49、机电一体化课程中体验式与项目式学习的实施

机电一体化课程中体验式与项目式学习的实施

在科技飞速发展的时代，传统教学方法已难以满足千禧一代学习者的需求。为了培养高效且具有全球竞争力的毕业生，引入新的教学方法势在必行。机电一体化作为一门多学科融合的课程，将体验式学习和项目式学习相结合，为学生提供了全新的学习体验。

机电一体化课程概述

机电一体化课程涵盖了微控制器基础、信号处理仪器、传感器与执行器以及控制电路等内容。该课程将理论与实践紧密结合，通过实验让学生亲身体验机电设备的使用，最终要求学生分组开发机电设备，以理解多学科应用。

• 基本信息 ：该课程面向本科学生，不同专业在不同学期开设。每周安排4小时课程（不包括实验），并进行两次实验课。课程的先修要求是工程物理和基础C编程。
• 课程目标与成果 ：学生需能够描述机电系统的关键要素、解释传感器原理与操作、应用执行器机制、分析电机速度与功率控制、检查信号调理电路以及为特定应用设计机电系统。

教学方法与实施

为克服传统教学的不足，课程分为体验式学习和项目式学习两部分。

体验式学习

将课程大纲分为八个模块，前四个为演示模块，后四个采用四种主动学习教学法。
- TAPPS（大声思考配对解决问题） ：以传感器为主题，学生两人一组解释主题并总结传感器操作。该活动学生参与热情高，但由于大班管理困难和首次实施，成功率仅为50%。
|活动|主题|具体问题|实施细节|时间分配|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|TAPPS|传感器|什么是传感器？传感器如何分类？位移传感器的基本原理是什么？|给出主题，选择记录员，学生配对解释主题并总结传感器操作|min. list
min. share
min. explain|
- STAD（学生团队成就划分） ：针对温度传感器，学生学习团队根据成绩水平、性别和种族分组。该活动学生参与度高，成功率为78.3%，大班管理情况有所改善。
- 翻转课堂 ：以电气执行器为主题，实施步骤包括在教学计划中提供合适主题、准备学习材料、宣布活动日期等。但多数学生准备不足，只有快速学习者能轻松参与，成功率为48.3%。
- 拼图活动 ：以机械执行器为主题，学生先阅读主题，与不同组同学讨论，再回到小组讨论并进行测试。该活动提高了学生的协作和自学能力，成功率达85%。

项目式学习

在八周的体验式学习后，学生分组并分配具体问题陈述，需提交产品或原型。项目实施步骤如下：

graph LR
    A[发现问题陈述] --> B[清晰理解问题]
    B --> C[提出想法并提交给导师]
    C --> D[产品/原型开发]
    D --> E{是否满足要求}
    E -- 是 --> F[完善产品/原型]
    E -- 否 --> B

• 远程控制机器人 ：通过红外数据通信无线控制机器人运动，适用于恶劣环境数据收集和工业应用。
• 手势控制机器人 ：利用加速度计通过手势控制机器人运动。

结果与讨论

体验式学习分析

通过学生表现、观察和反馈三个参数衡量活动的分析和成功率。
|活动|学生表现|学生反馈|观察|总体成功率(%)|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|TAPPS|60|50|40|50|
|STAD|75|80|80|78.3|
|翻转课堂|45|60|40|48.3|
|拼图活动|70|100|90|85|

课程的持续内部评估（CIE）为30分，包括想法展示、表现、团队合作和实施四个方面。与上学期相比，本学期成绩提高了22.7%。

项目式学习分析

本学期学生共完成12个项目。课程的学期末考试（SEE）为70分，包括目标、产品/原型、文档和口试。通过项目式学习，学生在团队合作、自学能力、资源利用和自我激励等方面取得了进步。

结论

机电一体化课程采用体验式学习和项目式学习相结合的方法，让学生通过实践学习，培养了解决工程问题的能力。课程开发的12个项目涵盖不同问题陈述，有助于培养学生的创新、创造力和创业思维。项目式学习提高了学生的问题解决能力、团队学习能力和自学能力，但在活动规划和实施方面仍需额外努力。

机电一体化课程的这种创新教学模式为培养下一代工程师提供了宝贵的经验，值得在更多课程中推广和应用。

机电一体化课程中体验式与项目式学习的实施

课程评估与学生成长

在整个机电一体化课程的教学过程中，评估环节起着至关重要的作用。它不仅能够衡量学生的学习成果，还能为教学方法的改进提供依据。

持续内部评估（CIE）细则

持续内部评估（CIE）总分为30分，具体评估细则如下表所示：
|评估项目|分数|评估内容|
| ---- | ---- | ---- |
|想法展示|5分|学生对项目想法的阐述清晰度、创新性等|
|表现|10分|学生在课程学习过程中的参与度、学习态度等|
|团队合作|5分|团队成员之间的协作能力、沟通效果等|
|实施|10分|学生将理论知识应用到实际项目中的能力|

通过这样细致的评估，能够全面地反映学生在课程中的表现。与上学期相比，本学期成绩提高了22.7%，这充分证明了体验式学习和项目式学习相结合的教学方法的有效性。

学期末考试（SEE）评估

学期末考试（SEE）总分为70分，其分布如下表：
|评估项目|分数|评估重点|
| ---- | ---- | ---- |
|目标|15分|学生对课程目标的理解和掌握程度|
|产品/原型|25分|产品或原型的设计合理性、功能实现情况等|
|文档|15分|项目文档的完整性、规范性等|
|口试|15分|学生对项目的理解、表达能力以及解决问题的思路|

学期末考试采用项目式竞争的方式，并且组织了项目演示日，让学生展示自己的项目并分享知识。这不仅增加了学生参与项目式学习的兴趣，还为学生提供了一个展示自我的平台。

学生项目案例分析

在项目式学习中，学生们开发了多个具有创新性的项目。以下是对部分项目的详细分析：

远程控制机器人项目

该项目利用红外数据通信实现对机器人的无线控制。其工作流程如下：

graph LR
    A[按下遥控器按钮] --> B[红外发射器发送信号]
    B --> C[红外接收器接收信号]
    C --> D[光电二极管检测并解码信息]
    D --> E[处理设备接收数据]
    E --> F[处理设备发送命令给电机驱动器]
    F --> G[电机驱动器控制机器人运动]

这个项目的优点在于其简单易用，适用于恶劣环境的数据收集和工业应用。但也存在一些不足之处，例如信号传输的稳定性可能会受到环境因素的影响。

手势控制机器人项目

手势控制机器人项目通过加速度计实现了用手势控制机器人的运动。其工作原理如下：

graph LR
    A[手部动作改变] --> B[加速度计测量重力变化]
    B --> C[加速度计输出模拟电压]
    C --> D[微控制器读取电压]
    D --> E[微控制器根据电压判断动作并发送命令]
    E --> F[机器人执行相应动作]

该项目的创新性在于引入了手势控制的概念，提高了人机交互的便捷性。然而，手势识别的准确性可能会受到手部动作幅度和速度的影响。

教学方法的优势与挑战

优势

• 培养实践能力 ：体验式学习和项目式学习让学生亲身体验机电一体化系统的设计和开发过程，提高了他们的实践操作能力。
• 促进团队合作 ：项目式学习要求学生分组完成项目，培养了学生的团队合作精神和沟通能力。
• 激发创新思维 ：课程鼓励学生提出创新性的想法，并将其应用到实际项目中，有助于激发学生的创新思维。

挑战

• 活动组织难度大 ：体验式学习中的各种活动需要精心组织和安排，对于教师的教学能力和管理能力提出了较高的要求。
• 学生参与度不均衡 ：在一些活动中，部分学生的参与度较高，而另一些学生则参与度较低，需要教师采取措施提高全体学生的参与度。
• 资源需求高 ：项目式学习需要提供大量的实验设备和材料，对学校的资源投入提出了挑战。

未来展望

尽管机电一体化课程在教学过程中面临一些挑战，但体验式学习和项目式学习相结合的教学方法已经取得了显著的成效。未来，可以从以下几个方面进一步改进和完善：
- 优化活动设计 ：根据学生的反馈和教学实践，对体验式学习中的活动进行优化，提高活动的趣味性和有效性。
- 加强个性化教学 ：关注学生的个体差异，为不同学习能力和兴趣的学生提供个性化的学习指导。
- 拓展项目领域 ：引入更多具有实际应用价值的项目，让学生接触到更广泛的机电一体化应用领域。

通过不断地改进和创新，机电一体化课程将能够更好地培养下一代工程师，为社会的发展做出更大的贡献。