时间：2023-06-12 16:09:21
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关键词 机电一体化系统设计 工程应用 创新能力 实践能力
中图分类号：G420 文献标识码：A
Curriculum Reform of "Mechatronics System Design" in Universities
ZENG Yudan, DU Liuqing, ZHANG Mingde, YANG Xiangyu, WANG Yali
(Chongqing Automobile Institute, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054)
Abstract "Mechatronics System Design" as a core curriculum in group of mechanical engineering curriculum, has strong comprehensive and practical features. In this paper, our undergraduate institutions in the curriculum development and teaching reform emerged as the major issue, the demand for the industry, for engineering applications, emphasizing awareness and sense of innovation and engineering training, a typical mechatronic systems - NC special main design feature for teaching, student-centered, self-study students for the purpose of awareness and self-learning ability, the students involved in the actual design process was focused on teaching content, teaching reform, to build and improve enhance undergraduate project quality, to develop students' practical ability and creative ability of the curriculum and teaching model are discussed.
Key words Mechatronics System Design; engineering applications; innovation ability; practical ability
0 引言
机电一体化系统设计涉及机械、电子、计算机、自动控制及信息处理技术、系统工程、检测传感技术、伺服传动技术等多学科领域，是机械工程专业学科课程群中的核心课程。本课程技术含量高，内容更新快，要求学生能综合运用机械、电子、控制与信息处理等多学科的知识，完成对系统的分析、设计、优化等一系列过程，具有很强的综合性和工程实践性，相比其它专业课程而言，课程建设和教学改革面临更多问题，具有更大难度。
目前课程建设中存在的主要问题有：①教学内容过分侧重于工程科学理论知识的灌输，缺少工程分析设计的实践过程，远远不能满足工程应用要求；②教学模式基本还是传统的以教师传授知识为主，学生被动学习的模式，“以教师为中心，以课堂为中心，以书本为中心” 的单向灌输式教学模式方法仍然占据主导地位，学生动手解决实际工程问题的机会很少。以上问题使得学生理论知识与工程实践相脱离，实践能力和创新能力薄弱，不能适应现代化经济建设和工程技术发展的要求。
1 课程教学改革研究
我校自1999年开设机电一体化专业方向以来，一直对《机电一体化系统设计》课程建设和教学改革进行了不断的探索，现将教学内容和教学模式改革的过程小结如下：
1.1 教学内容改革
高档数控机床和基础制造装备是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》16个重大专项之一，也是国家振兴计划的重要组成部分，因此在教学内容设置上，紧跟这一重大决策，响应国家战略需求，将典型的机电一体化系统――数控专机系统设计专题作为主要内容，在前续课程所讲授的理论知识和工程应用实例基础上，教师指导学生结合工程实例，对机电一体化系统，特别是数控专机系统的设计过程进行较系统完整的学习，并循序渐进地进入实际设计过程，并最终完成数控专机的方案设计和优化、各元部件选型、软件流程图、电气原理图等所有理论设计和功能模块细部设计过程。教学所用的工程设计案例大部分来自学校教师所承担的实际科研项目，如数控电焊专机设计、锥齿轮传动质量智能检测分析系统设计、数控弯管机控制系统设计等，避免了空泛地照搬教材进行照本宣科，而是由教师指导学生在设计过程中自主查阅、了解相关知识，进一步掌握相关技能，并将所学所得结合实际设计过程进行巩固，在此过程中，教师将自己的设计思路、方法和经验毫无保留地对学生进行传授和讨论，从而实现对学生自学能力、创新能力、实践动手能力等机电复合型工程技术能力的培养。这对于在校学生来说是非常难得的学习和实践的机会，也真正体现出课程面向社会需求、面向工程应用的实质。
1.2 教学模式和教学方法改革
本课程是一门面向工程应用，分析解决实际工程问题，对“系统”进行“设计”和“整合优化”的专业核心课程。因此在教学中指导学生始终要以系统工程的角度出发，以整体全局性的高度，对所设计的数控专机进行化整为零、化繁为简的分析，将一个大系统的设计任务分解为各个子系统乃至各个单独的功能模块和功能部件的设计和选型，再经过接口设计，将各功能模块有机地融合在一起，组成一个整体性能高于各部件之和的完整系统。
在教学过程中，始终坚持面向工程应用，以学生为主体的模式，课堂时间主要用于重要理论和技能、关键问题和练习作业的学习和讨论，其余所需知识技能交由学生课后通过图书馆、网络等查阅设计案例、论文、产品技术手册等相关资料和自学完成，同时学习运用一些常用设计工具，并通过作业和小组讨论等方式进行巩固，有疑难问题可提出并在全班进行讨论，最后在教师指点下得出正确结论。这种以具体工程设计任务为教学主线的方式让学生明确意识到课内外所学知识技能在实践生产中大有用武之地，认识到教师布置的作业均是完成设计任务必需环节，从而大大提高了学生的学习积极性，使其在课堂上的注意力非常集中，课后能根据任务所需而主动自发地进行学习和讨论以完成任务，而不再像以往那样由于不明白所学知识具体有何用处而造成理论和实际脱节，甚至产生忽视和厌学心理。在此过程中学生逐渐认识到自己理论知识上的薄弱点和缺少的实践经验，有针对性地学习参考相关理论知识和前人的方法经验，弥补以往知识技能系统的缺失环节，并能及时将所遇到的问题及心得体会在课内课外与教师和同组同学进行交流讨论，最终较系统完整地完成对各相关知识和技能进行总结，并在工程项目中综合应用的过程。
本课程是涉及到机械、电子、控制、信息等多学科知识和技术的一门交叉课程，在课堂教学环节，普遍出现的情况是将本课程作为前续课程中“机”、“电” 、“控制”等学科知识的简单组合和回顾，导致本课程应具有的系统性、综合性、实践性不能体现，与其余专业课程间也无法形成科学合理的承接脉络。改革教学模式和方法后，以整个工程设计过程为主线，将所涉及到的各学科关键理论知识，进行系统性逻辑性的梳理，形成清晰的脉络和层次，并指导学生在完成设计任务的过程中，有意识地综合运用所学知识、工具和技能，达到学以致用的目的。
例如，在讲授“机械子系统设计”章节时，把握住“各子系统有机融合”这一本质，让学生不仅掌握书本上陈述的对机械系统的性能要求等知识点，更要明白这些要求的提出不是孤立地从机械系统本身稳定性、快速性、准确性等性能指标出发，而更要从控制系统、伺服驱动系统与机械系统有机结合的角度来看待。通过运用经典控制理论中的时域分析和频率分析两种方法，了解机械系统参数中系统阻尼比和无阻尼固有频率这两个最基本的参数，对机械系统参数变化引起的控制性能变化的过程、原理进行分析推导，同时通过课堂上采用MATLAB对系统进行设计与仿真的实例演示，使学生了解这一控制设计领域的经典工具，经过教师指导和课后自学，掌握该软件的基本使用方法并在设计中加以运用，从而将控制工程领域的相关知识、技能与机电一体化系统设计任务紧密联系起来。
又如，在进行“伺服驱动系统设计”章节的教学时，通过课堂讨论和课后作业，让学生将伺服驱动器、变频器等驱动系统，以及交直流伺服电机、步进电机、力矩电机等常用伺服电机的性能、特点、应用场合、性价比等主要指标逐一进行分析和比较，针对数控专机任务要求设计合适的驱动方案，并查阅技术资料，完成电机选型计算以及电机与驱动器的接口设计，从而将前续课程所学的机电控制知识通过设计任务进行系统完整地运用。
再如，在“控制系统设计”环节，教师通过简要讲解和演示PLC梯形图编制、单片机编程和仿真、VB/VC++或LABVIEW等高级语言编程驱动运动控制卡等控制实例，使学生了解各控制系统的软、硬件组成及其设计过程和设计方法，课后自行查阅资料，对各种控制系统的优缺点、最新应用现状和发展趋势进行分析总结，设计出合适的控制方案，并在课堂演示实例基础上，学习运用相关工具，进行初步的控制系统软、硬件设计。
运用以上教学模式和方法，使学生在系统性地了解基础理论和技术的基础上，迅速地掌握关键理论知识和必要技能，并有效地在工程设计项目中加以应用，在培养学生自学能力、创新能力和理论联系实践的能力方面颇有成效，为其今后的工程应用和技术研究工作打下了良好的基础。
2 结论
我国政府在2006年初已将建设创新型国家确立为一项重要的战略目标，高质量的工程科技人才正是建设创新型国家的重要力量。我国高校机电一体化专业必须积极面向社会的迫切需求，以培养能满足产业需求、具有较强创新能力和综合能力的机电一体化科研技术人才作为最重要的工作目标。本文对机电一体化专业的核心课程――机电一体化系统设计的课程内容建设和教学模式方法改革进行了探讨，提出了面向产业需求、面向工程应用、以典型机电一体化系统――数控专机设计过程为教学主线，以学生为主体，以学生参与实际设计的过程为教学重点等改革措施，以期逐步构建科学合理的课程内容体系和教学模式，实现培养学生的工程素质、提高学生实践能力和创新能力的目标。
基金资助：重庆市重大教改项目“以培养学生工程设计能力为目标的机械工程系列核心课程教学改革研究与实践（09-1-005）”
重庆理工大学高等教育研究立项项目 “《机电一体化系统设计》课程教学改革研究（2010009）”
参考文献
[1] 崔军,汪霞.反思目标 回归本质――本科工程教育问题分析与改革对策[J].江苏高教,2009(4).
【关键词】机械数控专业 现代化 实践 探索
一、专业现代化建设背景
随着全球“制造中心”向中国的转移，越来越多的制造企业需要有文化懂技术的“技术蓝领”。而宁海县是“中国模具生产基地”和“世界文具生产基地”。全县拥有模具企业1700余家，数控机床420余台，加工中心250余台，制模技工3万余人，年产值30多亿元，中国8%的模具产自宁海。全县共有文具生产企业近300家，年销售额达20多亿元。另有五金工具企业300多家，年产值20多亿元；汽车配件企业近100家，年产值达10亿元。随着模具行业的发展，需要大量的数控技术工人，每年需增加数控技术工人3000余人。宁海县职业学校机械大类专业和职业技能培训机构的招生十分红火。据县科技局统计、预测，至2007年该县企业对数控技术工人的年需求总量超过1万人，迫切需要建立一个大型的设施设备齐全的数控技术教育实训基地，成为长三角地区数控技术人才的输送基地与储备库。培养急需的现代化数控技术人才，职校义不容辞担当此重任。由此可见专业现代化建设是培养现代化技术人才的核心，也是现代职校核心竞争力的标志之一。
二、专业现代化建设实践
（一）实验实训设备现代化
该校现拥有专业基础实验室4个，专业课实验室11个，实验实训设备总值321万元，其中万元以上仪器24台。基础实验室内配置了Auto CAD2000、精雕雕刻仿真系统和浙大辰光铣削加工仿真系统的软件，分为Auto CAD电脑房、精雕造型室、CAD/CAM编程室和电子阅览室，提供学生CAD制图、精雕编程、造型和cimatron编程、造型和模拟仿真。专业课实验室有3个钳工实习工场，200个工位、钻床20台、砂轮机1台，能提供200名学生同时钳工实习；1个数控（精雕）加工实验室，5台精雕数控机床，学生将编好的程序上机操作，同时对外加工；1个浙大数控模具加工实验室，1台浙大辰光CGM6500机床和5台浙大辰光CGM4300机床，学生将编好的程序上机操作或直接手工编程操作；1个数控加工中心实习工场，台湾高峰加工中心机床，学生编程操作；建有车工、铣工、刨工、磨工、电加工实验室各1个。
（二）师资队伍现代化
职业教育现代化，教育、教学及生活设施的建设是物质基础；教育体制、办学模式的改革是关键，课程与教学改革是核心，而师资队伍建设是根本。宁海职教中心专业师资以本校教师为主，同时聘请高校教授和企业技术骨干为补充。现有专任教师27人，其中高级教师3人，双师型教师24人，已有6人取得高级技术等级证书。3名教师获得美国Auto Desk公司的CAD辅助设计培训师资格证书。外聘教师11人，外聘教师中具有高级技术等级的教师有8人，形成了一支专兼结合、精干高效的专业师资队伍。主要表现在以下几个方面：
1．教师的科研能力
机械专业是该校的龙头专业，专业教师通过课题研究开阔了视野，提高了业务水平。每年承担两个以上校级课题、两个县级课题和一个市、省级课题，同时还进行校本教材开发和参与县重大课题的合作研究。近三年共有48篇专业教学论文在县论文评比中获奖，28篇论文在市教研室论文评比中获奖，8篇论文在省级以上学术性刊物公开发表，2部科技著作出版，已完成1项省级以上教学科研课题，2项市级课题。《精雕模式实践的研究》获浙江省第二届教学成果二等奖、宁波市政府教学成果一等奖、全国第五届职教优秀论文一等奖。《分层教学实践与探索》获宁波市政府教学成果二等奖。该校教师编写的机械类专业复习训练——基础理论和基础理论综合测试卷校本教材被上海东方激光教育文化有限公司采纳，由中国大地出版社出版，并向全省乃至全国推广。
2．专业技能
为提高专业技能水平，专业教师利用寒暑假参加浙大数控辰光培训、车工培训、钳工培训、CAD培训和下企业实训。4人取得钳工高级工资格证书，2人取得高级计算机操作员证书，19人取得中级车工资格证书，9人获得中级钳工证书，3人具有AUTOCAD软件认证教师资格证书。在县、市各项技能竞赛中取得好成绩。1名教师在市教师技能竞赛中荣获一等奖，3名教师在市教师技能竞赛中荣获二等奖。30人次教师在县技能竞赛中获奖。
3．教师的培训
该校一贯重视教师培训和教学业务水平的提高，2000年职代会上通过了《师资队伍培训规划》，力争在2005年前专业基础课教师达到本科学历或中级职称，双师型教师达到85%以上，实习指导教师达到高级工或技师水平。目前该校已提前达到该目标。通过校本培训、研究生进修、学历提升、国内外考察学习，培养具有国际视野和国内职教领先技术的教师；通过下企业实训，提高教师实践操作能力和解决实际生产问题的能力；通过课题研究，提升教学水平；派学科带头人到德国接受“双元制”模式培训。经过一系列的培养培训使教师知识得到了优化组合，一批教学能手脱颖而出。
（三）办学模式现代化
1．校企合作（紧密型）
走出校门、开放办学，成立专业委员会等，以打开局面，与企业、行业联合办学，建立起以联合促发展，以科技促教学，把生产转化为利润，用利润增强办学实力的良性循环，是职业学校办学的方向。
（1）“精雕模式”是以校企合作教育为前提，借鉴和吸收德国“双元制”模式和宁波职业技术学院“敏孚”机械系校企合作模式，抓住校企合作教育的关键点——共同育人，北京精雕公司负责提供软件、设备、指导老师和培训专业教师，并与该校教师一起制订教学计划、编写教材，把最新的研究成果写进教材，及时传授给学生，按照企业技术人员操作规范进行实验操作，这样培养出的学生具有很强的顶岗能力。该校把优秀的学生输送送到公司，作为公司的技术员为客户服务，同时该校还利用精雕设备为其他学校制作校徽、校牌，并为企业提供加工服务，这样不仅创造一定的利润，更重要的是提高了学生的操作，技能和顶岗的能力。利用企业的先进设备，根据企业要求开展订单培训，向企业输送技术人员。三年来，该校向北京精雕公司输送了200多名优秀毕业生。
（2）与宁波双林集团的联合办学，借助模具厂的设备与工作实践环境，将课堂搬到企业车间，学生走进车间，为学生提供平时课堂实践的模拟教学与预岗实习的锻炼机会。
（3）该校利用现有设备，为一些模具厂开展对外加工服务，使企业生产走进课堂。校企互相提供信息服务和技术援助，同时为企业与学生就业搭建一个双向选择的平台。
2．与名校合作办学
该校采取“上靠、下挂、横联”的多维合作形式，积极与高等院校、兄弟学校开展“3+X”、“2+Y”模式的教育，实行资源整合，优势互补，在校际合作上不断创新办学形式，积极开展中职与高职衔接的教学实践。如：与浙江大学合作建立浙江大学数控模具宁海培训基地；与宁波职业技术学院联办“3+2”机电一体化专业和模具设计与制造专业；与宁波技师学院联办“2+4”机械工程专业；与陕西省建筑工程中专机械专业联办“2+1”机械专业，为中西部大开发培养紧缺的复合型人才。该校是全国中西部联动教育合作顾问单位，在省内温州、泰顺县， 省外陕西、贵州等地设有教学点。
三、主要成果通过数控专业现代化建设已取得较好的效果
（一）机械专业不断提升
目前机械数控专业是该校重点专业，县骨干专业，市现代化专业、省示范性专业、市首批高技能（数控技术）培训基地、浙江大学数控模具宁海培训基地、国家数控技术应用专业技能型紧缺人才培养培训基地。毕业生就业、学生技能操作、高职考成绩和社会培训等方面初见成效。
（二）课程体系改革和校本教材的开发硕果累累
该校按照培养机械数控技术人才的要求，以理论知识的应用和实践能力的培养为重点，适应用人单位和个人发展的需要，借鉴“宽基础、活模块”模式，尤其是校企紧密型合作办学模式——精雕模式，对该校机械专业课程体系和教学内容进行了实质性的改革，同时采用选修课、分层教学、项目教学等教学模式，使各个阶层的学生得到发展。该校还根据现有教材的现状和职高生的特点以及该县产业的需求，该校开发了四类校本教材——技能操作类：精雕雕刻软件JDPaint简明教程、钳工生产实习习题册、AutoCAD上机指导及练习、数控机床加工及编程；专业基础知识类：数控机床操作入门、计算机基础教程及练习册；健康成才类：心理健康教育读本、心灵故事、成长之路；高职类：机械类专业复习训练基础理论和综合测试卷集。
（三）毕业生供不应求
近三年累计毕业生908人，平均一次就业率100%，许多毕业生已成为当地企业的技术骨干，有的毕业生已走上创业之路，成为当地致富的带头人。殷永生同学已成为宁波贝发集团有限公司技术总监兼任集团公司体系管理者代表，主要负责集团公司新产品研究开发、工程技术管理、产品质量管理、模具设计制造管理等。陈有甫同学进入双林公司后，由于技术过硬，工作出色，现任双林公司总部工程技术副部长，分管公司的模具和新产品开发工作。柴振炎同学毕业后自主创业成为宁海电子电线有限公司总经理。娄天鸿现任天鸿文具有限公司总经理，年产值达5千多万元。
（四）学生操作技能成绩突出
初级资格证书合格率100%、中级资格证书合格率95%以上。在各级技能竞赛中成绩名列前茅：省部级二等奖1项；市局级一等奖2项，二等奖4项，三等奖1项；县级一等奖25项，二等奖21项，三等奖15项。经常代表宁海县参加市技能竞赛。
（五）利用专业优势，开展“订单培训”
时至今日，机械、精雕专业师生开展了5次科技下乡活动，共培训学员308名，其中283名顺利走上了工作岗位。根据企业需要共培训中级钳工500名，合格率达100%。CAD制图培训共开展10次，人员达600名。2003年7月，开展了为期两个月的数控机床操作培训，共培训30人。
四、专业现代化建设的展望
机械数控专业近几年在现代化专业方面已取得一定成效，在同类学校中已处于领先水平。建设好现代化专业，有利于促进机械专业的进一步做精做强，有利于培养更高规格的机械数控人才，有利于促进产业经济的更大发展。因此，该校将以机械专业为龙头，带动各产业的连续、滚动发展。经过几年打造后成为当地拳头专业，在完成宁波市现代化专业、省示范性专业建设的基础上，逐步把它建成国家级示范专业和先进制造业人才培养基地。这就必须在师资队伍、实验实训设备和基地建设上继续努力。
（一）师资队伍建设规划
到2007年，文化公共课教师和专业基础课教师达到本科学历或中级职称，“双师型”教师达到100%，实习教师达到大专以上学历和中级工或高级工资格；继续引进和聘任一批具有多年数控生产实践经验的技师、高工担任实习教学和就业指导辅导员，继续打造一批学科带头人、骨干教师和名教师，建成一支校企联合的专兼结合的教师队伍。
（二）实验室和实验工厂建设规划
该校在原有设备的基础上今后三年将继续分期投入800万元，建立机械数控系列实验室和生产型数控加工实验工厂，拟建数控车削实验室，内配10台数控车床；拟建数控铣削实验室，内配10台数控铣床；拟建生产型数控加工实验工厂，内配加工中心各1台；数控深孔钻床1台、电脉冲3台、数控慢走丝线切割1台、线切割2台、中捷摇臂钻床3台、行车（5吨、10吨）各1架、磨床1台。此外，加强校外实习基地建设，在原有三大实习基地的基础上，在宁海范围内再建立3～5个机械实习基地。
（三）人才培养培训规模
