面向新工科的《機電傳動與控制》課程多維立體教學模式改革研究

呂曉玲 高春艷 張明路 李慨

(河北工業大學機械工程學院 天津 300130)

當前，國家推動創新驅動發展，實施“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等重大戰略，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展。新產業的發展，要靠工程教育來提供人才支撐。反過來講，工程教育改革如果滯后，對產業升級進程，不僅不能支撐、服務，而且還會拖后腿。

新工科建設既是當前經濟社會發展的迫切需要，也是國家應對科技革命和產業變革的迫切需要，更是高等教育改革創新的迫切需要。對高校來說，新工科專業是以智能制造、云計算、人工智能、機器人等用于傳統工科專業的升級改造，實現更新的理念、更好的模式、更高的教育質量。相對于傳統的工科人才，未來新興產業和新經濟需要的是實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。

由此可知，在新經濟背景下，新工科的提出，為發展我國工程學科提供了全新的視角，也為我國工程教育發展、人才培養提出了新的要求：不單要求高校培養具有扎實的基礎能力，更需要有跨學科思維、創新意識的人才，才能夠應對未來的挑戰[1-2]。

新工科背景下，高校的專業課程教育模式要有能夠深入一線師生的理念，因此，必須在充分理解新工科理念的基礎上，持續深化課程教學模式的改革和探索，為人才培養提供有力的保障。

1 新工科形式下《機電傳動與控制》課程教學模式改革的必要性

智能時代，是世界大勢所驅，諸國爭鋒。智能制造業是實施制造強國戰略的重要行動。新工科，為中國的智能制造業提供源源不斷的動力?！稒C電傳動與控制》課程作為機械電子工程專業教學計劃中專業基礎課，是專業核心課程之一，是機電一體化人才所需電知識結構的驅體。

目前，《機電傳動與控制》課程教學與新工科的要求有一定的距離，該文對教學模式進行改革，以期達到提高人才培養質量的目的，與新工科的人才需求相匹配。

多維立體教學模式[3-4]是由多教學因素組合而成的一種多維性立體結構，是一種新型的、全面的、在理論和應用上都具普遍性的課堂教學模式，多因素有機地統一起來，有利于調動學生的學習興趣，提高教學效果。

面向新工科的《機電傳動與控制》課程采用多維立體教學模式，以立體教材為基礎，采用多學科交叉融合、以工程項目為驅動、融入課程思政的多維教學方法，多種教學方法和手段充分整合各種教學資源，使教學充滿生機和活力。多維教學模式有利于激發學生學習興趣，工程項目鍛煉了學生自己獨立思考問題的能力、知識運用的能力，使學生對理論知識的理解更深刻，大大提高學生解決復雜工程技術問題的能力。同時，融入課程思政能激發學生的愛國情懷、責任感及使命感。以新工科為背景的多維立體教學模式的實施，對提高學生素質、提高課堂教學質量有重要意義。

2 課程改革實施方案

面向新工科的《機電傳動與控制》課程多維教學模式，具體實施方式如圖1所示。

圖1 多維立體教學模式

2.1 新的立體教材建設

新工科有兩個內涵：一是新的工科專業；二是傳統工科專業的新需求[5]。新工科建設，都需要適用于新工科教育的教材作為支撐。

通過調研發現，目前開設《機電傳動與控制》的高校，教師用的教材內容幾乎都是清一色的理論知識，現代工業背景下的實際應用案例少，與新工科培養人才的理念相比較，教材的內容是缺失的。

因此，積極推動補充教材的編寫，擬加入電機現代控制技術及其在不同前沿行業中的應用案例，結合前沿熱點知識更新教學內容。補充教材以“重視理論，加強工程思維培養，突出案例和實踐應用”為主要目標，處理好理論與技能培養的關系。

做好立體化教材建設，配備微課、微視頻及仿真模型的交互操作等擴展資源，立體地展現課程中的重難點，可為學生帶來完美的學習體驗。

2.2 多學科交叉融合教學

科研是探索未知世界或者解決實際問題，而未知世界和實際問題是不分學科的，科研的突破點往往就是學科學交叉，而學科交叉，有利于學生創新能力、科學思維能力的培養[6]。

專業基礎課程相對獨立，學生在單門課程學習過程中不清楚學習和訓練目的，導致多門課程之間脫節，培養的學生綜合能力不夠全面。新工科建設的本質是新技術的融合、新學科的交叉，在學生的培養過程中需要給他們不斷樹立學科交叉融合的理念。

跨學科課程的設計與實施已是“新工科”發展的必然要求，《機電傳動與控制》課程擬采用“多課同堂”的教學組織形式，以促進跨學科專業主干課程有機融合，形成新型跨學科教學模式。

例如：《機電傳動與控制》與《機器人技術》課程的有機結合：電機可以用于機器人的控制中，以機器人為應用實例，引入電機控制，有機地把兩門課結合起來，有效地調動起學生的積極性。這不僅僅是形式上的交叉，而是要有融合發展、育人的思路，真正地把學科交叉融合落實到人才培養上。多學科交叉教學模式，增強了學生對學科知識的理解和認知。

2.3 前沿項目驅動

以前的課程應用導向不明確，授課的方式是傳授理論，在PPT、板書上傳授知識，然后再進行案例的講解和實驗。事實上，學習的目的在于應用，學以致用，“用”明確了，學的才有動力，所以導向性的重要性不言而喻。

將該學科的新思想、國際前沿學術動態以及教師的科研成果引入教學。將教學中的知識點與科研實踐相結合、與實際生活及工程問題相聯系。教學內容要根據學科發展不斷迭代更新，通過查閱、研討該領域的新案例、新成果，培養學生跟蹤前沿、不斷創新的能力。新的課程教學方法能更好地結合工業應用場景，課程以引入工業應用中的案例為起點，以需求導向、引入“項目制”教學，教學模式轉變為：以解決工程問題的工程實踐為學習訓練載體，實現科學知識、工程知識和工程技能的融會貫通，學生實現“做中學”，這種模式更加貼近人類學習的本能。

教學過程中，項目的設計和選擇尤為關鍵，緊跟前沿技術，把企業的痛點需求設定為驅動項目。因此，建立新型人才的培養模式，勢必需要企業的加入，針對企業提出的項目需求，引導學生去解決，學生需要在參與項目的過程中自主學習所需要的知識，在任課教師的指導下完成需求調研和產品模型制作等，撰寫項目工作報告以及產品設計說明書，最后利用PPT 進行成果展示。

這樣培養出來的學生也會更接地氣，符合企業的需求，鍛煉了學生的面向復雜工程項目獨立思考的能力、實踐動手能力及自主學習力。

2.4 考核評價方式的優化

評價方式突破期末考試模式限制，實現課內、課程與論文環節、課程與工程項目的融合貫通。

期末考試采用傳統方法，衡量基本理論知識的掌握情況。工程實踐環節根據設計思想的正確性，設計方案的合理性，利用專業知識解決實際工程問題的能力及成果的創新性、自主學習能力等方面進行評價。論文環節根據文獻研究、資料收集與信息分析情況，論文的規范性、正確性等因素進行考核。多類型綜合的考核評價方式既能充分激勵學生，又能體現考核評價的客觀性。

3 課程改革實施過程及效果

課程組依據實施方案，對《機電傳動與控制》的教學過程進行改革，取得了一定的效果。

3.1 新的立體教材建設

設計仿真模型，將前沿實例引入《機電傳動與控制》課程中，同時也進行了補充教材的編寫。微課將課堂教學內容的精華部分進行提取，并打破傳統課堂教學時間和空間的限制，將《機電傳動與控制》課程課堂教學中多個知識點(教學中重點、難點內容，如三相異步電動機工作特性等)的教學過程錄制下來，制作成微課發給學生。這樣可以彌補課堂教學的不足，學生可以隨時隨地、反復地進行學習，受到學生好評。

3.2 多學科交叉融合教學

《機電傳動與控制》與《機器人技術》課程的有機結合：以機器人為應用實例，引入電機控制，有機地把兩門課結合起來，這不僅僅是形式上的交叉，而是要有融合發展、育人的思路。能實實在在學到知識，且能夠有效融合應用，體現自我價值，是每一位同學的心愿。學習現場，學生樂在其中，積極性大大提高。圖2是機器人-機電技術現場教學。

圖2 現場教學

3.3 前沿項目驅動

3.3.1 前沿講座

針對以前普遍存在企業需求不能有效傳導至教學環節的現象，對行業需求的思考不夠及課程內容的時效性滯后于企業對專業人才的需求等問題，緊跟前沿技術，圍繞學生興趣點濃厚的機器人，結合企業的痛點需求，在教學前期開展兩次講座，重點講述機器人系統的機電控制系統，激發和引導學生的學習興趣，并推動形成學習機電傳動控制的熱情。

3.3.2 現有實驗項目改革，利用原教學實驗臺進行傳統實驗項目

鍛煉學生的基本操作能力，包括進行電機基本控制、調試實驗等，側重講解電機和控制元件的安裝使用方法。如電機的接線、控制元件的接線、如何使用等?；究刂凭€路實驗則側重鍛煉學生元件選用安裝能力、組建控制線路的能力和實驗系統的操作能力。重點學習電機實驗基本要求和安全操作注意事項；練習直流他勵電動機的接線，驗證、掌握啟動、調速方法。

3.3.3 增加科學綜合實驗項目

以需求為牽引，使學生從外部要求轉變到內部驅動式的學習。從對具體題目和問題的方案探求中，自主學習解決問題相應的知識和手段，充分啟發學生的求知熱情。

針對當前機電系統（含智能化裝備、自動化生產線、智能化生產線等）的主流控制形式，結合科研案例，開發并組建相應的實驗項目，題目舉例如下。

例1：面向3C 產業的工業機器人機電控制系統設計與安裝。

例2：特種機器人機電控制系統設計與安裝。

綜合性項目環節采用啟發式教學，激發學生主動學習的興趣，培養學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力，引導學生主動通過實踐和自學獲得自己想學的知識。圖3是學生學習機器人工程項目圖。

圖3 學生學習機器人工程項目

3.3.4 創新性作業的布置

創新性作業的布置，拓展學生的知識面。教師根據科研實際，給出應用工程背景，布置創新性作業，讓學生了解在工程實際中應該解決的問題，調動并形成強烈的學習動機，使學生增加學習興趣，解決原來存在的厭學的問題。在要求學生掌握機電傳動與控制的基本理論的同時，引導學生主動通過實踐和自學獲得知識，激發學生學習的積極性和主動性。鼓勵學生根據自己的特長、興趣查閱文獻，提出案例參與課堂討論、分析，并充分利用實驗室開放資源，將自己的案例進行實踐，培養學生分析問題、解決問題的能力。

4 結語

任何一門課程都有其最基本的培養目標，培養學生具備一定的知識、能力、素質，應對課時壓縮、知識量增大的課程改革，無論教學方式怎么改，課程的基本培養目標不能變，這是改革的前提和成功的保證。

多維立體教學模式的實施，學生動手、動腦，主動思考及解決問題的意識大大提高，結合工程項目，讓學習有用武之地，學生的內驅力提高了，很多問題迎刃而解了。作為教師，最高興的事莫過于，所教課程學生愿意聽、愿意學，學有所成。

面向新工科的《機電傳動與控制》課程多維教學模式采用多種教學方法和手段，以立體教材為基礎，融合多學科交叉及工程項目為驅動的實踐教學，充分整合各種教學資源，融入課程思政，形成有理論、有實踐、有思想的多維特色教學模式。

以新工科為背景的《機電傳動與控制》課程多維立體教學模式改革，使學生對理論知識的理解更深刻，對工程項目更感興趣，學生的理論學習和工程實踐能力都得到了提升。