機、電、液傳動控制課程的融合教學探索與實踐

［摘 要］機、電、液傳動控制課程在智能制造類專業人才培養中具有重要的地位，但目前該課程教學中仍然存在知識點分散、系統性不強、考核實驗手段落后等問題。課題組提出，應整合現有機電與液氣壓傳動控制教學資源，重建機、電、液傳動控制課程的融合教學體系，并對課程教學內容和實驗實踐進行了具體設計，將教學內容分為若干教學項目，設計仿真實驗，實施過程考核方式。初步實施和測評表明，新的教學體系和考核方式均取得了良好效果。

［關鍵詞］機、電、液傳動控制；課程改革；思維導圖；建模仿真

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）14-0077-04

機、電、液傳動包括以各種電機為基礎的機電傳動和以液、氣壓為代表的液力傳動，其內容涉及機電系統中的驅動與控制，是連接機械本體與智能控制系統的紐帶和橋梁，處于機電系統的核心地位。在我國推進“創新驅動發展”、實施“中國制造2025”戰略的大背景下，智能制造和智能機器人專業已經成為“新工科”的主流專業方向[1]，而傳動及控制是機電系統智能化的基礎，因此，機、電、液傳動控制課程的地位和作用不言而喻。

目前，機、電、液傳動控制在大多數學校都是分為機電傳動控制、液壓與氣壓傳動兩門課程開設的。這兩門課程盡管理論性不強，但涉及的學科多、知識點多，而兩門課程教材各自為政、融合性不強[2]，課程知識點難以打破課程間的界限[3]，在現有教學體系下，存在知識點分散、教學手段落后等問題[4]。以上情況導致部分學生知識結構碎片化嚴重，對所學課程和專業內容缺乏系統性掌握，導致缺乏學習興趣和主動性，影響了教學效果。新時代背景為機電設備賦予更強大的內涵，在機、電、液傳動控制系統的集成化程度越來越高的同時，也更關注設備的網絡化和智能化。這就對課程設置的系統性和科學性提出了更高的要求。與國內部分學校相比，國外部分學校更重視課程的系統性和整體性，機、電、液傳動控制在很多學校都是整合為一門課程來組織教學的，如新加坡國立大學、加州大學伯克利分校等[5]。

盡管機、電、液傳動控制課程內容多、知識點多，但該課程有一個突出的特點，即核心內容可以分為多個獨立且相互平行的教學項目，包括直流電機、交流電機、步進電機、液壓傳動系統、氣壓傳動系統等。不同項目間相互關聯，又自成體系。這樣就為實現機、電、液傳動控制課程教學內容的整合，實現融合教學提供了條件。為此，課題組探索機、電、液傳動控制課程融合教學新方式，重建課程體系和大綱，并就教學方式和實驗實踐方法提出具體的實施方案。

一、機、電、液傳動控制課程融合教學的課程體系設計

以如圖1所示的機電系統中最典型的運動控制系統為例，機電系統的驅動對象都是機械本體，機、電、液傳動系統的設計目標是使機械本體獲得相應的運動學參數與動力學參數，并滿足精度、效率以及自動化程度要求，而直流電機、交流電機、步進電機、液壓傳動、氣壓傳動都是能量轉換和信號傳遞的獨立部件或系統，具有相似的功能和地位，這樣就可以在同一系統框架下構建課程體系。以此思路重新整合現有教學資源，突出核心內容、刪減繁枝末節、優化教學大綱，使學生可以對課程內容建立系統的概念，既掌握各部件之間的共性和聯系，又理解彼此之間的區別，達到克服課程內容分散、系統性不強的問題的目的。

二、機、電、液傳動控制系統課程的融合教學內容設計

設計理念：以實現教學內容的系統性為目標，緊緊圍繞“傳動”與“控制”兩個關鍵任務，將機、電、液作為實現以上任務的具體方法和途徑，對原有教學內容進行更新、整合，對理論、仿真和實驗內容進行統籌設計，實現教學任務的全面融合。

設計內容：課程教學內容框架設計見圖2。教學內容以機電傳動系統動力學和液壓流體力學為基礎，將所有教學內容分為直流電機、交流電機、步進電機、液壓傳動、氣壓傳動五個獨立的教學項目，對于每一個教學項目，分別從理論知識、建模與仿真、實驗與實踐等三個層面組織教學。對每個教學項目的理論內容進行重新梳理和整合，突出各個項目的共性表達，并為每個教學項目梳理一個歸一化的知識框架，具體為：將每個教學項目的全部內容梳理為“部件結構”“機械特性”“傳動原理”“控制特性和方法”“控制電路和回路”五個知識模塊，教學內容均按照這幾個模塊劃分歸類。針對每個教學項目梳理實驗與實踐教學內容，整合現有實驗設備，對于不能開設的實物實驗或實驗設備落后于理論教學內容的實驗項目，采用仿真實驗代替實物實驗[5]，與實物實驗互為補充，相互融合。

設計特點：這種教學設計可以使每個教學項目內容縱向自成體系，同時不同項目的知識模塊間可以橫向對比，使煩瑣復雜的教學內容脈絡更為清晰，既有利于教師組織教學，又有利于培養學生的系統化思維，同時便于學生學習、記憶和復習，激發學生學習興趣。

三、機、電、液傳動控制系統課程融合教學的具體實施

（一）理論教學的具體實施

通過以上教學內容設計，課程體系脈絡更加清晰、系統性更強，但仍存在課程內容復雜、知識點多等問題，因此，可以采用思維導圖來輔助教學[6-7]。在課堂教學之前，將所有教學項目的知識框架按照上述五個知識模塊進行梳理，如圖3為直流電機項目的知識框架，其他五個項目可以構建類似的知識框架。引導學生在學習的過程中以此為基礎，一邊學習一邊豐富擴展每個項目的內容，利用思維導圖的形式呈現出來。單個項目自成系統，增強了知識的系統性；不同項目的知識模塊間可以相互比較，幫助學生理解不同傳動部件間的差異性。如“部件結構”模塊，各種電機都有定子、轉子，但它們的定子和轉子電路的結構、功能完全不同，學生可以按照講課內容添加的注解、公式，理解其相同點和區別之處。同樣，對各種電機的“啟動特性”“調速特性”“制動特性”“控制電路”等也可以增加類似的注解和比較。對液壓、氣壓教學項目，也按照這五個知識模塊進行梳理，并在這幾個方面與電機進行對比，可以使學生更容易理解兩類傳動部件之間的共性特點及相互區別。最后，將所有項目的內容放在一張思維導圖中。一張圖涵蓋了所有教學內容，既方便了學生理解記憶，又便于學生復習。

（二）建模仿真教學的具體實施

Simscape是 MATLAB/Simulink 模型庫的一部分，是一種功能強大的物理建模和仿真工具，可以對機械、電氣、流體力學、熱力學等系統進行建模仿真，用戶通過選擇和連接不同的物理組件，如電容、電感、電阻等，來構建系統模型，使得建模過程更為直觀和易于理解[8]，非常適合用于傳動控制課程的建模仿真?？梢蚤_展的仿真實驗非常多，包括各種電機及液（氣）壓系統的組成原理模型，啟停、調速、制動等控制特性回路，以及閉環控制系統的建模等，實際教學中可以根據不同的教學目標靈活設計。圖4為直流電機反接制動的仿真模型。引導學生結合課程內容構建仿真模型后，分析模型結構和參數對仿真結果的影響，并給出仿真實驗報告。這樣可以使課堂教學、課下自學與建模仿真相融合，加深學生對機電傳動控制的部件和系統的理解，鍛煉創新設計、系統分析與軟件應用能力。

四、機、電、液傳動控制系統課程融合教學的考核方式和實施效果

過程考核的科學性和合理性是目前一些課程仍然面臨的難題[9]。機、電、液傳動控制系統課程的融合教學方式更易于實現學習過程考核。如，在過程考核中增加仿真實驗作業的占比，減少課后作業的占比。每個教學項目課堂教學完成后布置本項目的思維導圖作業，加強對學生學習過程的監督；另外，在課堂教學中隨機安排雨課堂測試，讓教師既可以了解學生課堂學習情況，保證成績的區分度，又可以掌握出勤情況。通過上述幾個方面綜合確定過程性考核成績，在考查學生學習態度、學習能力和知識掌握情況方面都具有科學性。

課題組針對上述教學和考核方式進行了初步實施和測評，過程考核成績由課后作業、建模仿真、思維導圖以及隨機雨課堂隨堂測驗等部分組成，占比分別為20%、20%、30%、30%，過程考核成績和期末成績各占總成績的50%。經過初步的測試，大部分學生過程考核作業的完成情況和期末考試成績均為良好；而從學生的調查反饋來看，除少數學生反映學習過程壓力較大外，大多數學生均對學習過程和考核方式給出了積極評價。

五、結論

課題組對機、電、液傳動控制系統課程的融合教學進行了探索和初步實踐，為典型的運動控制系統基礎構建了融合教學體系，將各種電機與液、氣壓傳動系統作為獨立的教學項目，并對每個教學項目的內容按照相同的知識模塊進行劃分歸類，使課程系統性更強，知識脈絡更加清晰。教師進行理論教學時構建知識框架，并對課程教學內容和實驗實踐進行了具體設計。在過程考核方面，分別從學習過程監督、創新應用能力、課堂學習能力等多個方面設計了考核方式，保證了過程考核的科學性。實踐結果表明，機、電、液傳動控制系統課程融合教學的考核方式和實施效果良好，順應了我國“新工科”背景下的工程教育改革，為加強智能化人才培養賦能。

［ 參 考 文 獻 ］

［1］ 楊天興，劉昊，曾輝，等. 新工科背景下智能制造專業實踐教學模式的構建[J]. 智能制造， 2023（6）：124-127.

［2］ 農勝隆，高尚晗." “機、電、液”知識體系融合的實踐教學改革與研究：以柳州工學院機械工程學院為例[J]. 科教導刊， 2022， 33（11）：61-64.

［3］ 王克義，黃玉瑄.機電傳動及控制教學改革的探索與實踐研究[J].教學研究， 2016， 39（1）： 88-92.

［4］ 谷艷玲，張靜. 機電液傳動課程的融合教學與實踐[J]. 教育現代化， 2018， 5（10）：238-239.

［5］ 孫麗穎，白銳，趙鳳賢.基于 OBE 理念的發電廠電氣部分課程建設[J]. 高教學刊， 2024（2）：71-74.

［6］ 馬偉麗，吳磊.基于思維導圖的機械專業理論與實踐課程聯動研究[J]. 裝備制造技術，2021（2）： 142-144.

［7］ 董霞. 思維導圖在電機學課程中的應用[J]. 中國教育技術裝備，2018（18）：88-92.

［8］ DAS S. Modeling and simulation of mechatronic systems using simscape[J]. Synthesis lectures on mech?anical engineering， 2020，5（1）：1-171.

［9］ 曾永慶，胡衛東，劉曉紅，等.新工科背景下基坑工程設計與施工課程全過程考核改革探索與實踐[J].創新創業理論研究與實踐，2023（22）：125-127.

［責任編輯：雷 艷］