机电专业实践教学模式探索

王晓峰，刘 云

(集美大学 机械与能源工程学院，福建 厦门 361021)

机电专业实践教学模式探索

王晓峰，刘 云

(集美大学 机械与能源工程学院，福建 厦门 361021)

本文首先分析了机械电子工程本科专业跨学科的综合性、更新换代快等特点；指出了在其实践教学的课程设置和实践项目设置方面，要注重先进性、开放性和创新性；而后设计了机械电子工程本科专业创新性实践教学模式的架构。最后，通过教学实践证明了该教学模式的有效性。

创新实践教学；嵌入式系统；综合设计

0 引言

机械电子工程本科专业是机械工程一级学科下的一个跨学科的二级学科专业，它涉及到机械、电子、计算机、自动控制等相关的基础知识。其目的是培养从事机械电子相关产品的设计制造、控制系统开发、应用研究和生产管理等工作的高级专门人才。由于机械电子工程相关专业知识发展和更新快，为了培养适应时代发展，具有创新能力的专业人才，机械电子工程本科专业的实践性课程和项目设置要具有先进性、开放性和创新性。

本文阐述业已实施的机械电子工程专业本科创新性实践教学模式改革项目的基本架构，即嵌入式应用基础课程实验项目、“基于项目学习”模式的机电系统控制器课程设计及综合性专业大设计项目和以学科竞赛为载体的实践教学项目。该实践教学模式改革项目遵循由简单到复杂，由单体到综合，由基础到提高的循序渐进的教学过程。从而，形成了四位一体的机械电子工程专业本科创新实践教学模式。从2009年开始，通过近7年的教学实践，验证了上述四位一体的教学模式改革项目的有效性:保证了专业知识与时代发展同步，提高了学生创新与实践能力。

本文结构安排如下：在接下的四小节分别论述嵌入式应用基础课程实验项目、机电系统控制器课程设计、综合性专业大设计项目和以学科竞赛为载体的实践教学项目。最后，总结了实施该实践教学模式的改革与探索成果，验证了该实践教学改革与探索的有效性。

1 嵌入式应用基础课程实验项目

嵌入式系统因其性能好，价格便宜，开发成本低等特点，被广泛地应用到机械电子产品之中。嵌入式的理论与实践教学是机械电子工程专业本科生的重要基础教学。同时它也是后续课程如“机电传动控制”，“自动控制原理”等的基础。在“机电传动控制”课程中，MCU(Micro-control Unit)可以作为各种电机的控制器；在“自动控制原理”课程中，利用MCU可以验证各种控制算法，如比例P(Proportional)、比例积分PI(Proportional -Integral)、比例微分PD(Proportional-Derivative) 、比例积分微分PID(Proportional-Integral- Derivative)等。对于本科学生尤其是普通高校学生而言，学习MCU，选择入门芯片既不能太复杂，又必须达到掌握MCU基本架构及以MCU为核心的嵌入式工程开发方法与模式的主旨。

由于历史原因，51系列单片机较早地进入我国，至今许多高校的单片机教学仍使用51系列单片机，作者比对了MCS-51与MC9S08AW60两款单片机，图1(a)和图1(b)分别示出MCS51单片机和AW60的内部结构[1,2]。通过两图的对比，可以发现同是8位MCU，MCS-51系列的单片机资源少，总线频率低，不能满足机电控制系统中高精度和高速度控制要求。为了适应行业发展，培养适应行业发展的人才，笔者选用了MC9S08AW60作为学习MCU入门芯片，并争取到Freescale公司的大学计划的支持，为开展嵌入式的理论和实践教学创建了良好的硬件条件，保证了约30人左右一个班每人一套实验设备。在学时方面，保证单片机课程中实验实践学时至少占总课程学时25%，在条件成熟时可以运用项目驱动和任务驱动教学法进一步扩展实验实践课时。

为使学生通过实验课，逐步对所学内容融会贯通，掌握行业工程开发方法与模式，在实验项目的设计上采用以下方法：①实验采用工程项目框架构；②每个实验在工程框架中建立一个或几个构件；③实验内容由浅入深、逐步扩展项目内容。全部课程实验完成后，就形成一个相对完整的工程架构。以LED灯的控制实验为例，实验工程架构如图2所示。做此实验主要达到两个目的：一是通过实验使学生深入理解GPIO原理掌握其应用；二是初步理解构件式的工程架构。该工程由四个构件组成，其中MCUInit.c中是对芯片时钟等初始化相关函数，在做此实验时直接给出代码，并不要求学生掌握，只要知道其功能会调用即可；General.c构件中是与芯片没有直接关联的相关函数，比如此实验中用到的延时函数；Led_Switch.c构件中是关于GPIO的所有功能函数，函数名称及其功能如表1所示。

(a) 51系列单片机 (b) AW60MCU图1 51系列单片机与AW60MCU内部结构对比图

图2 LED灯控制实验的工程架构图

函数名称函数功能voidGPIOInit(void)对连接LED灯及拨动开关的GPIO接口初始化UsignedcharReadin(void)读取连接在输入接口的拨动开关状态voidLight_shift_right(void)控制连接在输出接口上的8个LED灯右流水voidLight_on_off(void)控制连接在输出接口上的8个LED灯全亮然后全灭voidLight_half(void)控制连接在输出接口上的8个LED灯四亮四灭voidLight_shift_left(void)控制连接在输出接口上的8个LED灯左流水

在完成Led_Switch.c构件中的各个函数后，进一步完成基于工程主构件main.c。通过在主函数中实现实验要求功能，理解构件化架构的实质，主函数内容如下：

void main(void) {

unsigned char inkey;

MCUInit();

GPIO_Init();

for(;;) {

inkey=Readin();

if (inkey==0) Light_on_off();

if (inkey==1) Light_half();

if(inkey==2) Light_shift_right();

if(inkey==3) Light_shift_left();

}

在后续的各个实验中，当有与前面实验相同的应用时，即可导入前面实验已经建立的构件、建立本实验新功能构件组建工程，充分体现行业工程开发的可移植性强、效率高的特点。

2 机电系统控制器课程设计项目

机电系统控制器课程设计由嵌入式基础课程设计和PLC课程设计两部分组成。

机电系统中常用控制器为微控制器(MCU)、可编程控制器 (PLC) 和工业控制计算机。鉴于工控机成本较高，开放性不足，笔者利用前面两个控制器，开展了嵌入式基础课程设计及PLC课程设计。

在进行嵌入式基础课程设计过程中，笔者考虑到将机械电子工程专业本科生所学的机电系统中重要的元素融入其中。为此，设计了多功能电子钟、步进电机运动控制、直流电机的运动控制和四自由度机械手的姿态控制等项目。课程设计项目的实物图如图3所示。

对这些体现机电控制系统的重要元素或机电控制系统雏形的课程设计项目进行扩展，就可以组成复杂的机电系统。例如，对步进电机运动控制课程设计项目进行扩展，就可以实现两个步进电机联动的运动控制，完成直线或圆弧的数控插补加工功能。再如，对多功能电子钟课程设计项目进行扩展，就可以组建一个良好的人机交互系统。

PLC课程设计项目为一个四自由度的机械手的运动控制。该项目中，PLC、机械手本体、驱动、电机及运动控制器都已经设计和安装好。学生的任务是设计机械手的运动控制程序，实现机械手将工件从工件库中搬运到指定工位的功能。PLC课程设计项目的实物如图4所示。

(a)多功能电子钟 (b)四自由度机械控制

(c) 步进电机控制 (d) 直流电机控制 图3 嵌入式基础课程设计中的项目实物图

图4 PLC课程设计项目的实物图

这些课程设计项目都是在一些实作平台的基础上展开的，对工科的学生来说，学生的设计不能止于方案论证和仿真实验上。仿真实验仅仅是工程设计中的一步，其目的是以简便快捷的方式来验证设计方案是否可行，或者辅助设计验证。仿真实验大都在理想条件下进行，没有考虑设计对象在实际运行环境中的噪声和干扰。仿真实验可行的方案在实际条件下不一定可行。培养学生解决实际工程问题的能力是工科教育的重要目的之一，所以，在仿真实验可行的情况下，应尽可能地创造条件，将理想的设计方案付诸实施；让学生接受从方案设计、元件制作装配到最后的调试等一整套工程训练。这种实践教学模式，解决了快餐式、观光式等实践教学脱离工程实际的现状，从而培养学生的实践工作能力和综合运用所学知识解决复杂的实际工程问题的能力。

3 综合性专业大设计实践教学项目

根据我校教学文件的要求，从2012年入学的本科生开始，学生在学完了所有基础和专业课程之后，要进行一个为期2到3周的综合性专业大设计，将学生所学的专业知识串联起来，以培养学生综合运用所学专业知识的能力。

为此，笔者设计开发了一个能让学生综合运用机械电子专业的基础和专业知识的实践教学平台。该平台集机械设计与制造、电子技术、传感器技术、自动控制技术于一体。主要包括两个部分：一个三自由度的机械手和一个自动运载小车(AGV)。自动运载小车，能自主导航，将工件从仓库运送到机械手能够抓取的工位。机械手能从到达工位的小车上抓取工件，并将其运送到另外一个工位。通过小车与机械手的配合搬运工件，以模拟自动化生产线上的工件运输线。实物如图5所示。

图5 机械手和自动运载车(AGV)小车实物图

该实验教学平台的总体设计方案由教师给出。学生的主要任务分为机械设计与校核和电气控制系统设计两部分。机械设计与校核部分主要包括机械手的传动部件、导向部件和执行部件的设计与校核、小车的结构设计、强度校核和传动部件的设计等。电气控制系统设计部分主要包括，机械手的电气控制系统和小车的电气控制系统设计。考虑到实践的可操作性、制作成本以及与前面课程的衔接，教师规定机械手和小车的电气控制系统都是以MCU作为控制器。学生自己选择电机及其驱动器，设计和制作相关的外围电路，编写控制程序。

通过一轮的教学实践，大部分学生都能根据设计任务，查找资料，进行设计和制作相关的硬件以及调试软件程序。以此锻炼学生综合运用知识的能力，培养学生分析和解决问题的能力，调动和提高了学生学习的主动性。

4 以竞赛为载体的实践教学项目

笔者从2009年起，就指导和带领学生参加 “飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛。该竞赛涉及到机械、电子、模式识别、自动控制、计算机等知识的综合应用。这些知识都是机械电子工程专业的基础知识。因此，它是锻炼和培养机械电子工程专业学生综合能力的一项竞赛。这项竞赛也符合华盛顿协议的12项工程专业认证标准[3]。其中每一项指标在智能车赛中都有体现。

以学科竞赛为载体的实践教学针对的是经过嵌入式应用基础课程学习，通过选拔进入到竞赛项目中的学生。但仅经过入门级的MCU学习参加竞赛是远远不够的，还需经过必要的培训及针对性的指导。首先指导教师对竞赛相关的技术元素、具体赛题如何搭建框架、实施方法及步骤进行总体培训，然后对这部分学生采用以竞赛小组为单位的任务驱动训练。指导教师分组时要综合考虑以下两个方面的因素：①每组的成员能够相互协调、分工、合作，能够有条不紊地开展工作；②每组成员的知识结构和优势互补，通常是把具有不同知识结构、善于做软件和善于做硬件的队员组合在一起，使他们能够相互学习、相互促进。各组根据各自情况制定为期一周的任务，每周回顾本周任务完成情况、提出存在的问题和困难、制定下一周任务计划。指导教师对存在的问题、困难进行分析讨论及辅导，同时训练各组学生随着竞赛的深入逐步撰写技术文档，以各组学生为主导定期组织技术交流，指导教师进行点评，提出问题、纠正偏差。经过如此训练的学生在技术层次、工程应用能力、创新实践能力上都得到极大的提高，并且竞赛结束后这部分学生会在大学生科技创新项目开展、对新生及低年级学生进行学生层面专业宣讲及示范、参与教师科研项目等方面发挥重要作用。

经过近7年教学实践证实，经过以学科竞赛为载体的实践教学模式培养的学生，对机械电子工程专业的知识都能够综合应用，专业知识水平都有较大的提高，能够在就业时入职到相关行业的技术研发岗位。

5 结语

笔者之所以致力于上述四位一体的机械电子工程专业本科创新实践教学模式的探索，是因为我们奉行：“我听过了，我就忘了；我看见了，我就记得了 ；我做过了，我就理解了 ”的教育理念[4]。让学生从实际动手实践的过程中，理解、掌握和提升专业知识。

如果把嵌入式应用基础课程实验平台及实验项目建设、相关的基础课程教学，如机械设计基础、自动控制、机电传动控制等，看成一个一个单独的点话，那么嵌入式课程设计及PLC课程设计组成的机电系统控制器课程设计项目建设就是连接一个一个点的折线，综合性专业大设计和以学科竞赛为载体的实践教学就是对折线进行优化拟合之后的优美曲线。

[1] 汪贵平等.单片机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2009.1.

[2] 王宜怀等.嵌入式技术基础与实践(第2版)[M].北京：清华大学出版社，2011.3.

[3] http://www.ieagreements.org/Washington-Accord/

[4] 吴晓丹.蒙台索利教育思想与方法[M].上海：复旦大学出版社，2011.6.

Exploration of Practice Teaching Model for the Major of Mechatronical Engineering

WANG Xiao-feng，LIU Yun

(SchoolofMechanicalEngineering,JimeiUniversity,Xiamen361021,China)

The paper analyzes comprehensiveness and rapid development in the major of mechatronical engineering for the bachelor's degree.Therefore, in the development of creative practice teaching projects, we should make these projects advanced, open and creative.We design the projects of the creative practice teaching model for the major of mechatronical engineering for the bachelor's degree.The feasibility of the designed creative practice teaching model has been verified by our teaching practice.

creative practice teaching; embedded system; comprehensive design

2016-01-20;

2016-09-12

王晓峰 (1965-) 女，副教授，主要从事嵌入式系统教学和计算控制研究，E-mail:fengwang_65@aliyun.com

H319

A

1008-0686(2016)06-0130-05