面向集成創新能力的復雜機電系統綜合設計教學模式探索

李炳初 甘屹 楊麗紅 王雙園 邱彬彬

摘 要：為滿足先進裝備制造業對工程創新人才的需求，復雜機電系統綜合設計逐漸成為機械專業的重要基礎課程。由于復雜機電系統的學術內涵寬泛，復雜機電系統綜合設計課程設置仍在不斷探索中。復雜機電系統綜合設計的核心是集成創新能力，圍繞該目標，本文首先厘清復雜機電系統綜合設計的學科內涵，并總結工程實踐中復雜機電系統綜合統計的一般性流程，并依據該流程對復雜機電系統綜合設計課程的教學背景、教學目標、教學理念進行系統梳理，著重對復雜機電系統綜合設計的教學內容、教學案例以及課程實踐展開討論，分析了集成創新能力培養的切入點與實施方法。本文對于提升復雜機電系統綜合設計課程的教學品質，提升機電領域創新人才培養質量有較好啟發意義。

關鍵詞：復雜機電系統；集成設計；教學背景；教學模式

1 復雜機電系統綜合設計的內涵

復雜機電系統是由機械、電氣、控制、計算機等多個學科領域的技術和知識組成的系統，其應用涉及生活的方方面面，典型的復雜機電系統如大型飛機、高速列車、精密機床、工業機器人、現代醫療設備、自動化生產線等［1］。復雜機電系統的特征主要包括：（1）多學科融合：復雜機電系統是由機械、電氣、控制、計算機等多個學科領域的技術和知識組成的系統，需要多個學科領域的技術支持［2］。（2）功能多樣性：復雜機電系統可以完成多種復雜的功能需求，如自動化生產線、機器人、智能交通系統等。（3）大規模集成：復雜機電系統中的各個組成部分需要進行大規模集成，需要解決不同部件之間的協同作用和數據交互協同等問題。（4）智能化控制：復雜機電系統需要實現智能化控制，通過各種控制算法和控制器實現系統的自動化和智能化。（5）可靠性和安全性：復雜機電系統中涉及的各個組成部分需要具備高度的可靠性和安全性，以確保系統的正常運行和人員的安全。

復雜機電系統設計能力是國家科技水平的重要體現［3］，在提高生產力和產品質量、改善生活和服務質量、增強國家安全、推動科技創新和培養高技能人才等方面發揮重要作用：（1）提高生產力和產品質量：復雜機電系統可以實現工業自動化，提高生產線的生產效率和產品的一致性和質量，推動國家制造業升級和技術水平提升。（2）改善生活和服務質量：復雜機電系統可以應用于智能交通、醫療設備、智能家居等領域，提高人們的生活質量和服務質量，促進社會發展和進步。（3）增強國防實力：尖端國防裝備的研發依賴于復雜機電系統集成設計的理論與技術，是提升國家國防實力的重要支柱。（4）推動科技創新：復雜機電系統需要融合多個學科領域的技術和知識，推動科技創新和跨學科研究，提高國家的科技水平和核心競爭力。（5）培養高技能人才：復雜機電系統需要多學科領域的技術支持，可以培養出高技能的跨學科人才，推動國家的人才培養和發展。

2 復雜機電系統綜合設計特點和一般流程

為更好地進行復雜機電系統綜合設計的教學，首先需要對實際工程中復雜機電系統設計方法進行分析，并進行歸納總結，形成對設計規律的概括，以便于設置課程教學內容和模式。

復雜機電系統的功能依賴于多個子系統相互作用［4］，其設計過程需要考慮多領域、多層次、多物理層、多控制方式的協同。從學科領域來看，復雜機電系統涉及多個學科領域，如機械、電氣、控制、計算機等，需要學生具備這些學科領域的知識和技能；在結構方面，復雜機電系統具有多層次的結構，從最基本的零部件到組成整個系統的模塊，涉及多個層次的設計和分析；在內部能量交互方面，復雜機電系統中的機械、電氣、熱學等多種物理場相互作用和耦合，需要設計者具備相關的物理和數學基礎；同時，復雜機電系統需要通過控制系統來實現其預定功能，控制方式多種多樣，如PID控制、模糊控制、神經網絡控制等，且復雜機電系統通常需要實現多種功能，如定位、精度控制、速度控制、力控制等，需要設計者具備多種技能和設計方法。

復雜機電系統綜合設計需要對機械、電氣、控制、計算機等多學科領域的知識和技能進行整合，并采用系統化的設計方法［5］，逐步完成系統需求分析、系統架構設計、子系統設計、聯調測試、集成調試、優化改進等關鍵步驟，從而實現具有多種功能需求的機電系統。一般流程如下：（1）系統需求分析：對機電系統的功能需求進行全面、詳細的分析和確定，包括系統性能指標、工作條件、使用環境等；（2）系統架構設計：根據系統需求，設計機械、電氣、控制、計算機等子系統之間的聯結方式，確定系統的總體框架和工作流程；（3）子系統設計：對機械、電氣、控制、計算機等子系統進行單獨設計，包括機械結構設計、電氣元器件選型和電路設計、控制算法設計、計算機程序設計等；（4）子系統聯調測試：將設計好的子系統進行聯調測試，檢驗其相互協調和整體工作的可靠性和穩定性；（5）系統集成調試：將設計好的各個子系統進行集成調試，檢驗整個機電系統的性能指標和工作流程是否符合需求；（6）系統優化改進：對機電系統進行優化改進，使其更加符合實際需求，包括性能指標的提高、結構的簡化、控制算法的優化等。

3 復雜機電系統綜合設計的教學目標及理念

根據復雜機電系統設計工程實踐中所需要的能力，復雜機電系統綜合設計應該以培養具有創新精神的高端應用型工程人才為育人目標，以培養學生的系統思維、創新意識和工程實踐能力為核心，注重從企業需求、工程實踐和社會實踐中提煉問題，采取創新設計理論教學和工程實踐相結合的雙向驅動模式，培養學生的項目管理能力、團隊合作能力、溝通表達能力、系統化設計能力，啟發學生內在的創新原動力和創業意識力。課程具體目標包括：（1）掌握復雜機電系統的基本理論和設計方法，理解復雜機電系統的系統結構和各個部件之間的關系；（2）熟悉復雜機電系統的設計流程，包括需求分析、方案設計、系統集成、試驗驗證等環節，能夠根據實際情況合理地選擇設計方法和工具；（3）具備從系統整體角度出發進行問題分析和解決問題的能力，能夠從不同角度對復雜機電系統進行評價和改進；（4）能夠獨立或協作完成復雜機電系統的設計任務，包括制訂設計方案、進行設計計算和仿真分析、編制設計報告和展示等；（5）培養學生的創新能力和團隊合作能力，使其能夠在實際工程項目中進行復雜機電系統設計并取得優異成績。

作為機電工程領域的重要課程，本課程對于學生的實際應用能力和綜合素質的提高具有重要作用［6］，其教學方式中應融合多種教學理念：（1）項目驅動式教學：通過引入實際的工程項目，讓學生在實踐中學習和掌握理論知識，從而更好地理解復雜機電系統的綜合設計過程。（2）互動式教學：引入互動式教學模式，鼓勵學生在教師的引導下自主探索和解決問題，從而提高學生的自主學習和探究能力。（3）團隊合作式教學：通過小組合作的方式，讓學生在實踐中體驗團隊協作的重要性，提高學生的溝通和協作能力。（4）產學研結合式教學：將實際的工程項目與企業需求相結合，引入企業的技術和經驗，讓學生更好地了解工業實踐，提高其綜合設計能力。（5）創新思維式教學：在教學中引入創新思維，讓學生通過提出問題、探究問題、解決問題的過程，培養創新能力和解決問題的能力。

通過以上教學理念的引入，可以更好地促進學生復雜機電系統綜合設計能力的培養，提高學生的實際應用能力和綜合素質，同時能夠更好地適應機電工程領域的快速發展和變化。

4 復雜機電系統綜合設計課程內容設置

復雜機電系統理論教學主要是為了使學生掌握復雜機電系統的基本理論知識和分析方法，為后續的應用和實踐打下堅實的基礎，應該注重基本概念和原理、系統分析與設計方法、控制理論與算法、通信技術與數據處理、應用案例和實驗等方面的教學［7］，培養學生的理論基礎和應用能力，為學生未來的應用和實踐打下堅實的基礎。教學要點包括：（1）基本概念和原理：包括機械、電氣、控制、計算機等學科領域的基本概念和原理，如力學、電路、傳感器、控制器等。（2）系統分析與設計方法：介紹復雜機電系統的分析和設計方法，如系統建模、仿真、優化等，幫助學生掌握系統分析和設計的基本流程和方法。（3）控制理論與算法：介紹控制理論和算法，如PID控制、模糊控制、神經網絡控制等，幫助學生理解控制算法的原理和應用。（4）通信技術與數據處理：介紹通信技術和數據處理方法，如串口通信、網絡通信、信號處理、圖像處理等，幫助學生了解通信技術和數據處理在復雜機電系統中的應用。（5）應用案例和實驗：通過實際的應用案例和實驗，加深學生對復雜機電系統理論知識的理解和應用能力，提高學生的創新思維和綜合能力。

復雜機電系統設計是一項高難度、高復雜度的工作，需要使用專業的設計工具來輔助完成，這些工具可提高設計效率和設計質量，在教學中應對學術的工具應用能力進行訓練，以下設計工具應進行簡要介紹：（1）CAD軟件：CAD軟件是計算機輔助設計軟件，能夠幫助工程師進行三維建模、繪制工程圖紙等操作，如AutoCAD、SolidWorks等。（2）仿真軟件：仿真軟件是一種計算機輔助工程軟件，能夠對系統進行數值仿真，以驗證設計方案的正確性和優化系統參數，常見的仿真軟件有MATLAB/Simulink、ADAMS、Ansys等。（3）PLC編程軟件：PLC編程軟件是用于編寫PLC程序的軟件，常見的有Siemens Step7、Rockwell RSLogix等。（4）控制器編程軟件：控制器編程軟件是用于編寫控制器程序的軟件，如LabVIEW、CodeSys等。（5）通信協議軟件：通信協議軟件用于實現不同設備之間的通信，如Modbus、CAN等。（6）數據處理軟件：數據處理軟件用于對傳感器采集的數據進行處理，如LabVIEW、Matlab等。

5 復雜機電系統綜合設計教學案例

工程案例是學習復雜機電系統綜合設計的重要方式，對培養綜合運用能力和集成創新能力至關重要［8］，經典復雜機電系統設計案例包括：（1）工業機器人系統設計：工業機器人是一種具有高度自動化和復雜控制系統的機電系統。例如，某公司需要設計一套機器人裝配線，能夠實現自動化組裝和檢測功能。該系統需要具有高度的運動控制、精準的傳感器測量、自適應的控制算法和可靠的通信協議等特性。（2）自動化生產線設計：自動化生產線是一種涵蓋多個機電系統的復雜系統。例如，某汽車公司需要設計一條自動化生產線，能夠實現從汽車零部件加工到車身組裝等全過程的自動化生產。該系統需要具有高效的生產調度、可靠的物料搬運和高精度的裝配功能。（3）智能交通系統設計：智能交通系統是一種涵蓋多個機電系統的綜合性系統。例如，某城市需要設計一套智能交通系統，能夠實現交通信號控制、公共交通調度、道路監控等多種功能。該系統需要具有高效的數據處理、智能化的控制算法和可靠的通信協議等特性。

工程案例教學可采取交互式教學方法，教師可以設置一些問題或思考點，引導學生通過小組討論、模擬演練等方式進行互動和合作，也可以指導學生查閱相關資料和進行實驗，幫助他們更好地理解工程問題和解決方法，提高學生的參與度和學習效果；在工程案例教學的過程中，還可以引導學生總結和反思所學內容，幫助他們進一步深化理解和應用所學知識。

6 復雜機電系統綜合設計課程實踐

復雜機電系統設計實踐是將理論知識應用到實際工程問題中的關鍵環節，通過選取合適的設計任務，可以訓練學生對知識的靈活運用能力，同時培養工程意識和創新意識［9］。以下是復雜機電系統設計實踐的案例：（1）機器人控制系統實驗：在這個實驗中，學生需要設計一套控制系統來控制一個機器人完成特定的任務。這需要學生理解機器人的控制原理，設計適當的運動控制算法和編寫控制程序，同時需要通過實驗驗證控制系統的性能。（2）智能家居系統設計：在這個項目中，學生需要設計一套智能家居系統，能夠實現自動化控制、遠程監控和智能化調節等功能。這需要學生了解各種傳感器和執行器的特性，設計合適的控制算法和編寫控制程序，同時需要運用云計算和物聯網技術實現數據傳輸和處理。（3）汽車發動機控制系統設計：在這個項目中，學生需要設計一套汽車發動機控制系統，能夠實現高效的燃油利用和低排放。這需要學生了解發動機的工作原理和特性，設計合適的控制算法和編寫控制程序，同時需要運用多種傳感器和執行器實現發動機控制和診斷。

這些實踐項目需要學生掌握機電系統設計的基本原理和技能，同時需要運用多種設計工具和技術，如CAD軟件、仿真軟件、控制算法設計等。這些實踐項目的完成可以提高學生的實際操作能力和解決實際問題的能力。

結語

本文對復雜機電系統綜合設計課程的教學背景、教學目標、教學理念進行了系統梳理，同時探討了教學內容設置、教學案例設計以及課程實踐的組織，分析了集成創新能力培養的切入點與實施方法，對于不斷順應形勢完善復雜機電系統綜合設計課程方案有積極意義。

參考文獻：

［1］鄒慧君，廖武，郭為忠，等.機電一體化系統概念設計的基本原理［J］.機械設計與研究，1999，03：1417.

［2］張晟昊.機電一體化系統概念設計的基本原理［J］.內燃機與配件，2022，05：184186.

［3］周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向［J］.中國機械工程，2015，26（17）：22732284.

［4］楊世香，李文強，邵哲輝.復雜機電系統總體設計方法研究與應用［J］.中國機械工程，2023，34（01）：4754.

［5］謝飛.“新工科”背景下《機電一體化系統設計》課程思政教學改革［J］.中國電力教育，2021，S1：231232.

［6］王殿君，焦向東，王偉陳，等.新版機械電子工程專業培養方案的研究與實踐［J］.安徽師范大學學報（自然科學版），2010，33（01）：3942.

［7］張燕，史留勇，劉世豪.基于社會需求的機電一體化專業實驗教學改革［J］.中國電力教育，2014，29：7576.

［8］戴敏，曾勵，周建華.機電一體化課程案例教學研究［J］.中國教育技術裝備，2018（14）：5859.

［8］趙思博，馬琳琳，張奕雯，等.創新能力培養與科研項目式教學方法的應用［J］.教育現代化，2019，6（77）：191194.

［9］楊新剛，劉鴻雁，呼剛義，等.機械專業機電一體化綜合實踐課教學模式探索［J］.高等工程教育研究，2021，05：8893.

項目基金：教育部產學合作協同育人項目（22050358 0120810）

作者簡介：李炳初（1988— ），男，漢族，山東菏澤人，博士，講師，從事機電系統動態設計研究；甘屹（1974— ），男，漢族，四川宜賓人，博士，教授，從事現代設計理論及方法；楊麗紅（1973— ），女，漢族，河南洛陽人，博士，講師，從事機械裝備結構設計；王雙園（1986— ），男，漢族，安徽合肥人，博士，講師，從事機電裝備故障診斷；邱彬彬（1992— ），男，漢族，江蘇南通人，博士，講師，從事結構健康監測研究。