機械電子工程專業(yè)實驗教學(xué)改革探討
摘要：機械電子工程是一門綜合性學(xué)科，集機械設(shè)計制造技術(shù)與電子技術(shù)為一體，其學(xué)科具有知識點豐富、涵蓋內(nèi)容廣與適用范圍寬等特點。近年來，隨著電子信息與自動控制技術(shù)的快速發(fā)展，機電系統(tǒng)正逐步向智能化與自動化方向轉(zhuǎn)化。目前在各行業(yè)中沒有滲透電子與自動控制技術(shù)的純機械領(lǐng)域越來越少，因此，社會急需全面掌握機、電和控制的復(fù)合型人才。
關(guān)鍵詞：機械、電子工程、自動控制
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機械電子工程專業(yè)是根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外機電產(chǎn)品生產(chǎn)及發(fā)展趨勢而設(shè)置的，以培養(yǎng)具有實踐能力和創(chuàng)新精神，能應(yīng)用機械、液壓傳動、電子、控制和傳感技術(shù)，從事國民經(jīng)濟各部門所必須的機電設(shè)備及其自動化的設(shè)計制造、應(yīng)用研究與科技開發(fā)等工作的復(fù)合型高級專門人才為目標。因此，要求所培養(yǎng)的學(xué)生既要有扎實的基礎(chǔ)理論知識，又必須有較強的動手能力和創(chuàng)新思維。實驗室是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、建立創(chuàng)新意識、提高工程實驗?zāi)芰Φ闹匾獙嵺`基地，在教學(xué)計劃中占有相當(dāng)大的比重，但湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機械電子工程專業(yè)是在多年探索機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)改造并取得經(jīng)驗的基礎(chǔ)上創(chuàng)辦的，其實驗課程的設(shè)置與實踐能力的培養(yǎng)均側(cè)重于機械部分，因此有必要開展湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機械電子工程專業(yè)的實驗教學(xué)改革研究。
一、機械電子工程專業(yè)實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機械電子工程專業(yè)于2010年開始招生，專業(yè)課程設(shè)置參考了國內(nèi)多所高校的經(jīng)驗，在現(xiàn)有師資力量與教學(xué)硬件條件下，力爭做到最好，但就實驗教學(xué)環(huán)節(jié)而言存在以下問題。
1.專業(yè)內(nèi)容廣而不精
由于機械電子工程專業(yè)涵蓋機械與電子，因此在課程設(shè)置時力爭兼顧到機械與電子兩方面的內(nèi)容，包括“理論力學(xué)”、“材料力學(xué)”、“機械制造基礎(chǔ)”、“機械制圖及計算機繪圖”、“機械設(shè)計基礎(chǔ)”、“電路分析”、“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”、“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”、“控制工程基礎(chǔ)”、“液壓及氣動”、“傳感器與檢測技術(shù)”、“電機及電力拖動基礎(chǔ)”、“單片機原理及接口技術(shù)”、“工廠電氣控制技術(shù)”、“可編程控制技術(shù)”、“信號與系統(tǒng)”、“機電一體化系統(tǒng)”、“數(shù)控技術(shù)及其應(yīng)用”等近20門專業(yè)課，學(xué)生普遍反映課程科目太多，對應(yīng)課程所開設(shè)實驗學(xué)時偏少，難以深入學(xué)習(xí)，故每門課掌握得都不夠精通。
2.電類實驗設(shè)備不足
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機械電子工程是在多年的機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)基礎(chǔ)上創(chuàng)辦的，相比而言，機械類實驗設(shè)備較完善，而電類實驗的開設(shè)，雖可以在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)部省共建電氣技術(shù)實驗室進行，但當(dāng)時所建的電氣技術(shù)實驗室主要為滿足機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)及其他工科專業(yè)的電類基礎(chǔ)實驗開設(shè)，因此如“電路分析”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”等基礎(chǔ)課程的實驗，均能滿足要求，而專業(yè)課程如“信號與系統(tǒng)”、“機電一體化系統(tǒng)”等卻缺少對應(yīng)的實驗設(shè)備。
3.綜合設(shè)計性實驗設(shè)置不夠
在實驗教學(xué)方法上，由于課時少而時間緊等問題的存在，盡管實驗室的多數(shù)儀器均能滿足設(shè)計性與綜合性實驗要求，但目前各門課程所開設(shè)的實驗多以驗證性或演示性實驗為主，以保證學(xué)生能在課堂上按時完成實驗內(nèi)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驗儀器，學(xué)生實驗時只需簡單的連接電源線與信號線進行觀察或數(shù)據(jù)記錄即可，嚴重局限了學(xué)生的思維，部分課程的實驗甚至達不到教學(xué)大綱要求。因此，在教學(xué)過程中，難以調(diào)動學(xué)生的積極性與學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮其主觀能動性與創(chuàng)造性，教學(xué)效果有所欠缺，對應(yīng)用型與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標的體現(xiàn)不夠深入。
二、深化實驗教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新思維
1.修改培養(yǎng)方案，面向市場培養(yǎng)應(yīng)用型人才
機械電子工程專業(yè)的培養(yǎng)目標是要求本專業(yè)的學(xué)生不僅具有扎實的理論知識，還必須通過實驗真正掌握所學(xué)理論知識，從而具備較強的動手實踐能力，因此，重視實驗和實踐教學(xué)是培養(yǎng)方案修改所必須思考的問題。機械電子工程專業(yè)涵蓋機械與電子，要在寬口徑的同時有所精通，培養(yǎng)方案修改時便不能盲目的減少理論課程或平均分配實驗學(xué)時，而是應(yīng)該按照市場人才培養(yǎng)需求進行。
(1)合并相關(guān)性較強的課程實驗，單獨設(shè)立實驗課。機械電子工程專業(yè)的課程內(nèi)容較多，應(yīng)用性強，如“電路分析”、“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”、“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”等課程均開設(shè)有一定學(xué)時的實驗課，從10學(xué)時到14學(xué)時不等，以幫助學(xué)生理論聯(lián)系實際，更好地掌握理論知識，提升動手能力。分別開設(shè)實驗課能方便各任課教師自主實施課程教學(xué)，但容易出現(xiàn)各課程實驗內(nèi)容過于基礎(chǔ)，綜合性不夠的問題。由于這三門課程都是電類專業(yè)基礎(chǔ)課，聯(lián)系緊密，相關(guān)性強，因此可以考慮將三門課程的實驗合并為一門“電工電子技術(shù)實驗”，學(xué)時設(shè)為34學(xué)時，課程開設(shè)時可以從電類基礎(chǔ)實驗開始，后期完成應(yīng)用性、設(shè)計性較強的兩個綜合性實驗，使學(xué)生能更好地掌握相關(guān)內(nèi)容，增強動手實踐能力。
(2)按教學(xué)計劃要求和培養(yǎng)目標對某些課程的理論與實驗課時進行增減調(diào)整。如“單片機原理及接口技術(shù)”課程，10個學(xué)時的實驗課遠遠不能滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，可適當(dāng)考慮減少部分理論學(xué)時，增加實驗學(xué)時至16學(xué)時或更多，使學(xué)生通過實驗對單片機的基礎(chǔ)理論有較深的理解，能初步設(shè)計基本的單片機控制軟硬件;同時增設(shè)單片機課程設(shè)計，用 1～2周的時間進行自主設(shè)計，使學(xué)生利用所學(xué)理論知識解決實際問題的能力得到加強，從而深入培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用動手能力。
2.多方位改進實驗條件
由于電類教學(xué)設(shè)備老化、部分專業(yè)課程實驗設(shè)備不足等問題的存在，導(dǎo)致學(xué)生在實驗課上動手操作機會減少，甚至某些課程未曾開設(shè)對應(yīng)的實驗。針對此類情況，機械電子工程專業(yè)應(yīng)考慮從以下幾方面改善實驗條件：
(1)加大資金投入，建立“機電一體化技術(shù)”、“信號與系統(tǒng)”等課程對應(yīng)的專業(yè)實驗室。
(2)將部分設(shè)計性實驗與教師科研結(jié)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(chǔ)”實驗教學(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(shè)計性實驗教學(xué)，以科研促教學(xué)，提高學(xué)生的動手能力與參與科學(xué)研究的能力。
(3)建立開放式的創(chuàng)新實驗室，一方面實驗室的開放不局限于課堂教學(xué)，由此提供給學(xué)生更多的動手操作機會，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性與自主學(xué)習(xí)能力;另一方面依托開放式的創(chuàng)新實驗室，組織學(xué)生更多的參加各類創(chuàng)新活動，如機械創(chuàng)新大賽、電子設(shè)計競賽及機器人大賽等，通過學(xué)生的自主開發(fā)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新思維。
3.優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容
針對目前各課程實驗多以驗證性或演示性實驗為主，缺乏綜合設(shè)計性實驗的問題，除了改進實驗條件外，還可以從各任課教師優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容方面著手。如“單片機原理及接口技術(shù)”課程，實踐性強，內(nèi)容綜合難度大，為便于組織，多是在實驗箱上進行相關(guān)驗證性實驗，此類教學(xué)方式難以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性與積極性，教學(xué)效果不佳。因此，教師可從教學(xué)方式和教學(xué)手段方面進行優(yōu)化，采用“任務(wù)驅(qū)動”教學(xué)法，[4]精心設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生不僅對單片機硬件電路設(shè)計具備直觀認識，也可自主嘗試設(shè)計基于匯編語言或C語言的單片機軟件，以提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，更好地掌握該門課程的內(nèi)容。再如“傳感器與檢測技術(shù)”課程，是一門應(yīng)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，目前所采用的實驗儀器為“傳感器系統(tǒng)實驗儀”，集成了應(yīng)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(yīng)的處理電路，具備集成度高、應(yīng)用簡便等特點，能方便學(xué)生在課時范圍內(nèi)完成實驗，其缺點是模塊化的設(shè)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，教師可對實驗教學(xué)內(nèi)容進行設(shè)計，由易到難進行實驗教學(xué)，基礎(chǔ)實驗在實驗儀上完成后，結(jié)合電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生自主開發(fā)，進行紅外發(fā)射接收或光敏電阻應(yīng)用等設(shè)計性實驗，使其對傳感器及應(yīng)用方面的內(nèi)容有更深的理解，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維與開發(fā)設(shè)計能力，更好地將課本知識用于實踐。
三、結(jié)語
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機械電子工程專業(yè)開設(shè)時間不長，不管是專業(yè)培養(yǎng)方案還是教學(xué)方式、教學(xué)手段都需要通過長期不斷的探索研究并完善，筆者結(jié)合專業(yè)實際情況與學(xué)生反饋信息，對專業(yè)的實驗現(xiàn)狀進行了分析，并根據(jù)多年從教經(jīng)驗探討了實驗教學(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)”等課程的實驗教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化研究，已應(yīng)用于課堂教學(xué)。結(jié)果表明，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣得到提高，實踐動手能力明顯增強。2013年湖南農(nóng)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(nèi)選拔賽”，成功進入前八強，榮獲一等獎，相較于往屆有了重大突破，長達一年的研制過程中，濃厚的興趣、堅實的基礎(chǔ)與較強的動手能力缺一不可，體現(xiàn)了一系列的教學(xué)改革探索已初具成效。但是教學(xué)改革是一個長期的、不斷循環(huán)往復(fù)的動態(tài)過程，在以后的教學(xué)過程中，還需要不斷的探索，為更好地培養(yǎng)具有實踐能力和創(chuàng)新思維的復(fù)合型人才而努力。
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