機電系統課程設計實踐教學方法研究

張蓬++趙弘++彭鶴

機電系統課程設計是機械專業課程體系中必不可少的實踐環節，其內容是針對執行機構、運動控制、傳感檢測和數據處理這四個主要機電一體化知識要素的綜合練習。針對綜合性機電設備較貴，臺套數較少造成設計題目數量單一，每年設計題目反復重復的問題，提出了一個課堂實踐教學和科技創新訓練有機結合的方案，豐富了課程設計的題目，減少了題目的重復性，調動了學生主動學習的積極性，大大提高了機械專業教學質量和學生科研實踐能力。

機電系統課程設計實踐教學科技創新能力培養《機電系統綜合設計》是本科機械專業繼《機械設計課程設計》之后設置的，培養機電一體化技術復合型技術人才的另一個必修的、非常重要的綜合實踐環節。其內容主要是鍛煉學生對所學自動控制、機電傳動、傳感檢測和計算機控制的綜合應用。

一、《機電系統綜合設計》課程設計存在的問題

《機電系統綜合設計》課程設計即機電一體化課程設計，可以鍛煉學生的動手能力，讓學生親身體驗設計和實現機械設備全自動化功能的過程。這類課程設計很少采用仿真方式完成，設計對象多為實際的機電設備。這種設備集成度較高，價格昂貴，體積比較龐大，所以可供學生實踐的臺套數少，設備更新周期較長，這樣給課程設計帶來以下不利的因素：

（1）由于設備種類不多，造成課程設計的題目比較單一，而且由于設備相同，很難使得每個小組題目的側重點不同。多個小組題目相同的結果，造成部分學生不做設計，只等其他小組調試成功后將程序復制過來，再根據自己設備的參數稍加修改，就可完成老師布置的任務。這種情況使得此實踐環節對于某些學生來說學習效果很差。

（2）由于設備更新周期長，也使得每年的課程設計題目都會重復使用。這樣也給部分學生帶來向已經留校讀研的學生直接索取設計結果的機會，不能獨立完成，使課程設計流于形式。

（3）由于課程設計題目大部分都是指定性題目，學生基本上只要按照課程設計指導書按部就班的設計就能完成，學生自己發揮的空間少，缺少激勵學生自主創新的評價機制，導致此實踐環節不能成為對學生創新培養的重要平臺。

為此，本文提出了從教學模式與選題原則，以及方案實施兩個方面對機電一體化課程設計的教學改革方案。

二、機電一體化課程設計教學模式的改革

1.改變設計任務布置的方法讓學生有自主發揮空間

課程設計的教學模式通常為首先給學生下達任務書，其次讓學生根據課程設計指導書，查閱設計手冊和資料，按部就班的進行設計，學生很少有發揮的空間，這樣不利于調動學生的主動性和積極性，學生只忙于應付交差。

為改變這種狀況，首先在給學生布置任務時只列出某個項目應該完成的基本功能，讓學生在完成基本功能的基礎上自主添加3～4個功能，并根據自主添加功能的復雜程度給予評價。

2.機電一體化課程設計選題原則

（1）重視學生對軟件工具的學習和掌握。對于機電一體化設計來說，常用的工具軟件主要有用于機械結構設計和仿真的軟件，如Solidworks、ABAQUS、ANSYS、和ADAMS等，以及用于機電控制技術開發的工具軟件，如Proteus、Keil、PLC開發平臺、HMI開發平臺、VC++和虛擬儀器開發平臺等。設計題目的選擇要求學生至少能夠用到1～2種這類的軟件工具，才能完成設計任務。

（2）課程設計的內容要與生產實際相聯系。實際的機電產品常用的運動控制方式：PLC+驅動器、單片機+驅動器和IPC+驅動器等，構成機電一體化的運動控制部分。傳動部分包括了氣壓與液壓傳動、電氣傳動、機械傳動等。這些都是數控系統和工業機器人的組成要素。結合現有的實驗設備和這些要素，為學生設計了如下的課程設計題目，如表1所示：

這些課程設計題目，都是2人一組的小組可以獨立完成的設計任務。這類任務的設備由于設備更新周期長，所以容易存在每年重復使用的情況。而且多個小組的題目相同，容易出現抄襲現象。為避免這種情況就需要減少題目相同的組數，但是這又帶來學生人數多于題目數量的問題，為解決這個問題，豐富題目的數量，可將學生參加科技創新的作品引入課程設計。

Robcon機器人大賽和全國機械創新設計大賽的設計題目，其要求學生提交的作品有很多可以設計成機電一體化裝置。而且這種設計是從產品的設計方案做起，歷經結構設計、加工制造、組裝調試直至所有功能實現的機電一體化產品制造的全過程。這個過程使得教學更貼近實際，更好地發揮了學生的自主創新能力。以下是這幾年學生申報的機電一體化課程設計的題目：①自動搬運機器人；②越障排爆機器人設計；③自動檢測清障機器人設計；④爬桿機器人的設計與實現；⑤小型3自由度機械手臂的設計。以上作品學生都能在規定的時間里完成，圖1（a）（b）分別是學生提交的部分樣機作品。

（3）課程設計題目的工作量和難度應該以大多數學生能達到的知識能力范圍為準，設計內容應屬于先修機電控制系列課程的知識范圍，不要超綱，既強調實踐性又要兼顧知識性。

三、機電一體化課程設計改革的實施方案

1.抽簽選題分組。由于課程設計所用的設備不一樣，考查的知識側重點也不盡相同，為避免因選題而出現的不和諧因素，學生首先自愿結合小組，然后每小組派出1人抽題，抽到題目后每小組還容許根據自身的優勢與其它組交換題目，以便更好的發揮學生的個人所長。

2.認識實驗臺總體構成及功能。學生抽完題目后，教師要給各個小組介紹設計所用到的設備結構及其工作原理，布置和解釋設計任務，提供設計手冊及相關設計資料的查閱方向。

3.安排設計進度。對于設計進度的安排，發給學生的進度表要明確給出能夠進行核查的，設計任務階段性完成的指標節點，以便督促和監督學生的設計進程，保證課程設計能夠順利的完成。為保證設計質量還應讓每個設計小組進行中期匯報。

4.演示答辯與設計報告撰寫。學生要通過現場演示和ppt匯報的形式完成課程設計成果的驗收，并按要求提交設計報告。

四、結束語

通過幾年的實踐，逐漸規范了機電一體化課程設計的教學，部分地解決了課程設計教學中存在的問題，特別是將學生的科技競賽作品作為課程設計的題目補充，既豐富了課程的題目，又使學生通過課程設計對題目的規范要求，重新認識了機電一體化設計的含義。

參考文獻：

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