機械電子工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗教學(xué)改革探討
摘要：機械電子工程是一門(mén)綜合性學(xué)科，集機械設計制造技術(shù)與電子技術(shù)為一體，其學(xué)科具有知識點(diǎn)豐富、涵蓋內容廣與適用范圍寬等特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著(zhù)電子信息與自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，機電系統正逐步向智能化與自動(dòng)化方向轉化。目前在各行業(yè)中沒(méi)有滲透電子與自動(dòng)控制技術(shù)的純機械領(lǐng)域越來(lái)越少，因此，社會(huì )急需全面掌握機、電和控制的復合型人才。
關(guān)鍵詞：機械、電子工程、自動(dòng)控制
湖南農業(yè)大學(xué)機械電子工程專(zhuān)業(yè)是根據當前國內外機電產(chǎn)品生產(chǎn)及發(fā)展趨勢而設置的，以培養具有實(shí)踐能力和創(chuàng )新精神，能應用機械、液壓傳動(dòng)、電子、控制和傳感技術(shù)，從事國民經(jīng)濟各部門(mén)所必須的機電設備及其自動(dòng)化的設計制造、應用研究與科技開(kāi)發(fā)等工作的復合型高級專(zhuān)門(mén)人才為目標。因此，要求所培養的學(xué)生既要有扎實(shí)的基礎理論知識，又必須有較強的動(dòng)手能力和創(chuàng )新思維。實(shí)驗室是培養學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、建立創(chuàng )新意識、提高工程實(shí)驗能力的重要實(shí)踐基地，在教學(xué)計劃中占有相當大的比重，但湖南農業(yè)大學(xué)機械電子工程專(zhuān)業(yè)是在多年探索機械設計制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)改造并取得經(jīng)驗的基礎上創(chuàng )辦的，其實(shí)驗課程的設置與實(shí)踐能力的培養均側重于機械部分，因此有必要開(kāi)展湖南農業(yè)大學(xué)機械電子工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗教學(xué)改革研究。
一、機械電子工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗教學(xué)現狀分析
湖南農業(yè)大學(xué)機械電子工程專(zhuān)業(yè)于2010年開(kāi)始招生，專(zhuān)業(yè)課程設置參考了國內多所高校的經(jīng)驗，在現有師資力量與教學(xué)硬件條件下，力爭做到最好，但就實(shí)驗教學(xué)環(huán)節而言存在以下問(wèn)題。
1.專(zhuān)業(yè)內容廣而不精
由于機械電子工程專(zhuān)業(yè)涵蓋機械與電子，因此在課程設置時(shí)力爭兼顧到機械與電子兩方面的內容，包括“理論力學(xué)”、“材料力學(xué)”、“機械制造基礎”、“機械制圖及計算機繪圖”、“機械設計基礎”、“電路分析”、“模擬電子技術(shù)基礎”、“數字電子技術(shù)基礎”、“控制工程基礎”、“液壓及氣動(dòng)”、“傳感器與檢測技術(shù)”、“電機及電力拖動(dòng)基礎”、“單片機原理及接口技術(shù)”、“工廠(chǎng)電氣控制技術(shù)”、“可編程控制技術(shù)”、“信號與系統”、“機電一體化系統”、“數控技術(shù)及其應用”等近20門(mén)專(zhuān)業(yè)課，學(xué)生普遍反映課程科目太多，對應課程所開(kāi)設實(shí)驗學(xué)時(shí)偏少，難以深入學(xué)習，故每門(mén)課掌握得都不夠精通。
2.電類(lèi)實(shí)驗設備不足
湖南農業(yè)大學(xué)機械電子工程是在多年的機械設計制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)基礎上創(chuàng )辦的，相比而言，機械類(lèi)實(shí)驗設備較完善，而電類(lèi)實(shí)驗的開(kāi)設，雖可以在湖南農業(yè)大學(xué)部省共建電氣技術(shù)實(shí)驗室進(jìn)行，但當時(shí)所建的電氣技術(shù)實(shí)驗室主要為滿(mǎn)足機械設計制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)及其他工科專(zhuān)業(yè)的電類(lèi)基礎實(shí)驗開(kāi)設，因此如“電路分析”、“模擬電子技術(shù)”、“數字電子技術(shù)”等基礎課程的實(shí)驗，均能滿(mǎn)足要求，而專(zhuān)業(yè)課程如“信號與系統”、“機電一體化系統”等卻缺少對應的實(shí)驗設備。
3.綜合設計性實(shí)驗設置不夠
在實(shí)驗教學(xué)方法上，由于課時(shí)少而時(shí)間緊等問(wèn)題的存在，盡管實(shí)驗室的多數儀器均能滿(mǎn)足設計性與綜合性實(shí)驗要求，但目前各門(mén)課程所開(kāi)設的實(shí)驗多以驗證性或演示性實(shí)驗為主，以保證學(xué)生能在課堂上按時(shí)完成實(shí)驗內容。如“電路分析”、“模擬電子技術(shù)”、“傳感器與檢測技術(shù)”等課程均采用模塊化實(shí)驗儀器，學(xué)生實(shí)驗時(shí)只需簡(jiǎn)單的連接電源線(xiàn)與信號線(xiàn)進(jìn)行觀(guān)察或數據記錄即可，嚴重局限了學(xué)生的思維，部分課程的實(shí)驗甚至達不到教學(xué)大綱要求。因此，在教學(xué)過(guò)程中，難以調動(dòng)學(xué)生的積極性與學(xué)習興趣，發(fā)揮其主觀(guān)能動(dòng)性與創(chuàng )造性，教學(xué)效果有所欠缺，對應用型與創(chuàng )新型人才培養目標的體現不夠深入。
二、深化實(shí)驗教學(xué)改革，培養學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng )新思維
1.修改培養方案，面向市場(chǎng)培養應用型人才
機械電子工程專(zhuān)業(yè)的培養目標是要求本專(zhuān)業(yè)的學(xué)生不僅具有扎實(shí)的理論知識，還必須通過(guò)實(shí)驗真正掌握所學(xué)理論知識，從而具備較強的動(dòng)手實(shí)踐能力，因此，重視實(shí)驗和實(shí)踐教學(xué)是培養方案修改所必須思考的問(wèn)題。機械電子工程專(zhuān)業(yè)涵蓋機械與電子，要在寬口徑的同時(shí)有所精通，培養方案修改時(shí)便不能盲目的減少理論課程或平均分配實(shí)驗學(xué)時(shí)，而是應該按照市場(chǎng)人才培養需求進(jìn)行。
(1)合并相關(guān)性較強的課程實(shí)驗，單獨設立實(shí)驗課。機械電子工程專(zhuān)業(yè)的課程內容較多，應用性強，如“電路分析”、“模擬電子技術(shù)基礎”、“數字電子技術(shù)基礎”等課程均開(kāi)設有一定學(xué)時(shí)的實(shí)驗課，從10學(xué)時(shí)到14學(xué)時(shí)不等，以幫助學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，更好地掌握理論知識，提升動(dòng)手能力。分別開(kāi)設實(shí)驗課能方便各任課教師自主實(shí)施課程教學(xué)，但容易出現各課程實(shí)驗內容過(guò)于基礎，綜合性不夠的問(wèn)題。由于這三門(mén)課程都是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎課，聯(lián)系緊密，相關(guān)性強，因此可以考慮將三門(mén)課程的實(shí)驗合并為一門(mén)“電工電子技術(shù)實(shí)驗”，學(xué)時(shí)設為34學(xué)時(shí)，課程開(kāi)設時(shí)可以從電類(lèi)基礎實(shí)驗開(kāi)始，后期完成應用性、設計性較強的兩個(gè)綜合性實(shí)驗，使學(xué)生能更好地掌握相關(guān)內容，增強動(dòng)手實(shí)踐能力。
(2)按教學(xué)計劃要求和培養目標對某些課程的理論與實(shí)驗課時(shí)進(jìn)行增減調整。如“單片機原理及接口技術(shù)”課程，10個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗課遠遠不能滿(mǎn)足學(xué)生的學(xué)習要求，可適當考慮減少部分理論學(xué)時(shí)，增加實(shí)驗學(xué)時(shí)至16學(xué)時(shí)或更多，使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗對單片機的基礎理論有較深的理解，能初步設計基本的單片機控制軟硬件;同時(shí)增設單片機課程設計，用 1～2周的時(shí)間進(jìn)行自主設計，使學(xué)生利用所學(xué)理論知識解決實(shí)際問(wèn)題的能力得到加強，從而深入培養學(xué)生的應用動(dòng)手能力。
2.多方位改進(jìn)實(shí)驗條件
由于電類(lèi)教學(xué)設備老化、部分專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗設備不足等問(wèn)題的存在，導致學(xué)生在實(shí)驗課上動(dòng)手操作機會(huì )減少，甚至某些課程未曾開(kāi)設對應的實(shí)驗。針對此類(lèi)情況，機械電子工程專(zhuān)業(yè)應考慮從以下幾方面改善實(shí)驗條件：
(1)加大資金投入，建立“機電一體化技術(shù)”、“信號與系統”等課程對應的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗室。
(2)將部分設計性實(shí)驗與教師科研結合，如教師研究的信號放大電路、濾波電路等可以用于“模擬電子技術(shù)基礎”實(shí)驗教學(xué)，而涉及到的信號檢測部分或控制單元則可以用于“傳感器與檢測技術(shù)”、“單片機原理及接口技術(shù)”課程的設計性實(shí)驗教學(xué)，以科研促教學(xué)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力與參與科學(xué)研究的能力。
(3)建立開(kāi)放式的創(chuàng )新實(shí)驗室，一方面實(shí)驗室的開(kāi)放不局限于課堂教學(xué)，由此提供給學(xué)生更多的動(dòng)手操作機會(huì )，提升學(xué)生學(xué)習的主觀(guān)能動(dòng)性與自主學(xué)習能力;另一方面依托開(kāi)放式的創(chuàng )新實(shí)驗室，組織學(xué)生更多的參加各類(lèi)創(chuàng )新活動(dòng)，如機械創(chuàng )新大賽、電子設計競賽及機器人大賽等，通過(guò)學(xué)生的自主開(kāi)發(fā)設計，培養學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng )新思維。
3.優(yōu)化實(shí)驗教學(xué)內容
針對目前各課程實(shí)驗多以驗證性或演示性實(shí)驗為主，缺乏綜合設計性實(shí)驗的問(wèn)題，除了改進(jìn)實(shí)驗條件外，還可以從各任課教師優(yōu)化實(shí)驗教學(xué)內容方面著(zhù)手。如“單片機原理及接口技術(shù)”課程，實(shí)踐性強，內容綜合難度大，為便于組織，多是在實(shí)驗箱上進(jìn)行相關(guān)驗證性實(shí)驗，此類(lèi)教學(xué)方式難以提高學(xué)生的學(xué)習主動(dòng)性與積極性，教學(xué)效果不佳。因此，教師可從教學(xué)方式和教學(xué)手段方面進(jìn)行優(yōu)化，采用“任務(wù)驅動(dòng)”教學(xué)法，[4]精心設計實(shí)驗教學(xué)內容，使學(xué)生不僅對單片機硬件電路設計具備直觀(guān)認識，也可自主嘗試設計基于匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言的單片機軟件，以提升學(xué)生自主學(xué)習的積極性，更好地掌握該門(mén)課程的內容。再如“傳感器與檢測技術(shù)”課程，是一門(mén)應用性極強的課程，不僅包括傳感器獲取信號部分，[5，6]還包括信號的變換、處理、顯示等電路分析，目前所采用的實(shí)驗儀器為“傳感器系統實(shí)驗儀”，集成了應變片、電容傳感器、電感傳感器、壓電傳感器、熱電偶、霍爾傳感器、光電傳感器等十多種傳感器及對應的處理電路，具備集成度高、應用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，能方便學(xué)生在課時(shí)范圍內完成實(shí)驗，其缺點(diǎn)是模塊化的設計限制了學(xué)生的創(chuàng )造性思維，只能驗證性完成各傳感器的標定，學(xué)生興趣不夠。因此，教師可對實(shí)驗教學(xué)內容進(jìn)行設計，由易到難進(jìn)行實(shí)驗教學(xué)，基礎實(shí)驗在實(shí)驗儀上完成后，結合電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)的內容，引導學(xué)生自主開(kāi)發(fā)，進(jìn)行紅外發(fā)射接收或光敏電阻應用等設計性實(shí)驗，使其對傳感器及應用方面的內容有更深的理解，培養其創(chuàng )新思維與開(kāi)發(fā)設計能力，更好地將課本知識用于實(shí)踐。
三、結語(yǔ)
湖南農業(yè)大學(xué)機械電子工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設時(shí)間不長(cháng)，不管是專(zhuān)業(yè)培養方案還是教學(xué)方式、教學(xué)手段都需要通過(guò)長(cháng)期不斷的探索研究并完善，筆者結合專(zhuān)業(yè)實(shí)際情況與學(xué)生反饋信息，對專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗現狀進(jìn)行了分析，并根據多年從教經(jīng)驗探討了實(shí)驗教學(xué)改革方法與思路，其中“傳感器與檢測技術(shù)”、“單片機原理與接口技術(shù)”等課程的實(shí)驗教學(xué)內容優(yōu)化研究，已應用于課堂教學(xué)。結果表明，學(xué)生學(xué)習興趣得到提高，實(shí)踐動(dòng)手能力明顯增強。2013年湖南農業(yè)大學(xué)組隊參加了“第十二屆亞太大學(xué)生機器人大賽國內選拔賽”，成功進(jìn)入前八強，榮獲一等獎，相較于往屆有了重大突破，長(cháng)達一年的研制過(guò)程中，濃厚的興趣、堅實(shí)的基礎與較強的動(dòng)手能力缺一不可，體現了一系列的教學(xué)改革探索已初具成效。但是教學(xué)改革是一個(gè)長(cháng)期的、不斷循環(huán)往復的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在以后的教學(xué)過(guò)程中，還需要不斷的探索，為更好地培養具有實(shí)踐能力和創(chuàng )新思維的復合型人才而努力。
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