机械电子专业课程设计的教学改革

　　0.引言

　　专业课程设计是重要的实践性教学环节，强调工程观点、设计能力、定量计算和综合分析的训练，是多学科基础理论联系工程实际的桥梁，相对于课堂理论教学，它具有直观性、实践性、综合性、探索性和启发性的特点M。北航自动化学院的机电专业课程设计主要面向机电控制方向的大四本科生，以航空航天工程为背景,通过完成一个复杂机电系统的设计任务帮助学生巩固、扩展和融会专业课程内容,更重要的是培养学生综合运用机、电、液、控制、信息等多学科知识解决实际问题的综合实践能力，使学生熟悉工程实际中的设计规范与要求,树立正确的工程观。本课程对培养学生的基本素质和创新实践精神具有基础性的作用，是提高实践教学水平与人才培养质量的关键。

　　在指导机电方向的本科毕业设计过程中，我们发现大多数学生的专业基础知识和技术技能都基本满足要求,但普遍存在工程素养和实践创新能力较弱的情况。针对问题反思机电专业教学，我们认为可以从专业课程设计入手,通过全面改革这一实践环节的授课思路、内容和方式,搭建起从理论专业知识到工程实际系统的桥梁，引导学生‘‘学以致用”为最后一个学期的毕业设计做好铺垫,并真正使学生的工程素养和创新能力得到锻炼和提升。

　　1.现状分析

　　课程设计的核心内容是综合运用专业基础知识对典型机电系统进行设计，培养学生的工程设计能力。一般而言,题目中所要设计的系统功能是按运动要求输出直线、旋转以及各种复合机械运动,如飞行器的舵面操纵系统、行走机械的底盘驱动系统、多自由度转台、机器人等，系统的结构一般包括台架、执行机构、传动机构、传感器、测控系统、控制柜等;专业知识涉及机械结构、机械传动、液压传动、电机电气传动、参数测量和自动控制等。

　　目前,本课程在教学内容、组织形式和考核评价方面存在如下问题。

　　(1) 部分课程设计任务难度较大。课设题目多是围绕具体的工程应用对象实现特定功能，虽然涵盖面广对象明确，以本科生掌握的知识和技能来看,无法满足设计目标。当基础知识不够扎实的时候，学生会感觉无从入手,而失去信心。

　　(2) 设计题目很少更新。使得一些新理论新方法得不到很好的吸收和利用，对于那些求知欲强、有丰富科技实践经验的学生缺乏吸引力。

　　(3) 缺乏工程观点和工程设计规范的指导。学生更多地关注功能实现,而对性能指标要求、成本控制、设计报告的规范性不太重视,造成理论与工程实际脱节。

　　(4) 教学组织形式单一，考核方法不尽合理。课程设计一般要求学生完成的任务有资料收集、系统需求分析、方案设计、机械电气图绘制和撰写设计报告这几个主要环节。教师主要做好辅导答疑工作，除了第一课集中讲解设计题目外，其他时间都由学生自己安排,工作进度难以控制,也缺乏激励机制。课程结束后以提交设计报告的形式作为考核与评价标准，对过程关注不够,导致学生的主动性不高,教学效果也就大打折扣。

　　围绕上述问题,进行了本课程的教学内容与教学方式的改革探索,并在两个个轮次的授课实践中进行了初步实施,总结经验加以改进。

　　2.机电专业课程设计的教学内容改革与探索

　　2.1更新拓宽选题,突出航空航天特色

　　通常课程设计的题目很少进行更新，特别是对一些新出现的技术和思想，涉及的更少。为了激发学生的求知欲和创新意识,有必要丰富和更新课程设计的内容,突出每个题目特定的工程应用背景，强调从工程的角度分析和解决问题，并注意将先进的理念和知识引入课程设计,从而给学生探索与创新的空间。在规划设计任务时，主要从以下方面着手。

　　2.1.1由典型机电系统凝练课程设计任务

　　以航空航天工程为背景，从工程实际与科研项目中选取有代表性的机电设计与控制问题，经过合理简化,形成难度适中、点面结合的课程设计任务。在知识层面上应覆盖机械、电气、液压、气动与计算机测控等关键知识要素，设计层面上每个题目可以有所偏重。具体的题目和设计重点如表1所示。例如，用于模拟飞机舵面受力情况的负载模拟器实验平台是一个典型的电液位置-力系统，涉及到液压、检测、控制、机械设计等多个学科的知识。北航自动化学院机电系先后研制了多种型号的负载模拟器,并投入使用，可以高精度动态模拟气动力负载、惯性负载、弹性负载和摩擦负载等,具有大力矩、高频响、高精度等特点。因此,我们选取了负载模拟器作为一个典型对象,设置了课程设计题目“液压位置随动力矩加载系统”并对技术要求做了合理简化,将重点放在液压加载回路设计与试验台的机械设计上,覆盖机械、液压和检测元件相关的重要知识点与系统设计方法，设计任务包括实验台总体方案设计、台架机械结构设计,测控系统设计、主要元器件选型和油路布置等。

　　2.1.2吸纳先进知识与技术,鼓励探索与创新

　　将新知识、新概念和新方法引入课程设计,兼顾先进性与科学性，激发学生的探索与创新能力。例如，‘‘液压位置随动力矩加载系统”的多余力消除问题一直是负载模拟器的一个研究热点，出现了大量文献和实验系统,在我们的科研任务中也获得了突破性进展。因此我们将该问题作为一个附加设计任务，引导学生查阅资料,从先进控制理论的角度加以思考和讨论,让学有余力的同学尝试在仿真环境下建立系统模型和设计控制器,对出现的一些新方法和新理论加以试验验证。

　　2.2分解细化设计过程,强调工程设计规范

　　培养学生的工程素养,就是使他们能独立思考各种工程问题,抓住复杂多变的实际问题的主要矛盾，具备工程简化能力，建立合理、经济、简便地解决实际工程问题的能力，在实践中自我学习自我完善,成为合格的高级工程技术人员M。课程设计的过程可划分为任务讲解、调研、方案选择、总体设计和详细设计几个图1机电专业课程设计的工作流程由于学生很少接触实际的工程项目，缺少系统工程的概念,教师在讲解题目和任务时,应当强调工程观点,对每一个题目的应用背景、对象和工程实际的需求都有一个详细的介绍，并指出题目从何种角度做了简化以及简化的合理性,并将工程技术指标明确的纳入课程设计任务书，帮助学生初步建立理论专业知识和工程实际的联系，学习用以工程观点看待设计任务。

　　为了便于指导和操作，我们把设计过程进一步的细分,分解为文献调研、初步方案选择和论证、系统总体设计和详细设计。详细设计又包括结构设计、理论计算（包括参数计算、功率计算、温升计算、强度和刚度计算）、元件选型、算法设计及电气、机械图纸绘制等多个环节。指导教师结合题目对每个环节的具体设计任务进行讲解,并将工作目标和具体的要求写入课程设计任务书。此外，指导教师应鼓励学生利用图书馆、网络等方式查找相关资料，培养学生运用新工具、新学习手段解决实际问题的能力，并注意引导学生在各环节遵循工程设计规范,养成良好的基本工程素养。

　　3.机电专业课程设计的教学模式改革与探索

　　高质量的教学内容需要高质量的教学方法来传授。19世纪初,德国的洪堡提出“教学与科研相统的观点之后,许多大学纷纷把科研引入教学,形成研究型教学模式8。研究型教学模式是将学生置于教学过程的中心,注重学生参与学习的过程和亲身体验与实践,充分发挥教师的主导地位和学生的主体地位,具体的教学方法包括研讨式、启发式、参与式以及任务式(TaskBasedApproach,TBA)教学等，已被许多专家和学者应用于教学改革的理论研究和探索性实践中，大大地提高了中国部分高等院校的本科和研究生的教学质量。就北航“机电专业课程设计”这门课程来讲,笔者认为，作为一个实践教学环节,应该采用研讨式和TBA相结合的研究型教学方法体系。其目标是形成以学生主动学习和团队合作为基础，综合性、合作性、开放性的多层次教学模式,并探索过程与结果并重的综合成绩评定方法。

　　3.1基于TBA和研讨式教学的多层次教学模式探索

　　任务教学法TBA的核心理念是让学生围绕分配的任务来学习，强调学生对所学知识、技能的实际应用，与本课程的出发点相一致，但在组织和操作过程中，教师应该注意引领学生，并对过程进行有效的控制&2。因此,我们在授课安排上，采用了集中授课、分组协作、汇报与研讨等多个环节相配合的方式。在首次集中授课时帮助学生制定正确的学习方法与计划,让学生根据感兴趣的题目自由组合，接下来每个小组通过分工协作完成设计任务,在任务的各个阶段组织项目小组讨论,进展汇报，互动答疑。整个过程可分为以下5个阶段,具体如表2所示。整个课程设计的主要形式是以任务为导向的小组分工协作,老师通过3次集中授课和小组答疑指导实现对课设过程的有效控制，并引领与激励学生认真主动的完成设计任务。在实施的过程中，需要注意以下几个方面。

　　(1)每个设计小组为4~6人，学生自己推选组长。设计内容中的查阅文献、方案选择和系统总体设计,要求所有成员共同完成,而局部计算和结构设计等分工进行。

　　(2)设计小组要在每人分别调研的基础上经讨论得出统一的方案,并经指导教师同意后将方案确定下来,然后明确分工,各展所长,协作互补,在这个过程中良好的沟通与协作将成为项目顺利进行的基础。

　　(3) 第一次集中授课尤为关键,将介绍课程概括,包括机电系统基础、教学目标与内容、时间安排、要求、考核方式等,并进行题目讲解和分组选题。这堂课的—个主要内容就是将以前或正在学习的专业知识与实际的机电系统建立联系，告诉学生系统设计过程中用到了哪些知识和工具？如何运用？如何查找资料？以及可能会遇到的问题。再者，要强调以工程的观念来规划整个设计过程,将实际系统的规范和要求介绍给大家。最后,对每个题目的介绍尽可能详尽，从背景、构成、设计要求、难点和最终提交的报告都要交待清楚,使大家明确的知道要做什么？怎么做？

　　(4) 中期进展汇报与最后的集中答辩，是以学生展示为主的交互式研讨教学方式，同时也是考核的一项内容。通过对任务完成情况的汇报,促进学生有效的控制工作进度,并对口头表达与PPT展示做初步的训练。老师在点评和提问时,应注意肯定成果,并对存在的问题做出正确的引导，鼓励学生进行互动讨论。通过这个环节,每个小组除了完成自己的工作外,还可以了解其他项目的内容和设计方法，进一步开拓了眼界,活泼的教学形式也让学生体会到学习的乐趣。

　　3.2评价考核体系的优化

　　以往的实践教学环节多侧重于知识的终结性评价,即重视学生在实践中获得的最终结果,而忽视了对学生在实践过程中所展现的创新意识、人文素养、实践技能、发展潜能和个性特长等项的评估，由此限制了学生的创造思维和可持续发展。因此，有必要构建实践过程和结果并重的多元的综合考核与评价体系，提高考核的可信度,检验学生学习和掌握基本技能、科学研究方法和理论联系实际的能力，同时激发学生潜在的创新意识和参加科技实践活动的积极性。

　　结合本课程的教学模式，最终的考核与评价由阶段评定和完成情况评定两部分组成，要求提交规范的设计报告和工作文档。考核方式采用答辩（50%)+设计报告(50%),给出综合成绩。

　　成绩评定中的指标项包括小组分工中的角色与工作量,沟通与协作能力,表现力（答辩陈述加分）,项目完成情况,报告与文档的规范性等。具体的考核内容见表3。

　　教学实践表明，这种基于任务和研讨教学的多层次研究型教学方式和关注过程的综合成绩评定方法激发了学生潜在的创新意识和自主学习的兴趣，形成互助互学、彼此交流、互通情感的良好学习氛围，有利于培养学生的合作精神和人际交往能力，为今后从事科研和工程设计奠定良好的基础。

　　4.结语

　　在国家“强化基础、突出实践、重在素质、面向创新”的本科人才培养方针的指导下，充分利用学校的工程技术优势,坚持教学和科研相融合的原则，对教学内容和教学模式进行改革探索。更新、丰富了课程设计题目，突出航空航天特色，树立工程观点，进一步细化和规范化课程设计过程。借鉴任务教学和互动研讨式教学理论,建立了集中授课、分组协作、汇报与研讨相结合的多层次研究型教学模式,并制定了过程与结果并重的综合评价体系。经过两轮次的教学实践,新的教学内容和模式得到了初步的验证,从学生的反馈意见和任务完成情况来看，本次的教学改革探索在巩固基础专业知识和培养、提升创新实践能力与工程素养方面取得了显著效果。