時間:2023-06-12 16:09:21
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關鍵詞 機電一體化系統設計 工程應用 創新能力 實踐能力
中圖分類號:G420 文獻標識碼: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
機電一體化系統設計涉及機械、電子、計算機、自動控制及信息處理技術、系統工程、檢測傳感技術、伺服傳動技術等多學科領域,是機械工程專業學科課程群中的核心課程。本課程技術含量高,內容更新快,要求學生能綜合運用機械、電子、控制與信息處理等多學科的知識,完成對系統的分析、設計、優化等一系列過程,具有很強的綜合性和工程實踐性,相比其它專業課程而言,課程建設和教學改革面臨更多問題,具有更大難度。
目前課程建設中存在的主要問題有:①教學內容過分側重于工程科學理論知識的灌輸,缺少工程分析設計的實踐過程,遠遠不能滿足工程應用要求;②教學模式基本還是傳統的以教師傳授知識為主,學生被動學習的模式,“以教師為中心,以課堂為中心,以書本為中心” 的單向灌輸式教學模式方法仍然占據主導地位,學生動手解決實際工程問題的機會很少。以上問題使得學生理論知識與工程實踐相脫離,實踐能力和創新能力薄弱,不能適應現代化經濟建設和工程技術發展的要求。
1 課程教學改革研究
我校自1999年開設機電一體化專業方向以來,一直對《機電一體化系統設計》課程建設和教學改革進行了不斷的探索,現將教學內容和教學模式改革的過程小結如下:
1.1 教學內容改革
高檔數控機床和基礎制造裝備是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》16個重大專項之一,也是國家振興計劃的重要組成部分,因此在教學內容設置上,緊跟這一重大決策,響應國家戰略需求,將典型的機電一體化系統――數控專機系統設計專題作為主要內容,在前續課程所講授的理論知識和工程應用實例基礎上,教師指導學生結合工程實例,對機電一體化系統,特別是數控專機系統的設計過程進行較系統完整的學習,并循序漸進地進入實際設計過程,并最終完成數控專機的方案設計和優化、各元部件選型、軟件流程圖、電氣原理圖等所有理論設計和功能模塊細部設計過程。教學所用的工程設計案例大部分來自學校教師所承擔的實際科研項目,如數控電焊專機設計、錐齒輪傳動質量智能檢測分析系統設計、數控彎管機控制系統設計等,避免了空泛地照搬教材進行照本宣科,而是由教師指導學生在設計過程中自主查閱、了解相關知識,進一步掌握相關技能,并將所學所得結合實際設計過程進行鞏固,在此過程中,教師將自己的設計思路、方法和經驗毫無保留地對學生進行傳授和討論,從而實現對學生自學能力、創新能力、實踐動手能力等機電復合型工程技術能力的培養。這對于在校學生來說是非常難得的學習和實踐的機會,也真正體現出課程面向社會需求、面向工程應用的實質。
1.2 教學模式和教學方法改革
本課程是一門面向工程應用,分析解決實際工程問題,對“系統”進行“設計”和“整合優化”的專業核心課程。因此在教學中指導學生始終要以系統工程的角度出發,以整體全局性的高度,對所設計的數控專機進行化整為零、化繁為簡的分析,將一個大系統的設計任務分解為各個子系統乃至各個單獨的功能模塊和功能部件的設計和選型,再經過接口設計,將各功能模塊有機地融合在一起,組成一個整體性能高于各部件之和的完整系統。
在教學過程中,始終堅持面向工程應用,以學生為主體的模式,課堂時間主要用于重要理論和技能、關鍵問題和練習作業的學習和討論,其余所需知識技能交由學生課后通過圖書館、網絡等查閱設計案例、論文、產品技術手冊等相關資料和自學完成,同時學習運用一些常用設計工具,并通過作業和小組討論等方式進行鞏固,有疑難問題可提出并在全班進行討論,最后在教師指點下得出正確結論。這種以具體工程設計任務為教學主線的方式讓學生明確意識到課內外所學知識技能在實踐生產中大有用武之地,認識到教師布置的作業均是完成設計任務必需環節,從而大大提高了學生的學習積極性,使其在課堂上的注意力非常集中,課后能根據任務所需而主動自發地進行學習和討論以完成任務,而不再像以往那樣由于不明白所學知識具體有何用處而造成理論和實際脫節,甚至產生忽視和厭學心理。在此過程中學生逐漸認識到自己理論知識上的薄弱點和缺少的實踐經驗,有針對性地學習參考相關理論知識和前人的方法經驗,彌補以往知識技能系統的缺失環節,并能及時將所遇到的問題及心得體會在課內課外與教師和同組同學進行交流討論,最終較系統完整地完成對各相關知識和技能進行總結,并在工程項目中綜合應用的過程。
本課程是涉及到機械、電子、控制、信息等多學科知識和技術的一門交叉課程,在課堂教學環節,普遍出現的情況是將本課程作為前續課程中“機”、“電” 、“控制”等學科知識的簡單組合和回顧,導致本課程應具有的系統性、綜合性、實踐性不能體現,與其余專業課程間也無法形成科學合理的承接脈絡。改革教學模式和方法后,以整個工程設計過程為主線,將所涉及到的各學科關鍵理論知識,進行系統性邏輯性的梳理,形成清晰的脈絡和層次,并指導學生在完成設計任務的過程中,有意識地綜合運用所學知識、工具和技能,達到學以致用的目的。
例如,在講授“機械子系統設計”章節時,把握住“各子系統有機融合”這一本質,讓學生不僅掌握書本上陳述的對機械系統的性能要求等知識點,更要明白這些要求的提出不是孤立地從機械系統本身穩定性、快速性、準確性等性能指標出發,而更要從控制系統、伺服驅動系統與機械系統有機結合的角度來看待。通過運用經典控制理論中的時域分析和頻率分析兩種方法,了解機械系統參數中系統阻尼比和無阻尼固有頻率這兩個最基本的參數,對機械系統參數變化引起的控制性能變化的過程、原理進行分析推導,同時通過課堂上采用MATLAB對系統進行設計與仿真的實例演示,使學生了解這一控制設計領域的經典工具,經過教師指導和課后自學,掌握該軟件的基本使用方法并在設計中加以運用,從而將控制工程領域的相關知識、技能與機電一體化系統設計任務緊密聯系起來。
又如,在進行“伺服驅動系統設計”章節的教學時,通過課堂討論和課后作業,讓學生將伺服驅動器、變頻器等驅動系統,以及交直流伺服電機、步進電機、力矩電機等常用伺服電機的性能、特點、應用場合、性價比等主要指標逐一進行分析和比較,針對數控專機任務要求設計合適的驅動方案,并查閱技術資料,完成電機選型計算以及電機與驅動器的接口設計,從而將前續課程所學的機電控制知識通過設計任務進行系統完整地運用。
再如,在“控制系統設計”環節,教師通過簡要講解和演示PLC梯形圖編制、單片機編程和仿真、VB/VC++或LABVIEW等高級語言編程驅動運動控制卡等控制實例,使學生了解各控制系統的軟、硬件組成及其設計過程和設計方法,課后自行查閱資料,對各種控制系統的優缺點、最新應用現狀和發展趨勢進行分析總結,設計出合適的控制方案,并在課堂演示實例基礎上,學習運用相關工具,進行初步的控制系統軟、硬件設計。
運用以上教學模式和方法,使學生在系統性地了解基礎理論和技術的基礎上,迅速地掌握關鍵理論知識和必要技能,并有效地在工程設計項目中加以應用,在培養學生自學能力、創新能力和理論聯系實踐的能力方面頗有成效,為其今后的工程應用和技術研究工作打下了良好的基礎。
2 結論
我國政府在2006年初已將建設創新型國家確立為一項重要的戰略目標,高質量的工程科技人才正是建設創新型國家的重要力量。我國高校機電一體化專業必須積極面向社會的迫切需求,以培養能滿足產業需求、具有較強創新能力和綜合能力的機電一體化科研技術人才作為最重要的工作目標。本文對機電一體化專業的核心課程――機電一體化系統設計的課程內容建設和教學模式方法改革進行了探討,提出了面向產業需求、面向工程應用、以典型機電一體化系統――數控專機設計過程為教學主線,以學生為主體,以學生參與實際設計的過程為教學重點等改革措施,以期逐步構建科學合理的課程內容體系和教學模式,實現培養學生的工程素質、提高學生實踐能力和創新能力的目標。
基金資助:重慶市重大教改項目“以培養學生工程設計能力為目標的機械工程系列核心課程教學改革研究與實踐(09-1-005)”
重慶理工大學高等教育研究立項項目 “《機電一體化系統設計》課程教學改革研究(2010009)”
參考文獻
[1] 崔軍,汪霞.反思目標 回歸本質――本科工程教育問題分析與改革對策[J].江蘇高教,2009(4).
【關鍵詞】機械數控專業 現代化 實踐 探索
一、專業現代化建設背景
隨著全球“制造中心”向中國的轉移,越來越多的制造企業需要有文化懂技術的“技術藍領”。而寧??h是“中國模具生產基地”和“世界文具生產基地”。全縣擁有模具企業1700余家,數控機床420余臺,加工中心250余臺,制模技工3萬余人,年產值30多億元,中國8%的模具產自寧海。全縣共有文具生產企業近300家,年銷售額達20多億元。另有五金工具企業300多家,年產值20多億元;汽車配件企業近100家,年產值達10億元。隨著模具行業的發展,需要大量的數控技術工人,每年需增加數控技術工人3000余人。寧??h職業學校機械大類專業和職業技能培訓機構的招生十分紅火。據縣科技局統計、預測,至2007年該縣企業對數控技術工人的年需求總量超過1萬人,迫切需要建立一個大型的設施設備齊全的數控技術教育實訓基地,成為長三角地區數控技術人才的輸送基地與儲備庫。培養急需的現代化數控技術人才,職校義不容辭擔當此重任。由此可見專業現代化建設是培養現代化技術人才的核心,也是現代職校核心競爭力的標志之一。
二、專業現代化建設實踐
(一)實驗實訓設備現代化
該?,F擁有專業基礎實驗室4個,專業課實驗室11個,實驗實訓設備總值321萬元,其中萬元以上儀器24臺?;A實驗室內配置了Auto CAD2000、精雕雕刻仿真系統和浙大辰光銑削加工仿真系統的軟件,分為Auto CAD電腦房、精雕造型室、CAD/CAM編程室和電子閱覽室,提供學生CAD制圖、精雕編程、造型和cimatron編程、造型和模擬仿真。專業課實驗室有3個鉗工實習工場,200個工位、鉆床20臺、砂輪機1臺,能提供200名學生同時鉗工實習;1個數控(精雕)加工實驗室,5臺精雕數控機床,學生將編好的程序上機操作,同時對外加工;1個浙大數控模具加工實驗室,1臺浙大辰光CGM6500機床和5臺浙大辰光CGM4300機床,學生將編好的程序上機操作或直接手工編程操作;1個數控加工中心實習工場,臺灣高峰加工中心機床,學生編程操作;建有車工、銑工、刨工、磨工、電加工實驗室各1個。
(二)師資隊伍現代化
職業教育現代化,教育、教學及生活設施的建設是物質基礎;教育體制、辦學模式的改革是關鍵,課程與教學改革是核心,而師資隊伍建設是根本。寧海職教中心專業師資以本校教師為主,同時聘請高校教授和企業技術骨干為補充?,F有專任教師27人,其中高級教師3人,雙師型教師24人,已有6人取得高級技術等級證書。3名教師獲得美國Auto Desk公司的CAD輔助設計培訓師資格證書。外聘教師11人,外聘教師中具有高級技術等級的教師有8人,形成了一支專兼結合、精干高效的專業師資隊伍。主要表現在以下幾個方面:
1.教師的科研能力
機械專業是該校的龍頭專業,專業教師通過課題研究開闊了視野,提高了業務水平。每年承擔兩個以上校級課題、兩個縣級課題和一個市、省級課題,同時還進行校本教材開發和參與縣重大課題的合作研究。近三年共有48篇專業教學論文在縣論文評比中獲獎,28篇論文在市教研室論文評比中獲獎,8篇論文在省級以上學術性刊物公開發表,2部科技著作出版,已完成1項省級以上教學科研課題,2項市級課題?!毒衲J綄嵺`的研究》獲浙江省第二屆教學成果二等獎、寧波市政府教學成果一等獎、全國第五屆職教優秀論文一等獎?!斗謱咏虒W實踐與探索》獲寧波市政府教學成果二等獎。該校教師編寫的機械類專業復習訓練——基礎理論和基礎理論綜合測試卷校本教材被上海東方激光教育文化有限公司采納,由中國大地出版社出版,并向全省乃至全國推廣。
2.專業技能
為提高專業技能水平,專業教師利用寒暑假參加浙大數控辰光培訓、車工培訓、鉗工培訓、CAD培訓和下企業實訓。4人取得鉗工高級工資格證書,2人取得高級計算機操作員證書,19人取得中級車工資格證書,9人獲得中級鉗工證書,3人具有AUTOCAD軟件認證教師資格證書。在縣、市各項技能競賽中取得好成績。1名教師在市教師技能競賽中榮獲一等獎,3名教師在市教師技能競賽中榮獲二等獎。30人次教師在縣技能競賽中獲獎。
3.教師的培訓
該校一貫重視教師培訓和教學業務水平的提高,2000年職代會上通過了《師資隊伍培訓規劃》,力爭在2005年前專業基礎課教師達到本科學歷或中級職稱,雙師型教師達到85%以上,實習指導教師達到高級工或技師水平。目前該校已提前達到該目標。通過校本培訓、研究生進修、學歷提升、國內外考察學習,培養具有國際視野和國內職教領先技術的教師;通過下企業實訓,提高教師實踐操作能力和解決實際生產問題的能力;通過課題研究,提升教學水平;派學科帶頭人到德國接受“雙元制”模式培訓。經過一系列的培養培訓使教師知識得到了優化組合,一批教學能手脫穎而出。
(三)辦學模式現代化
1.校企合作(緊密型)
走出校門、開放辦學,成立專業委員會等,以打開局面,與企業、行業聯合辦學,建立起以聯合促發展,以科技促教學,把生產轉化為利潤,用利潤增強辦學實力的良性循環,是職業學校辦學的方向。
(1)“精雕模式”是以校企合作教育為前提,借鑒和吸收德國“雙元制”模式和寧波職業技術學院“敏孚”機械系校企合作模式,抓住校企合作教育的關鍵點——共同育人,北京精雕公司負責提供軟件、設備、指導老師和培訓專業教師,并與該校教師一起制訂教學計劃、編寫教材,把最新的研究成果寫進教材,及時傳授給學生,按照企業技術人員操作規范進行實驗操作,這樣培養出的學生具有很強的頂崗能力。該校把優秀的學生輸送送到公司,作為公司的技術員為客戶服務,同時該校還利用精雕設備為其他學校制作?;?、校牌,并為企業提供加工服務,這樣不僅創造一定的利潤,更重要的是提高了學生的操作,技能和頂崗的能力。利用企業的先進設備,根據企業要求開展訂單培訓,向企業輸送技術人員。三年來,該校向北京精雕公司輸送了200多名優秀畢業生。
(2)與寧波雙林集團的聯合辦學,借助模具廠的設備與工作實踐環境,將課堂搬到企業車間,學生走進車間,為學生提供平時課堂實踐的模擬教學與預崗實習的鍛煉機會。
(3)該校利用現有設備,為一些模具廠開展對外加工服務,使企業生產走進課堂。校企互相提供信息服務和技術援助,同時為企業與學生就業搭建一個雙向選擇的平臺。
2.與名校合作辦學
該校采取“上靠、下掛、橫聯”的多維合作形式,積極與高等院校、兄弟學校開展“3+X”、“2+Y”模式的教育,實行資源整合,優勢互補,在校際合作上不斷創新辦學形式,積極開展中職與高職銜接的教學實踐。如:與浙江大學合作建立浙江大學數控模具寧海培訓基地;與寧波職業技術學院聯辦“3+2”機電一體化專業和模具設計與制造專業;與寧波技師學院聯辦“2+4”機械工程專業;與陜西省建筑工程中專機械專業聯辦“2+1”機械專業,為中西部大開發培養緊缺的復合型人才。該校是全國中西部聯動教育合作顧問單位,在省內溫州、泰順縣, 省外陜西、貴州等地設有教學點。
三、主要成果通過數控專業現代化建設已取得較好的效果
(一)機械專業不斷提升
目前機械數控專業是該校重點專業,縣骨干專業,市現代化專業、省示范性專業、市首批高技能(數控技術)培訓基地、浙江大學數控模具寧海培訓基地、國家數控技術應用專業技能型緊缺人才培養培訓基地。畢業生就業、學生技能操作、高職考成績和社會培訓等方面初見成效。
(二)課程體系改革和校本教材的開發碩果累累
該校按照培養機械數控技術人才的要求,以理論知識的應用和實踐能力的培養為重點,適應用人單位和個人發展的需要,借鑒“寬基礎、活模塊”模式,尤其是校企緊密型合作辦學模式——精雕模式,對該校機械專業課程體系和教學內容進行了實質性的改革,同時采用選修課、分層教學、項目教學等教學模式,使各個階層的學生得到發展。該校還根據現有教材的現狀和職高生的特點以及該縣產業的需求,該校開發了四類校本教材——技能操作類:精雕雕刻軟件JDPaint簡明教程、鉗工生產實習習題冊、AutoCAD上機指導及練習、數控機床加工及編程;專業基礎知識類:數控機床操作入門、計算機基礎教程及練習冊;健康成才類:心理健康教育讀本、心靈故事、成長之路;高職類:機械類專業復習訓練基礎理論和綜合測試卷集。
(三)畢業生供不應求
近三年累計畢業生908人,平均一次就業率100%,許多畢業生已成為當地企業的技術骨干,有的畢業生已走上創業之路,成為當地致富的帶頭人。殷永生同學已成為寧波貝發集團有限公司技術總監兼任集團公司體系管理者代表,主要負責集團公司新產品研究開發、工程技術管理、產品質量管理、模具設計制造管理等。陳有甫同學進入雙林公司后,由于技術過硬,工作出色,現任雙林公司總部工程技術副部長,分管公司的模具和新產品開發工作。柴振炎同學畢業后自主創業成為寧海電子電線有限公司總經理。婁天鴻現任天鴻文具有限公司總經理,年產值達5千多萬元。
(四)學生操作技能成績突出
初級資格證書合格率100%、中級資格證書合格率95%以上。在各級技能競賽中成績名列前茅:省部級二等獎1項;市局級一等獎2項,二等獎4項,三等獎1項;縣級一等獎25項,二等獎21項,三等獎15項。經常代表寧??h參加市技能競賽。
(五)利用專業優勢,開展“訂單培訓”
時至今日,機械、精雕專業師生開展了5次科技下鄉活動,共培訓學員308名,其中283名順利走上了工作崗位。根據企業需要共培訓中級鉗工500名,合格率達100%。CAD制圖培訓共開展10次,人員達600名。2003年7月,開展了為期兩個月的數控機床操作培訓,共培訓30人。
四、專業現代化建設的展望
機械數控專業近幾年在現代化專業方面已取得一定成效,在同類學校中已處于領先水平。建設好現代化專業,有利于促進機械專業的進一步做精做強,有利于培養更高規格的機械數控人才,有利于促進產業經濟的更大發展。因此,該校將以機械專業為龍頭,帶動各產業的連續、滾動發展。經過幾年打造后成為當地拳頭專業,在完成寧波市現代化專業、省示范性專業建設的基礎上,逐步把它建成國家級示范專業和先進制造業人才培養基地。這就必須在師資隊伍、實驗實訓設備和基地建設上繼續努力。
(一)師資隊伍建設規劃
到2007年,文化公共課教師和專業基礎課教師達到本科學歷或中級職稱,“雙師型”教師達到100%,實習教師達到大專以上學歷和中級工或高級工資格;繼續引進和聘任一批具有多年數控生產實踐經驗的技師、高工擔任實習教學和就業指導輔導員,繼續打造一批學科帶頭人、骨干教師和名教師,建成一支校企聯合的專兼結合的教師隊伍。
(二)實驗室和實驗工廠建設規劃
該校在原有設備的基礎上今后三年將繼續分期投入800萬元,建立機械數控系列實驗室和生產型數控加工實驗工廠,擬建數控車削實驗室,內配10臺數控車床;擬建數控銑削實驗室,內配10臺數控銑床;擬建生產型數控加工實驗工廠,內配加工中心各1臺;數控深孔鉆床1臺、電脈沖3臺、數控慢走絲線切割1臺、線切割2臺、中捷搖臂鉆床3臺、行車(5噸、10噸)各1架、磨床1臺。此外,加強校外實習基地建設,在原有三大實習基地的基礎上,在寧海范圍內再建立3~5個機械實習基地。
(三)人才培養培訓規模