机电一体化产品设计课程教学探讨

陈 超，王 佳

（江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212003）

《机电一体化产品设计》（有的学校课程名称为《机电一体化系统设计》）是机械电子工程专业比较重要的一门专业课，该课程内容涵盖机械技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、自动控制技术和系统总体设计等多学科相互交叉渗透的综合课程。该课程综合性很强，基本上囊括了机械电子专业的所有课程（如图一所示）。图一以典型机电一体化产品控制模型的流程图，所包含的各个环节均可以用以外所学课程内容来包括。因此该课程对学生的学习难度比较大，相对来说对授课教师的要求也会比较高。

图1 机电一体化产品设计课程内容的组成

一般来说机电类毕业生主要面向先进装备制造行业、机电产品生产或经营企业，毕业之后从事与机电一体化产品相关的设计制造、科研开发以及运行管理等方面的工作。因此要求毕业生具备机电一体化的基本理论知识，同时针对机电一体化的典型产品具备一定的创新设计、分析以及动手能力。因此这门课程所涉及的知识范围比较广、知识点多、综合性和实用性强，同时在目前的机电类培养方案中不可能给予这样一门专业方向课太多的学时，因此在有限的授课学时内，如何提高课程教学效果，更好的培养学生在课程学习的创新思维以及较好的动手实践能力是授课老师面临的一个重大挑战。本文根据《机电一体化产品设计》课程特点以及目前学生在课程学习中间所存在的问题，提出了改革教学内容、教学方式以及相关实践环节的全新机电一体化产品课程教学新模式。

1.课堂教学内容改革

《机电一体化产品设计》课程学时一般为 32～40学时（不同学校安排也许存在一定差异），该课程涵盖其他课程教学内容较广，学科知识较杂，因此要教好这门课程存在较大的讲授难度，对教师的教学方法和教学水平提出了较高的要求。本文根据该课程的特点以及讲授该课程多年的教学经验，典型机电一体化的产品开发流程如图2所示，在教学内容上，针对典型机电一体化产品的开发过程，提炼出机电一体化产品中的共性特点，以某型号的典型机电一体化产品作为经典设计案例来进行讲解。比如以某型号的数控机床为例，先在课堂上组织学生们进行研讨，共同提出该机床的设计总体目标，由设计目标和设计功能出发来构建针对该型机床的功能分解组建功能树，根据功能分解的结果来构建该型号机床的形态学矩阵，并由形态学矩阵来遴选出该产品的原理方案设计，由原理方案设计然后组织同学进行分组的结构方案设计，而具体的结构方案设计内容可以作为课外作业或者讨论课内容组织学生在任课老师的指导下来完成，其中通过对该型机床的机械部分的设计和选型、控制系统的设计和选型、驱动部分的设计和选型以及传感器部分的设计和选型用近乎实战的要求来完成课程各个部分内容上的讲解和分析，教学内容的这种改革能够激起学生较大的参与热情，同时也有具体任务的安排能够让大部分同学获得较大的参与度加入团队协作。该课程的教学方法可以总结为“以典型产品为主线、由点及面的教学方法”，通过这几年的教学方法改革和实践，在该课程的教学上以及教学内容的安排上深受学生好评，同时也取得了相当不错的教学效果。

图2 典型机电一体化产品的开发流程

2.课堂教学手段改革

课堂的教学手段上，和传统的课堂授课方式有较大的区别，基本采用多媒体讲授、课堂讨论、分组协作设计、课外实践等几个部分，多媒体讲授主要针对典型机电一体化产品的结构特点，分数控机床、机器人、汽车自动电子系统、家电等产品进行设计过程和设计方法的讲解。课堂讨论主要是针对不同类型的机电一体化产品的功能树的建立和形态学矩阵的构建等内容上，充分发挥和调动学生的参与热情，来完成对某类型的机电一体化产品的原理方案的设计。分组协作设计是在既定机电一体化产品的原理方案完成的基础上，按照学生的设计兴趣和专业特长进行分组结构方案设计，在结构方案设计中，因为各个设计小组的相关模块的结构方案设计会互相存在有交叉，因此各个设计小组的设计结果和设计过程要经常进行交流和探讨。课外实践环节是根据课程的知识要点和设计过程提供给学生的一个实际动手操作的一个环节，该环节一般以单片机或者PLC作为控制器的小型机电一体化产品，比如各种类型的小型机器人的设计等等。通过项目实践让学生更好地对课程知识有一个巩固和消化的过程。学生的最终成绩考核在这几个环节中由指导老师来进行评比和打分，而不仅仅依靠一张试卷和课堂表现来评分，更好的考核了学生的总体素质和综合能力。

3.课外实践项目改革

为了更好的课程内容教学，结合江苏科技大学每年一届的大学生科技创新计划项目申报，组织学生参与和开展各种单片机和PLC控制的机电一体化产品设计。这些作品都是本科生结合课程内容以项目分组形式分工协作制作出来的，这些作品在江苏省大学生机械创新大赛中荣获多次二等奖和三等奖的奖励。

4.总结

通过课程内容的调节和课程授课环节的改革，结合学生在机电一体化实际产品设计与开发实践锻炼，学生能够将《机电一体化产品设计》中设计到的各个相关课程知识有效结合起来，使教学效果和教学质量在近几年都得到了稳步的提升。近三年来，机电专业的学生就业率都保持在100%，学生就业后从用人单位反馈的信息也都十分良好。

[1]刘杰等. 机电一体化技术基础与产品设计[M]. 北京：冶金工业出版社，2006.

[2]韩向可，李菲. 《机电一体化系统设计》课程的教学改革[J]. 中国科技信息，2010，09.

[3]张建民. 机电一体化系统设计[M]. 北京：高等教育出版社，2007.