“机电一体化设计基础”课程教学内容创新设计分析

摘要：针对当前“机电一体化设计基础”课程的教材和教学内容与先修课程重复率高、教学难度大的问题，提出了科研项目纵贯整个教学过程、理论联系和学习新技术、适当引入和介绍实用的专业软件等方法，对教学内容进行创新设计，在高年级机械设计制造及其自动化专业学生中收到了良好的教学效果，能为学生进行专业课程设计和毕业设计提供帮助，使学生更好地适应社会人才需求。

关键词：机电一体化；教学内容；创新设计

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0094-02

“机电一体化设计基础”是很多高校为机械设计制造及其自动化专业高年级本、专科生所开设的一门专业课，旨在为高年级学生理清前三年的各专业课间的关系，能够以系统的观点和方法去分析和设计机电一体化系统，一般应为原专业基础知识的巩固和加深。但是又因为其包络了前面学习阶段学过的多门课，教材大而全，教学难度大，容易落得泛而不精、学生学习兴趣低的教学结果。笔者通过总结多年的“机电一体化设计基础”课程教学经验，提出了几种对此课程教学内容进行创新性设计的方法，供同行参考。

一、创新设计的方法

1.具体科研项目纵贯整个教学过程

一般“机电一体化设计基础”课程的教材和教学内容逐个介绍机电一体化系统的各个子系统的设计内容、要求、方法等，每个子系统对应于一章的内容，比如说机械系统、执行元件系统、微型计算机控制系统等，[1]因每章内容讲求系统全面，内容众多，这就造成了章与章之间缺乏有机联系，使得学生学起来对整个机电一体化概念缺乏深刻和系统的认识。而实际机电一体化产品或系统是机械技术、电子技术、信息处理技术有机结合的产品，各部分不可能完全脱节。为了解决以上问题，笔者探究了一种以自身科研项目为主导的教学脉络的机电一体化教学方法。

微机电系统是机电一体化系统发展的一个重要分支，对于大多数本科生，在学习本课程之前一般都没有接触过，是一个较新而且又容易勾起学生兴趣的一个概念。笔者选择适时在第一章介绍机电一体化发展方向时提出，这个是一个机电一体化发展到某一高度的重要产物，并介绍了笔者曾经主持的科研项目“体内胶囊微机电系统的研制”。笔者研制的体内胶囊微机电系统是综合应用当今先进制造技术、电子技术和计算机控制技术的产物，它是采用了小尺寸的机械和电子元器件制造出来的、体积微小的机电一体化系统，系统的尺寸单位一般以mm计算。[2]它能通过图像传感器采集体内消化道图像，并且无线发射到体外计算机接收。笔者简要介绍了系统的组成（如图1所示），并配以丰富的图片和视频介绍系统工作效果，立刻吸引了学生的注意力。又因为微机电系统技术包含了传感器技术、信息技术、机械及材料技术等，随着本课程学习的深入，在课程的后面更加详细地阐述每一个相关的技术具体所涉及的内容，同学们会对此系统有更深刻的了解。在这里就凭借科研项目打开了学生机电一体化技术学习的大门和使得它纵贯整个教学过程，使得教学内容成为一个有机整体。

2.理论联系和学习新技术

“机械工程测试技术”课程中曾经介绍过传感器的相关技术，在“机电一体化设计基础”的教材中也出现了“微机控制系统及接口设计”这一章，里面通过很多表格罗列了位移传感器、速度传感器、温度传感器等常用检测传感器的性能特点。但是课程这里又不能只是重复讲述以前所学知识，所以笔者考虑加入适当内容，对传感器知识进行拓展。

上文提到的微机电系统中含有图像传感器，它与一般的传感器不同，它是以芯片集成的方式出现和应用的，在先修课程“机械工程测试技术”中一般都没有涉及。先修课程介绍的常用传感器的原理及应用场合都比较简单，基于电阻、电容、电感原理测量应变、力、温度等等，属于传统的分立电子元器件，集成度低。但图像传感器现在与日常生活及生产的联系越来越密切，广泛应用于图像采集装置，比如手机摄像头、数码相机、监控防盗器材、机器视觉等等。图像传感器能将光信号转化成电信号输出，按照其制造工艺分为CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor）图像传感器和CCD（Charge Coupled Device）图像传感器，按照其输出信号类型分为模拟型图像传感器和数字型图像传感器，各有优缺点和相应的应用场合，如表1所示。在课程一开始提到的内窥微机电系统为什么采用CMOS图像传感器呢？这是因为CMOS图像传感器相对于CCD图像传感器有集成度高、体积小、功耗低等特点，所以尤其适合于对体积和功耗有特殊要求的微机电系统中。[3]

又比如电阻传感器与电容传感器，是根据传感器测量原理划分的两种常见传感器，它们分别将电阻和电感这种非电量的变化转换为电压或电流电参量的变化。学生们日常生活接触到的实际例子就是智能手机的触摸屏。智能手机手机触摸屏分为电阻式触摸屏和电容式触摸屏，它们分别应用于早期的廉价智能手机（比如5800XM）和新型智能手机上（比如iPhone），其实质就是分别对应于电阻式传感器和电容式传感器，其原理如图2所示。电阻式触摸屏当手指按在触摸屏上时，该处两层导电层接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，然后送触摸屏控制器。氧化物电阻随时间变化，需要经常校正；透光性较差，不能实现多点触摸。电容触摸屏只采用单层的ITO（由铟锡氧化物构成透明导电材料），当手指触摸屏表面时，就会有一定量的电荷转移到人体。为了恢复这些电荷损失，电荷从屏幕的四角补充进来，各方向补充的电荷量和触摸点的距离成比例，由此推算出触摸点的位置。[4]电容式触摸屏因为其不存在漂移和支持多点触摸，已经在日常生活中逐渐取代了电阻式触摸屏，这就引导学生在日常生活中灵活运用课堂知识，增强了对课堂知识的认受性和学习的兴趣。

3.适当引入和介绍实用的专业软件

大学早期阶段一些与专业相关的软件没有在课堂上面介绍，影响了学生今后在专业上的进一步发展和应用专业知识的能力。笔者建议在高年级学生中适当引入和介绍以下专业软件。

（1）ANSYS软件。应用相关软件可以大大方便机械结构的受力和变形分析。ANSYS软件可以用有限单元法分析结构静力学问题、结构动力学问题、温度场、流体力学等。有限单元法是当今工程技术领域中最常用最有效的数值计算方法，此软件是现代工程设计技术中的重要软件。[5]可以应用ANSYS软件分析课程中提到的胶囊微机电系统在人体中的受力情况，从而为微机电系统的材料选择和尺寸确定提供参考。

（2）MATLAB软件。学生虽然学习了高等数学、线性代数等数学知识，但是如果遇到复杂的计算问题，手算过程往往繁杂并且容易出错，因此借助相关软件就可以准确并且高效率地解决某些数学问题。MATLAB软件是工程技术领域常见的计算软件，通过它可以方便地求微积分、求解方程组、作出数学图形等。[6]通过应用MATLAB软件，计算机再不是简单的计算器，而是辅助工程计算的有力工具。

（3）Protel软件。设计电路、画电路图用AutoCAD软件局限性较大，作出来的电路图很多不符合电器标准，或者很多元器件绘制困难、作图效率低。Protel软件是一款常见的电气工程计算机辅助设计软件，包含众多的元件库和电子资源，能够轻松高效作出标准的电路图。[7]其一般只在电类专业中学习，但是机械类专业尤其是机械设计制造及其自动化专业，因为学科的交叉发展和社会上综合性人才的需要，学生往往要从事机电一体化产品的设计，不仅要懂得机械结构的设计，还要懂得电路电器设备的设计，因此掌握一款业界常用的电路图设计软件是必要和重要的。

（4）Keil C软件。学生先修课程“微型计算机原理”即单片微机，一般课堂上和教材上讲授的都是汇编语言程序。汇编语言是针对单片微机本身，是与硬件密切相关的一种编程语言，记忆困难，不容易理解，因此业界逐渐使用和发展了基于高级语言即C语言的单片微机程序。而工科类学生包括机械设计制造及自动化专业的学生，已经学习过高级语言C语言，因此他们有了应用C语言进行单片微机程序设计的基础。Keil C软件是业界广泛应用的单片微机编程软件，它既可以兼容学生学习过的汇编语言程序，也可以使用流行的高级语言C语言来编制单片微机程序。[8]应用高级语言编制单片微机程序，学习资源丰富，对学生进行课程设计、毕业设计和今后走上社会岗位从事单片微机开发都是颇有裨益的。

上面补充的软件因课时限制主要讲解其在本专业的用途和介绍简单的例子，不能在课堂上详细讲解，因此也不能作为课程考核的重点，但是对于高年级学生拓展专业知识，对以后从事专业技术工作都是有良好的启发和指导作用的。

二、总结

实施以上教学内容的创新设计方法，从课堂反映来看收到了积极的效果。并且在后续课程设计和毕业设计中学生能够灵活运用所补充的知识，专业知识应用能力得到了明显提高，为今后适应社会机电一体化人才的需要和就业择业奠定了基础。

参考文献：

[1]张建民.机电一体化系统设计[M].第三版.北京：高等教育出版社，2007.

[2]陈英俊，黄平.人体胶囊式无线内窥微机电系统的设计与工作寿命研究[J].机械设计与制造，2009，（9）：40-42.

[3]陈英俊，黄平.图像传感器在体内无线内窥微机电系统的应用[J].中国医学影像技术，2009，（10）：1879-1882.

[4]电子工程专辑[EB/OL].http：//ww.EETchina.com.

[5]张洪信.有限元基础理论与ANSYS应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[6]薛山.MATLAB基础教程[M].北京：清华大学出版社，2011.

[7]王静.Protel 99 SE 印制电路板设计案例教程[M].北京：北京大学出版社，2012.

[8]曹天汉.51系列单片机应用程序设计与仿真（KeilC51 Proteus）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

（责任编辑：王意琴）

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