面向機器人與智能制造的機電傳動控制課程建設與實踐

楊凱盛，許澤華，錢 燦，胡俊豪，阮陽飛

（寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波 315211）

0 引言

機電傳動控制課程是機械設計制造及其自動化、智能制造工程、機器人工程等工科類本科專業的主要技術基礎課，涉及的基礎領域眾多，包括機械、力學、電子、控制、計算機等[1]。通過本課程的學習，可以使學生了解機電傳動控制的基礎知識和一般原理，掌握工程師必備的知識技能并獲得實際運用所需要的工程訓練[2]。但是，目前我國社會已進入“十四五”發展進程，而大部分高校的本課程教材卻未做出更新，導致很多相關的新概念、新技術（比如機器人、智能制造、人工智能、大數據等）沒有融入到教學內容中，并且課程在實訓條件、教學模式等方面也存在諸多問題和不足，因此，進一步優化教學內容、改善實訓條件、改進教學模式對于培養學生的專業基礎知識、科學思維方式、工程實踐能力、創新創造能力具有重要意義，也是面向機器人與智能制造等新工科的機電傳動控制課程建設、改革和實踐的要求[3-5]。

1 教學內容優化

本課程的教學內容包括理論教學和實踐訓練兩部分，如圖1 所示。其中理論教學的重點是使學生掌握機電傳動控制的基礎知識，熟悉各種類型電動機的工作原理、特性和應用方法，掌握可編程控制器和各種類型調速系統原理；實踐訓練的重點是使學生對理論知識進行驗證和進一步理解，使學生掌握機電傳動系統分析、設計和應用的基本技能，著力培養學生的工程實踐能力、專業綜合能力和創新創造能力[6]。

圖1 教學內容與教學目的

由于課程的教材內容落后于新技術的發展，更新改版較慢，很多相關的新概念、新技術（比如機器人、智能制造、人工智能、大數據等）沒有融入到教學內容中。此外，課程教學內容繁多，知識涵蓋面廣，知識點零碎，綜合交叉性強，相關內容之間缺乏邏輯性、系統性，不利于學生自學和掌握重點難點。

結合上述新出現的基本情況與本課程的多學科交叉的特點，需要針對原本零散的知識點進行系統整理，并在此基礎上做出具體優化，進一步理清本課程與相關課程的銜接關系，對教學內容與流程進行優化，分級講解，突出重難點。對課程中機電系統動力學方程這樣的核心公式要求學生達到理解的程度，并可以運用公式進行相關計算。本課程的重點內容是直流電機、交流電機和控制電機，學生應該掌握其工作原理和特性，重點討論機械特性方程中涉及的啟動、制動、正反轉、調速等功能的應用。此外，還需要詳細介紹包括直流傳動系統、交流傳動系統和伺服傳動系統在內的各種類型傳動系統。最后，要在學生達到前兩個教學目標的基礎上進一步使學生能獨立完成繼電器-接觸器控制、PLC 控制和計算機控制等控制系統的設計。在講解過程中，需要結合學生學習情況，針對性地多分析一些典型案例。在整個教學過程中，教師應穿插講解大量相關的新概念、新技術，為學生在課堂外主動學習目前生產中運用較廣泛的新知識和技能打下基礎。

2 實訓條件改善

本課程的理論較為抽象，僅僅通過理論教學很難讓學生理解和掌握相關知識，實踐訓練環節對于本課程來說必不可少，而實驗設備條件是實踐訓練環節教學質量的重要保障。但是，機電傳動控制實驗設備相對來說價格昂貴，造成實驗室中設備臺（套）數較少，難以滿足教學要求。此外，較早建設的機電傳動控制實驗室設備較陳舊，功能單一，沒有更新換代；有些學校由于資金不到位或專業成立較晚，機電傳動控制的實踐訓練環節只以PLC 實驗箱代替全部實驗[7]。由于實訓內容比較單一，創新性不夠，學生在理論學習中碰到的問題和疑問無法通過動手實踐去驗證和解決，阻礙了學生學習的積極性，進而導致實踐訓練效果不理想。因此，進一步完善實訓條件，給學生提供更多的實踐機會，有助于獲得良好的教學效果。

結合本課程教學內容中涉及的各種類型電動機、可編程控制器等器件，以及智能制造工程、機器人工程等新工科專業的需要，通過外部采購、委托定制、自主研發、校企合作等方式建設一系列實驗設備，改善現有的實訓條件。新建的實訓條件不僅能滿足單個器件（比如各種類型電動機、可編程控制器等）的教學和實踐需要，還能夠以系統集成的方式體現智能制造、機器人等新興技術和專業對機電傳動控制的要求，使學生能夠全面深入了解機電傳動控制技術的應用，同時，相關實驗設備條件還能為其他課程的教學和實踐服務，減少重復建設導致的浪費。通過完善實訓條件，為學生提供更多的實踐機會，培養動手能力和實際分析問題、解決問題的能力。

3 教學模式改進

目前，本課程的理論教學通常由授課教師通過PPT 課件進行課堂講授，相對傳統的板書教學模式，PPT 課件授課模式單節課講授內容較多，學生在課堂上難以快速理解消化，太多的新知識容易使學生疲倦，甚至失去學習興趣。因此，需要根據學生的特點，改進課堂授課的教學模式，使學生更容易理解課程內容，并能夠激發學生學習的興趣[8]。課程實踐訓練的教學內容主要是認識性和驗證性實驗。實驗內容、步驟、所用設備通常由授課教師提前調試好，學生只需要按照指導書和授課教師的詳細指導，照搬照抄即可完成整個實驗，出現問題也很少去積極地分析、思考問題原因，常常是直接求助于授課教師，被動盲目地完成整個實踐操作過程。另外，由于指導教師通常只有一個，指導時間有限，只能是按組指導或優先指導主動來問的學生和小組，從而導致只有部分學生的實踐效果較好。因此，本課程實踐訓練部分的教學模式也需要改進，真正培養學生理論聯系實際的能力和實際分析問題、解決問題的能力。

3.1 理論教學方式改進

理論教學部分，可以從以下方面進行改進：首先，制作優質的多媒體課件，課件內容能夠將各章內容中重要的知識點簡單清晰地概括出來，并配以圖片、動畫、視頻等，創造出圖文并茂、有聲有色、生動逼真的教學環境，激發學生的興趣，讓學生更好地理解和掌握相應的知識點，比如在課堂教學中引入機械臂可視化教學平臺，通過教學平臺上的交互界面實現機械臂運動，讓學生了解電機在機械臂上的應用情況，如圖2 所示。其次，引入案例教學或情景教學，在授課過程中，設計一些與課程知識點相關的實際應用案例或者貼近學生的實際生活情境，引導學生思考，讓學生把課程知識點和具體案例或具體情境聯系起來，再進行講解，有助于提高學生的學習興趣和學習效率，比如在課堂教學中引入四足機械狗，讓學生實際操控機械狗動作，體會電機如何在機械狗動作中發揮作用，如圖3 所示。最后，采用混合式教學模式，引入網上教學資源、線上問卷調查、小組討論、班級群聊、章節測試等多種多樣的形式，提升學生線上、線下教學活動的參與感，調動學生學習的熱情，引導學生有效學習，減少傳統教學模式的不足。

圖2 六軸關節型機械臂可視化教學平臺演示電機應用情況

圖3 學生參與四足機械狗操控體會電機應用情況

3.2 實踐訓練方式改進

實踐訓練部分，可以從以下方面進行改進：基于人人參與的原則，實踐教學展開前，針對涉及的各種類型電動機、可編程控制器等器件，以及機器人工程、智能制造工程等新工科專業的需要，通過外部采購、委托定制、自主研發、校企共建等方式建設一系列實驗設備，改善現有的實訓條件。在實踐分組過程中，充分考慮學生對機電傳動控制的理解水平，將理解較好的學生與理解一般的學生分在一起，該方式在教學的過程中，充分發揮了學生的資源，讓理解不好的學生在遇到問題時馬上可以通過詢問的方式解決，不讓問題累積，最終保證學生的學習熱情。在分組人數上采用3～5 人為一組的方式，在評價環節采取隨機抽取學生重新組成一組上講臺復現隨機一部分的實踐過程的方式，增加學生全過程實踐的主動性。在實訓期間，授課教師全程跟蹤，與學生進行實時溝通和交流，掌握學生的動態，予以及時的答疑和指導。學生實踐訓練場景與成果如圖4 所示。

圖4 學生實踐訓練場景與成果

3.3 理論與實踐結合改進

理論與實踐結合方面，可以從以下方面進行改進：目前課程教授方式采用先理論后實踐的方式，一般在上完某個對應模塊后才進行實踐課，兩者之間一般相隔一周及以上，學生在開展實踐課過程中往往已經對理論知識有所遺忘，加之學生掌握的程度不同，很難應對不同的學生進行針對性講解，導致實踐課效果不理想，時間不夠用而導致實踐課匆匆結束，學生的動手能力無法展現。本項目課程理論教學與實踐訓練密不可分的情況，改變現有課程理論課與實踐課相互獨立的模式，并針對不同水平的學生打造多層次的實踐平臺，將理論課和實踐課放在一起進行。首先，組織專門人員在課前制作一些實踐流程的詳細小視頻讓學生學習，讓學生了解本次實驗要實現怎樣任務及操作，進入課堂后學生帶著實踐流程與任務進入理論的學習，該過程提升了學生對理論知識的學習意愿與目的性，在理解相關理論知識的基礎上直接進行實踐，而實踐的過程又可以使學生對理論知識深入了解，進一步強化學生對本課程理論體系的建立。

4 評價體系改革

目前本課程考核方式不科學，考核標準偏單一，考核內容主要基于課堂表現、最終考試和實踐部分，但學生最主要的課堂外的時間并沒有加入進來，這對那些花費大量課外時間在機電傳動控制上的學生沒有起到很好的鼓勵作用，對于培養學生的專業基礎知識、科學思維方式、工程實踐能力、創新創造能力也沒有起到作用。

針對學生課外主動學習情況，本課程的考核評價環節增加了預習、復習賦分與課外項目實踐的賦分。預習、復習賦分可由過程性評價、總結性評價兩部分組成。過程性評價包括預習時長、教材簡單作業課前完成質量情況等，總結性評價通過讓學生在每一塊內容學習后寫一段課程內容的精簡介紹，并據此給分。課外項目實踐分主要幫助學生跳出實踐依樣畫葫蘆式的流程，深入培養學生的創新能力和工程實踐能力，幫助學生更好適應用人單位的要求，比如學生的課外閱讀課程相關的文獻并提交文獻閱讀報告，或者學生課外參加課程相關的學科競賽并完成樣機或獲得一定獎勵，這些課外實踐成果都可以在學生課程最終成績上有所體現。該過程通過實際案例導入，在課程教學過程中加入機電系統設計等工程實際項目，同時提高該部分在最終成績中的比重。在這部分分值中進一步分成系統可行性分、創新設計分、前沿技術運用分三個考核標準。學生在這套評價體系的驅動下，理論學習和實踐驗證能力明顯提高。培養的學生基本具備了獨立展開創新設計的能力，在機電系統設計的能動性上也可以滿足生產實踐的要求。

5 結語

通過機電傳動控制課程建設與改革，學生對機傳動控制的學習興趣得到明顯改善，同時大量學生參加了學校的創新創業實踐活動，部分有能力的學生還進行了機電系統樣機的設計與集成，并在學院的支持下參加了學校相關科研項目工作。此外，學生對機電傳動系統原理和特性的理解水平上相較于傳統教學模式下學習該課程的學生也有明顯進步。在機電傳動控制實踐方面，培養的學生也基本具備了獨立開展創新設計與實踐的能力。以上情況表明課程在學生培養上基本達到了新工科的改革要求。