源包,藉此作为学生促进知识学习和能力提高的辅助工具.教学改革中的专题式整合教学,课堂教授中将会对教材内容进行调整和组合,并涉及很多来源于教材以外的内容,没有就此整理编写出相应教材之前,建设相应的课程教学资源包对学生来说无疑是加深巩固课堂内容的一个有意补充.
课程教学资源包的建设主要包含理论教学资源包、实验教学资源包、仿真实验平台以及习题库、试题库、项目课题库等.理论课的教学中,多样的媒体软件将繁复抽象的内容通过动画形式直观地展示给学生,如检测类课程中传感器的纯理论不容易理解,通过Flash的小动画来动态显示应变片在力作用下的变形情况、加速度传感器的运动与惯性的应用等；实行全过程的动态课件多媒体教学.一些必讲的公式推导,采用讲解结合PPT逐次推进演示,动态教学引起更强的关注；通过动画、录像等各种资源精心设计探究性教学 结构,进行探究性教学,并将行业发展的最新成果及最新动态融于课程教学中,提高学生的学习兴趣,引导学生自主学习.在控制部分知识的教授中,利用基于MATLAB语言建立起来的控制理论仿真实验和教学平台,把控制系统的分析讨论以仿真图变化来验证,让学生接触到仿真软件的使用,并且对理论教学有很好的促进作用.
在实验课教学中,辅以实验教学和学生创新性实验录像等作为教学活资源.开放实验室、开放实验项目,由学生通过网络资源自行设计实验,培养创新能力,培养学生研究性学习的兴趣和能力.已经完成了基于MATLAB的控制理论仿真实验平台的构建,并在理论和实验的辅助教学中收到较好的教学效果,让学生感受了工程设计仿真软件功能的强大.通过这个仿真实验平台,学生可以去分析实践自己的想法,感受实际系统和虚拟系统的统一,从而提高学习的兴趣和主动性.
通过分析整合后的知识体系,以覆盖课程主要内容,涉及基本概念、系统计算、综合分析问题等诸方面,建立相应的习题库,方便学生复习.考试上,对基本理论的考核采取闭卷的方式.但针对课程的应用性要求,总评成绩中加强实践操作的记分权重,鼓励学生结合机械原理及其设计的相关知识,从结合学生实际知识结构建立的项目课题库中挑选题目自己动手设计制作,以期正确引导学生全面掌握知识,会学会用,增强对今后工作的适应能力.
4结语
过去两年的面向机电一体化方向的教学中,积极推进课程结构和知识结构的整合,加强机电有机融合,形成机电一体化方向合理的检测控制类课程的教学结构.推行了多媒体教学和课堂互动式教学；针对机电一体化的要求对教学内容进行了提炼,不断完善和扩充教学资源包；引入工程软件,通过实际应用和仿真分析,强化教学效果；结合工程实例和设计实例,设置综合性和设计性实验环节,开展探究性的教与学.课程的整合和优化改革,对引导学生自主学习有积极作用,是机械专业下的机电一体化方向机电合一教学的发展趋势.