摘要：針對當前“機電一體化設計基礎”課程的教材和教學內容與先修課程重復率高、教學難度大的問題，提出了科研項目縱貫整個教學過程、理論聯(lián)系和學習新技術、適當引入和介紹實用的專業(yè)軟件等方法，對教學內容進行創(chuàng)新設計，在高年級機械設計制造及其自動化專業(yè)學生中收到了良好的教學效果，能為學生進行專業(yè)課程設計和畢業(yè)設計提供幫助，使學生更好地適應社會人才需求。

關鍵詞：機電一體化；教學內容；創(chuàng)新設計

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0094-02

“機電一體化設計基礎”是很多高校為機械設計制造及其自動化專業(yè)高年級本、專科生所開設的一門專業(yè)課，旨在為高年級學生理清前三年的各專業(yè)課間的關系，能夠以系統(tǒng)的觀點和方法去分析和設計機電一體化系統(tǒng)，一般應為原專業(yè)基礎知識的鞏固和加深。但是又因為其包絡了前面學習階段學過的多門課，教材大而全，教學難度大，容易落得泛而不精、學生學習興趣低的教學結果。筆者通過總結多年的“機電一體化設計基礎”課程教學經(jīng)驗，提出了幾種對此課程教學內容進行創(chuàng)新性設計的方法，供同行參考。

一、創(chuàng)新設計的方法

1.具體科研項目縱貫整個教學過程

一般“機電一體化設計基礎”課程的教材和教學內容逐個介紹機電一體化系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)的設計內容、要求、方法等，每個子系統(tǒng)對應于一章的內容，比如說機械系統(tǒng)、執(zhí)行元件系統(tǒng)、微型計算機控制系統(tǒng)等，[1]因每章內容講求系統(tǒng)全面，內容眾多，這就造成了章與章之間缺乏有機聯(lián)系，使得學生學起來對整個機電一體化概念缺乏深刻和系統(tǒng)的認識。而實際機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)是機械技術、電子技術、信息處理技術有機結合的產(chǎn)品，各部分不可能完全脫節(jié)。為了解決以上問題，筆者探究了一種以自身科研項目為主導的教學脈絡的機電一體化教學方法。

微機電系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)發(fā)展的一個重要分支，對于大多數(shù)本科生，在學習本課程之前一般都沒有接觸過，是一個較新而且又容易勾起學生興趣的一個概念。筆者選擇適時在第一章介紹機電一體化發(fā)展方向時提出，這個是一個機電一體化發(fā)展到某一高度的重要產(chǎn)物，并介紹了筆者曾經(jīng)主持的科研項目“體內膠囊微機電系統(tǒng)的研制”。筆者研制的體內膠囊微機電系統(tǒng)是綜合應用當今先進制造技術、電子技術和計算機控制技術的產(chǎn)物，它是采用了小尺寸的機械和電子元器件制造出來的、體積微小的機電一體化系統(tǒng)，系統(tǒng)的尺寸單位一般以mm計算。[2]它能通過圖像傳感器采集體內消化道圖像，并且無線發(fā)射到體外計算機接收。筆者簡要介紹了系統(tǒng)的組成（如圖1所示），并配以豐富的圖片和視頻介紹系統(tǒng)工作效果，立刻吸引了學生的注意力。又因為微機電系統(tǒng)技術包含了傳感器技術、信息技術、機械及材料技術等，隨著本課程學習的深入，在課程的后面更加詳細地闡述每一個相關的技術具體所涉及的內容，同學們會對此系統(tǒng)有更深刻的了解。在這里就憑借科研項目打開了學生機電一體化技術學習的大門和使得它縱貫整個教學過程，使得教學內容成為一個有機整體。

2.理論聯(lián)系和學習新技術

“機械工程測試技術”課程中曾經(jīng)介紹過傳感器的相關技術，在“機電一體化設計基礎”的教材中也出現(xiàn)了“微機控制系統(tǒng)及接口設計”這一章，里面通過很多表格羅列了位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等常用檢測傳感器的性能特點。但是課程這里又不能只是重復講述以前所學知識，所以筆者考慮加入適當內容，對傳感器知識進行拓展。

上文提到的微機電系統(tǒng)中含有圖像傳感器，它與一般的傳感器不同，它是以芯片集成的方式出現(xiàn)和應用的，在先修課程“機械工程測試技術”中一般都沒有涉及。先修課程介紹的常用傳感器的原理及應用場合都比較簡單，基于電阻、電容、電感原理測量應變、力、溫度等等，屬于傳統(tǒng)的分立電子元器件，集成度低。但圖像傳感器現(xiàn)在與日常生活及生產(chǎn)的聯(lián)系越來越密切，廣泛應用于圖像采集裝置，比如手機攝像頭、數(shù)碼相機、監(jiān)控防盜器材、機器視覺等等。圖像傳感器能將光信號轉化成電信號輸出，按照其制造工藝分為CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor）圖像傳感器和CCD（Charge Coupled Device）圖像傳感器，按照其輸出信號類型分為模擬型圖像傳感器和數(shù)字型圖像傳感器，各有優(yōu)缺點和相應的應用場合，如表1所示。在課程一開始提到的內窺微機電系統(tǒng)為什么采用CMOS圖像傳感器呢？這是因為CMOS圖像傳感器相對于CCD圖像傳感器有集成度高、體積小、功耗低等特點，所以尤其適合于對體積和功耗有特殊要求的微機電系統(tǒng)中。[3]

又比如電阻傳感器與電容傳感器，是根據(jù)傳感器測量原理劃分的兩種常見傳感器，它們分別將電阻和電感這種非電量的變化轉換為電壓或電流電參量的變化。學生們日常生活接觸到的實際例子就是智能手機的觸摸屏。智能手機手機觸摸屏分為電阻式觸摸屏和電容式觸摸屏，它們分別應用于早期的廉價智能手機（比如5800XM）和新型智能手機上（比如iPhone），其實質就是分別對應于電阻式傳感器和電容式傳感器，其原理如圖2所示。電阻式觸摸屏當手指按在觸摸屏上時，該處兩層導電層接觸，電阻發(fā)生變化，在X和Y兩個方向上產(chǎn)生信號，然后送觸摸屏控制器。氧化物電阻隨時間變化，需要經(jīng)常校正；透光性較差，不能實現(xiàn)多點觸摸。電容觸摸屏只采用單層的ITO（由銦錫氧化物構成透明導電材料），當手指觸摸屏表面時，就會有一定量的電荷轉移到人體。為了恢復這些電荷損失，電荷從屏幕的四角補充進來，各方向補充的電荷量和觸摸點的距離成比例，由此推算出觸摸點的位置。[4]電容式觸摸屏因為其不存在漂移和支持多點觸摸，已經(jīng)在日常生活中逐漸取代了電阻式觸摸屏，這就引導學生在日常生活中靈活運用課堂知識，增強了對課堂知識的認受性和學習的興趣。

3.適當引入和介紹實用的專業(yè)軟件

大學早期階段一些與專業(yè)相關的軟件沒有在課堂上面介紹，影響了學生今后在專業(yè)上的進一步發(fā)展和應用專業(yè)知識的能力。筆者建議在高年級學生中適當引入和介紹以下專業(yè)軟件。

（1）ANSYS軟件。應用相關軟件可以大大方便機械結構的受力和變形分析。ANSYS軟件可以用有限單元法分析結構靜力學問題、結構動力學問題、溫度場、流體力學等。有限單元法是當今工程技術領域中最常用最有效的數(shù)值計算方法，此軟件是現(xiàn)代工程設計技術中的重要軟件。[5]可以應用ANSYS軟件分析課程中提到的膠囊微機電系統(tǒng)在人體中的受力情況，從而為微機電系統(tǒng)的材料選擇和尺寸確定提供參考。

（2）MATLAB軟件。學生雖然學習了高等數(shù)學、線性代數(shù)等數(shù)學知識，但是如果遇到復雜的計算問題，手算過程往往繁雜并且容易出錯，因此借助相關軟件就可以準確并且高效率地解決某些數(shù)學問題。MATLAB軟件是工程技術領域常見的計算軟件，通過它可以方便地求微積分、求解方程組、作出數(shù)學圖形等。[6]通過應用MATLAB軟件，計算機再不是簡單的計算器，而是輔助工程計算的有力工具。

（3）Protel軟件。設計電路、畫電路圖用AutoCAD軟件局限性較大，作出來的電路圖很多不符合電器標準，或者很多元器件繪制困難、作圖效率低。Protel軟件是一款常見的電氣工程計算機輔助設計軟件，包含眾多的元件庫和電子資源，能夠輕松高效作出標準的電路圖。[7]其一般只在電類專業(yè)中學習，但是機械類專業(yè)尤其是機械設計制造及其自動化專業(yè)，因為學科的交叉發(fā)展和社會上綜合性人才的需要，學生往往要從事機電一體化產(chǎn)品的設計，不僅要懂得機械結構的設計，還要懂得電路電器設備的設計，因此掌握一款業(yè)界常用的電路圖設計軟件是必要和重要的。

（4）Keil C軟件。學生先修課程“微型計算機原理”即單片微機，一般課堂上和教材上講授的都是匯編語言程序。匯編語言是針對單片微機本身，是與硬件密切相關的一種編程語言，記憶困難，不容易理解，因此業(yè)界逐漸使用和發(fā)展了基于高級語言即C語言的單片微機程序。而工科類學生包括機械設計制造及自動化專業(yè)的學生，已經(jīng)學習過高級語言C語言，因此他們有了應用C語言進行單片微機程序設計的基礎。Keil C軟件是業(yè)界廣泛應用的單片微機編程軟件，它既可以兼容學生學習過的匯編語言程序，也可以使用流行的高級語言C語言來編制單片微機程序。[8]應用高級語言編制單片微機程序，學習資源豐富，對學生進行課程設計、畢業(yè)設計和今后走上社會崗位從事單片微機開發(fā)都是頗有裨益的。

上面補充的軟件因課時限制主要講解其在本專業(yè)的用途和介紹簡單的例子，不能在課堂上詳細講解，因此也不能作為課程考核的重點，但是對于高年級學生拓展專業(yè)知識，對以后從事專業(yè)技術工作都是有良好的啟發(fā)和指導作用的。

二、總結

實施以上教學內容的創(chuàng)新設計方法，從課堂反映來看收到了積極的效果。并且在后續(xù)課程設計和畢業(yè)設計中學生能夠靈活運用所補充的知識，專業(yè)知識應用能力得到了明顯提高，為今后適應社會機電一體化人才的需要和就業(yè)擇業(yè)奠定了基礎。

參考文獻：

[1]張建民.機電一體化系統(tǒng)設計[M].第三版.北京：高等教育出版社，2007.

[2]陳英俊，黃平.人體膠囊式無線內窺微機電系統(tǒng)的設計與工作壽命研究[J].機械設計與制造，2009，（9）：40-42.

[3]陳英俊，黃平.圖像傳感器在體內無線內窺微機電系統(tǒng)的應用[J].中國醫(yī)學影像技術，2009，（10）：1879-1882.

[4]電子工程專輯[EB/OL].http：//ww.EETchina.com.

[5]張洪信.有限元基礎理論與ANSYS應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[6]薛山.MATLAB基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2011.

[7]王靜.Protel 99 SE 印制電路板設計案例教程[M].北京：北京大學出版社，2012.

[8]曹天漢.51系列單片機應用程序設計與仿真（KeilC51 Proteus）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

（責任編輯：王意琴）