機電傳動及控制教學改革的探索與實踐研究

王克義++黃玉瑄

[摘要]用文獻資料法、訪談法、問卷調查法和數理統計法，對黑龍江省機電傳動及控制課程教學進行研究，參考機電傳動及控制方面的專家意見，依據實踐中機電傳動及控制急需解決的問題，結合學院教學現狀及實際條件，對機電傳動及控制教學進行改革，構建機電傳動及控制課程新體系，并對該教學改革進行應用效果的檢驗，結果顯示效果顯著，可以廣泛推廣。

[關鍵詞]機電傳動及控制；教學改革；開放式；實驗教學

[中圖分類號]G423.07[文獻標識碼]A[文章編號]10054634（2016）010088050

引言

機電傳動及控制是高等學校機械設計制造及其自動化專業的專業基礎課，是從事機電系統設計必需知識的重要組成部分。通過課程的學習，使學生了解機電傳動的基本知識，注重理論分析的同時強化學生的工程實踐意識，培養學生的分析問題能力、動手能力和創新能力[1]。但現有傳統教學方法導致學生對這門課程的學習興趣低，認為難度較大，不利于學生科研創新能力的培養。為了提高教學質量，培養復合型人才，教學改革勢在必行[2，3]。近年來，各高校對機電傳動及控制課程的改革進行探索性研究[46]，但總體上，關于機電傳動及控制教學改革的報道較少，且缺乏實踐研究，為此，對機電傳動及控制課程教學進行研究，查找現有教學存在的主要問題，提出教學改革方案，并對哈爾濱工程大學2011級機械設計制造及其自動化專業本科生進行實踐教學改革檢驗，為培養機械設計制造及其自動化專業合格人才提供依據。

1研究對象與方法

1.1研究對象

以機電傳動及控制課程的教學為研究內容，對黑龍江省相關方面的教師和實驗室主任以及高校學生和參加相關工作的畢業生進行調查，掌握現有的教學現狀，根據實際需要對機電傳動及控制課程的教學進行改革和實踐。

1.2研究方法

1）文獻資料法。查找國內外有關機電傳動及控制以及高校教學改革方面的著作6部、相關文獻100余篇，并對獲取的資料進行整理、分析、歸納，為本研究提供理論參考。

2）訪談法。以修改2014版培養方案為契機，走訪黑龍江省哈爾濱工程大學、哈爾濱工業大學、哈爾濱理工大學、東北林業大學、黑龍江科技大學、黑龍江工程學院共6所高校機電傳動及控制方面的專家及各實驗室主任15人，深入探討機電傳動及控制課程的教學目標、開設形式、教學體系內容設置、評價考核方式等教學改革內容，為教學大綱修改和教學改革研究提供參考依據；訪談已修完該課程的學生和參加相關工作的畢業生，獲取他們對機電傳動及控制這門課程的教學內容、教學形式等方面的實際要求和建議，主要訪談內容為實踐工作中常使用何種類型電動機、直流電動機調速方法、交流電動機調速方法、交流電動機電器控制方式、位置伺服控制策略等方面，為教學改革設計方案提供參考。

3）問卷調查法。（1）問卷的制定。參閱相關資料和量表，咨詢機電傳動及控制方面的專家，在與學生交談和親身教學經歷等基礎上獲得大量的實際信息，從而制定《高校機電傳動及控制課程教學現狀調查》和《機電傳動及控制課程實踐要求調查》兩種問卷。《高校機電傳動及控制課程教學現狀調查》問卷內容主要包括教學模式、教學內容、教學手段、實驗教學現狀和考核方式等方面，了解黑龍江省6所高校的機電傳動及控制課程教學現狀。《機電傳動及控制課程實踐要求調查》問卷內容主要包括基本工作情況、科研創新能力和實踐操作能力三方面內容，掌握學生和參加相關工作畢業生的現狀及對機電傳動及控制課程實踐要求的具體內容，為教學內容的制定提供依據；（2）問卷的信度檢驗。應用SPSS14.0統計學處理軟件對發放問卷進行內部一致性的檢驗，由所得的克隆巴赫系數（見表1），顯示問卷具有較高的信度；（3）問卷的效度檢驗。采用五級評分的方法對發放問卷進行效度的評價。在發放問卷之前，將問卷發放給20位相關專家，對問卷進行評級及評分，檢驗結果表明問卷具有較高的效度（見表2）；（4）問卷的發放回收。選取高校從事機電傳動及控制教學多年的教師及實驗室主任15人進行機電傳動及控制教學現狀問卷發放，回收15份，有效問卷15份，回收率和有效率為100%。選取高校學生和參加相關工作的畢業生進行機電傳動及控制課程實踐要求調查問卷發放，共發放問卷700份，回收657份，回收率93.8%，有效問卷607份，有效率為92.4%；（5）問卷結果分析。將回收的調查問卷數據錄入到EpiDate軟件中，導出成Excel格式， 應用SPSS14.0進行統計分析。

問卷名稱克隆巴赫系數高校機電傳動及控制課程教學現狀調查問卷α=0.763機電傳動及控制課程實踐要求調查問卷α=0.754表2問卷效度指標統計表（n=20）

問卷名稱一般比較適合非常適合平均評價分數高校機電傳動及控制課程教學現狀調查問卷7134.04機電傳動及控制課程實踐要求調查問卷27113.614）實驗法。選取哈爾濱工程大學2011級機械設計制造及其自動化專業本科生進行機電傳動及控制教學改革的實踐檢驗，通過實踐教學對該教學改革的合理性和可行性進行檢驗及診斷，為教學體系的修改及教學改革的大規模實施提供依據。

2結果與分析

2.1機電傳動及控制教學現狀

機電傳動及控制課程是機械設計制造及其自動化專業的一門專業基礎課，是機電一體化人才所需電知識結構的驅體[7]，但調查顯示黑龍江省該課程教學存在以下問題。

1） 機電傳動及控制教學模式單一。經調查發現，黑龍江省各相關高校的機電傳動及控制教學大部分（80%以上）仍然進行傳統的教學模式。以班級為單位進行授課，教學環節多為教師講授為主。雖然教學在一定程度上使學生了解和掌握了相關知識，但傳統教學忽略學生的主體作用、教學內容單調，不利于學生發現問題、解決問題，不利于學生創新精神和科研能力等綜合素質的培養，不能適應現代教育發展的基本要求。

2） 機電傳動及控制教學內容脫離實際需要。現有的教學內容都為教學大綱設定教學課時和內容，其內容脫離實踐需要，學生參與工程項目很少甚至是沒有，這樣的教學內容導致培養出的學生缺乏理論知識的應用能力，與某些社會崗位脫節，影響走向工作崗位后的實際動手能力，還存在實驗教學內容缺失或不足的弊端。有的高校即使擁有實驗教學內容，但內容陳舊、更新很慢，并且90%以上的實驗內容為認知性和基礎驗證性實驗，綜合性和設計性實驗很少，不能滿足現代的實踐要求，嚴重抑制學生綜合素質的提高。

3） 教學手段落后。調查顯示，黑龍江省70%高校的機電傳動及控制課程，只是停留在教師板書或簡單的課件教學上，課堂的討論、分析和交流很少。為了提高教學質量，激發學習興趣，應改進教學手段。

4） 忽視實驗教學，學生實踐能力較差。調查顯示，在機電傳動及控制教學中，存在重理論、輕實驗的現狀，100%的高校對實驗教學沒有應有的重視，甚至不開設實驗課，理論與實踐聯系不緊密，學生學習無積極性，被動的參與實驗，實驗達不到應有的效果，抑制了學生創新能力的提高。

近年來，隨著教學改革的深入，各高校已加大對實驗室建設的投入，在一定程度上改善了實驗教學環境，但由于學生數量的劇增，實驗室管理體制和實驗教學模式的發展相對滯后，導致實驗教學效果較差，嚴重制約當前高校對于復合型、創新型人才的培養。

5） 機電傳動及控制教學考核體系陳舊。現有的機電傳動及控制教學沒有形成完善的考核體系，大部分（80%）只是通過期末一張試卷來考核，或者與課堂教學出勤率相關聯，這種教學考核現狀不利于學生綜合能力的考察，不利于學生學習積極性的提高，不利于學生創新能力的培養。

2.2機電傳動及控制教學改革內容

通過訪談和調查，大部分專家認為機電傳動及控制課程的教學目標是使學生了解機電傳動及控制的基本知識，掌握直流、交流電動機及步進電動機的工作原理、工作特性、選用方法，掌握電機電器控制線路的分析與設計；開設的形式為專業選修，32學時，第5學期開設；教學內容主要分為機電傳動系統的動力學基礎、直流電動機和交流電動機的工作特性、伺服電動機、機電傳動控制系統中電動機的選擇、機電傳動系統電器控制、電動機伺服控制基礎等；考核方式以形成性評價為主、應用多種評價手段相結合的方式，主要考察學生的實踐應用能力。針對專家的建議又結合學生在實踐中的應用，對機電傳動及控制課程進行如下改革探索。

1） 應用任務驅動教學法，突出學生主體地位。機電傳動及控制是一門實踐性較強的課程，學生既要掌握理論知識，又要具有扎實的實際操作技能。任務驅動教學法很適合這一課程的教學。任務驅動教學法是一種以建構主義教學理論為基礎的教學方法，在整個教學過程中，以完成預先設定的任務為目的，把教學內容隱含在任務之中，讓學生在問題動機的驅動下，積極主動利用各種學習資源，進行自主探索和互助協作的學習，是一種探究式教學方法。教學過程舉例如下：（1）教學內容設計成具體任務。結合機械設計制造及其自動化專業學生已有的知識現狀，精心設計每個任務，并以相關科技創新大賽的典型作品為參照，使每個任務具有真實性；（2）學生對任務進行分析和討論。引導學生分析任務并提出問題，而學生自己提出的問題，就是新教學內容的知識點，這時教師再將新知識傳授給學生，調動學生主動求知的欲望；（3）完成任務。根據學生提出的問題，教師及時講授新的教學內容，在完成任務的具體操作中理解和掌握新的知識點，加強對學生綜合素質的培養。如對于永磁直流電動機的調壓調速知識點，以全國大學生機器人大賽為例，要求學生利用單片機等控制電動機進行位置伺服控制。考慮機器人要實現的功能要求和控制特點，分析電動機的驅動方案、控制方案，以采用PWM變換器實現調壓調速，并利用仿真手段驗證方案和措施的可行性，最后以實際機器人為對象，通過輸入指令改變施加于電動機上的電壓，并觀測電動機的運行狀態，從而直觀驗證電動機的驅動和控制方法，提高學生對知識的理解和應用能力。教學過程如圖1所示。

2） 更新教學內容，圍繞工程項目合理構建課程體系。突破學科界限，以能力培養、素質教育為方向，根據實際需要，圍繞課程目標，參考專家建議，構建科學合理的課程體系。在教學改革中，教學內容以實際工程項目為背景，實施項目化教學。具體做法為：第一，參考企業專家意見理順專業知識、能力和素質的關系，形成課程群，構建課程體系；第二，產學研緊密結合，學生參與到工程項目實踐中，將所學理論知識和基本技能運用于工程實踐，掌握典型機電一體化系統的核心技術和整體概念；第三，以工程項目為媒介，貫穿于整個教學過程，將項目的核心技術滲透到課堂教學，激發學生自主學習的熱情，有利于提高學生的工程意識和創新能力。如針對三相異步電動機正反轉的電器控制知識點，以某一鍋爐試驗裝置為例，需要采用三相異步電動機對裝置的上水閥、蒸汽閥和排水閥進行一定關系的邏輯控制，以實現特定功能試驗。基于裝置的實驗要求，確定結合PLC的低壓電器控制回路，確定電氣原理圖，并具體講授所用的空氣開關、繼電器、接觸器等電器元件的功能，以及如何實現交流電動機的正反轉控制。考慮電器控制柜和電器元件的外形尺寸，繪制電氣設備安裝圖，再根據原理圖繪制電氣設備接線圖。通過結合工程實踐，構建框架式的教學體系，提高實踐動手能力及工程意識。教學過程如圖2所示。

3） 豐富教學手段，MATLAB應用到教學中。改進教學手段，利用多媒體、網絡、錄像等輔助手段進行教學，注重多媒體課件制作及更新。機電傳動及控制課程要求學生掌握電器、電機、晶閘管

的工作原理、特性以及選用，常用的開環、閉環控制系統的工作原理、性能等內容。其中涉及到電和控制等方面的知識點非常抽象，難以形象地表達出來，而目前各高校由于教學經費緊張等原因，實驗課很少或是無法進行，限制教學質量的提高。為此，根據教學大綱要求，結合教學實際條件，將MATLAB引入到機電傳動及控制課程的教學中，使用其中的Simulink圖形界面仿真工具，將課程中抽象的概念和原理形象化，使教學內容與仿真方法相結合。但仿真不能取代實驗，只有將兩者有機結合、互為補充，才能取得更好的教學效果。同時在課件中加入更多的動畫和圖片，有利于學生對原理的直觀認識和理解。如永磁直流電動機的串電阻啟動方法，依據電動機的機械特性方程，利用Simulink建立拖動系統模型，通過切換電樞回路中的附加電阻，觀測以圖形和數字顯示的電樞電流和電機轉速，明確最大電流、切換電流和啟動段數與啟動過程的關系。

4）改變實驗教學方法，實行多層次開放式教學。開放式實驗教學是在以學生為中心的理念下提出的，呈現多層次，實驗時間、空間、內容和教學方法等不受限制，學生有自主選擇權的新型實驗教學模式[8]。開放式實驗教學符合創新性人才培養目標和現代教育發展的客觀要求，有利于優化教學資源、培養學生創新能力。為此，結合哈爾濱工程大學實驗室現有條件，對機電傳動及控制課程的實驗進行開放式教學嘗試，構建開放的實驗教學內容體系，將實驗分為基礎驗證性、綜合性及設計性3個層次。在實驗教學中，教師只給出實驗目的，學生可以根據實驗目的自己選擇實驗內容，教師只對學生設計的實驗方案進行方向性指導，為學生主動學習和個性發展創造一個較好的外境，提高學生學習積極性。搭建實驗室開放網上預約平臺，學生可根據自身需求結合時間安排預約實驗，力求改善實驗教學質量，提高綜合素質，培養復合型人才。如永磁直流伺服電動機的電樞回路串電阻調速方法實驗，建立永磁直流伺服電動機驅動的絲杠螺母機構，以移動平臺運動速度作為觀察信息，觀察改變旋轉電位計時平臺移動速度，并分析傳動機構的靜摩擦和動摩擦。同時在移動平臺邊界位置設置行程開關，掌握傳動機構驅動的保護形式。

5） 加強教學考核，提升教學質量。加強考核是端正學生學習態度、提高教學質量的重要方法。考核方式和內容的科學性及合理性是教學改革的重點。經過多年的教學實踐研究，推行全程考核，打破以試卷定成績的束縛，構建以考查知識、能力和素質為目的，過程性評價與終結性評定相結合，建立多元化全程教學考核新方法，引領學生走全面協調發展之路。考核內容中基礎理論知識問答占30%、平時考核占20%（包括出勤、課堂表現等）、實踐操作能力占50%，對學生綜合能力進行評價。評價方式為學生自評、學生互評和教師評價相結合的方式。如以工程焊接機器人為例，在已知工況條件下，完成機器人驅動電機類型的選擇和功率的計算，并在網絡上選出具體電動機，然后進行答辯，從而實現全方位的考核。

2.3教學改革效果評定

教學效果的評價采用專家和學生評定兩種方式進行，將哈爾濱工程大學2011級機械設計制造及其自動化專業進行《機電傳動及控制》教學改革的本科生設為實驗教學組，2010級機械設計制造及其自動化專業進行傳統《機電傳動及控制》教學的本科生設為對照教學組，將實驗教學組與對照教學組基礎知識掌握情況、實踐中綜合運用知識能力以及學生自身學習興趣等方面進行對比評定教學改革效果。專家評定是通過對實驗教學組和對照教學組兩個群體學生的試卷進行分析，試卷的內容包括基礎知識掌握情況和綜合運用知識能力兩個大方面；學生評定主要是采用問卷的形式進行，通過問卷掌握實驗教學組與對照教學組學生對課程的總體教學質量、學習興趣和自主研究及創新能力提高等方面的反饋情況，綜合評定教學改革的效果。

1） 專家評定教學效果。由哈爾濱工程大學、哈爾濱工業大學、哈爾濱理工大學、東北林業大學、黑龍江科技大學、黑龍江工程學院的10名教授、12名副教授組成專家組，設計試卷內容，考核學生對《機電傳動及控制》課程的學習效果。通過對2011級實驗教學組與2010級對照教學組學生《機電傳動及控制》試卷進行比較分析，91.9%的專家認為實驗教學組學生綜合運用知識的能力顯著高于對照教學組學生；89.6%的專家認為實驗教學組學生基礎知識掌握情況好于對照教學組學生；從綜合評分看，實驗教學組學生的平均分為80.8，對照教學組學生平均分為75.6，可以看出，該教學改革顯著提高了教學質量。

2） 學生評定教學效果。以哈爾濱工程大學2011級機械設計制造及其自動化專業本科生進行教學改革的實踐檢驗工作，教學后對學生進行不記名的教學效果問卷調查。同時為了對教學改革效果進行科學的評定，對2010級學生也進行同樣的問卷調查。調查結果顯示，2011級實驗教學組中有86.3%的學生認為課程總體教學質量很好、91.6%的學生表示學習興趣高，89.9%的學生認為實驗后自主研究能力和創新能力得到提高。而2010級對照教學組學生中只有65.1%的學生認為課程總體教學質量很好、45.5%的學生表示學習興趣高，58.6%的學生認為實驗后自主研究能力和創新能力得到提高。可見，教學改革可以顯著提高學生的學習積極性，有利于學生綜合素質的提高，教學效果良好。

3結束語

黑龍江省各高校機電傳動及控制課程存在教學模式單一、教學內容脫離實際需要、教學手段落后、忽視實驗教學、教學考核體系陳舊等問題。為了提高教學質量，研究將任務驅動教學法引入課堂教學，圍繞工程項目更新教學內容，豐富教學手段，實行多層次開放式實驗教學、加強教學考核，結果顯示，教學質量明顯提高，學生的綜合能力得到改善，應廣泛推廣。但在研究中還存在部分問題沒有很好解決以及出現一些新的問題：（1）教學內容還需聯系實踐進一步完善、不斷更新，應將直流伺服電動機、步進電動機等部分內容進行細化擴展；（2）教學內容多，而學時較少，很難達到預定的教學效果，需要調動學生的積極性，開設課后學習網絡平臺，鞏固教學內容；（3）實驗經費不足導致某些實驗課程不能開展，需多方籌措資金，保障教學順利進行。

參考文獻

[1] 時斌.現代機電傳動控制技術課堂教學與實踐環節的改革與探索[J].電氣電子教學學報，2004，26（6）：5456.

[2] 顏志成.任務驅動教學法在《機電傳動與控制》教學中的應用[J].湖南農機，2011，38（7）：160161.

[3] 楊保俊，于炯，劉文宏，等.加強實踐教學資源建設，提高學生綜合實踐能力[J].實驗技術與管理，2011，28（11）：1719.

[4] 汪蘇，盧利權，張東升.機電傳動實驗系統的設計與研制[J].實驗技術與管理，2006，23（1）：3941.

[5] 黃榮瑛.基于教學大綱制作機電傳動與控制課件[J].北京航空航天大學學報（社會科學版），2008，21（2）：7476.

[6] 盧利權，汪蘇.機電傳動遠程實驗室的研究與設計[J].機電工程，2007，24（4）：5860.

[7] 葉大鵬.Simulink在機電傳動控制教學中的應用[J].福建農林大學學報（自然科學版），2004，33（1）：122125.

[8] 梁上燕.高校開放式實驗教學研究[D].蘭州：西北師范大學，2002.

Exploration and practical research on teaching reform of

Electromechanical Transmission and Control

WANG Keyi， HUANG Yuxuan

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin，Heilongjiang150001，China）

AbstractWith the help of literature method，interviewing method，questionnaire survey method and mathematical statistics method，the teaching of electromechanical transmission and control in Heilongjiang province is studied. According to the suggestions of the experts in the fields of electromechanical transmission and control，the urgent problems to be solved in the practice of electromechanical transmission and control，the teaching situation and the actual condition of our school，the teaching of electromechanical transmission and control is reformed and a new system of electromechanical transmission and control is established. The application effect of this teaching reform is also inspected .The result shows that the effect is notable so that the reform can be widely popularized.

Key wordselectromechanical transmission and control；teaching reform；open type；experimental teaching