机电传动及控制教学改革的探索与实践研究

王克义++黄玉瑄

[摘要]用文献资料法、访谈法、问卷调查法和数理统计法，对黑龙江省机电传动及控制课程教学进行研究，参考机电传动及控制方面的专家意见，依据实践中机电传动及控制急需解决的问题，结合学院教学现状及实际条件，对机电传动及控制教学进行改革，构建机电传动及控制课程新体系，并对该教学改革进行应用效果的检验，结果显示效果显著，可以广泛推广。

[关键词]机电传动及控制；教学改革；开放式；实验教学

[中图分类号]G423.07[文献标识码]A[文章编号]10054634（2016）010088050

引言

机电传动及控制是高等学校机械设计制造及其自动化专业的专业基础课，是从事机电系统设计必需知识的重要组成部分。通过课程的学习，使学生了解机电传动的基本知识，注重理论分析的同时强化学生的工程实践意识，培养学生的分析问题能力、动手能力和创新能力[1]。但现有传统教学方法导致学生对这门课程的学习兴趣低，认为难度较大，不利于学生科研创新能力的培养。为了提高教学质量，培养复合型人才，教学改革势在必行[2，3]。近年来，各高校对机电传动及控制课程的改革进行探索性研究[46]，但总体上，关于机电传动及控制教学改革的报道较少，且缺乏实践研究，为此，对机电传动及控制课程教学进行研究，查找现有教学存在的主要问题，提出教学改革方案，并对哈尔滨工程大学2011级机械设计制造及其自动化专业本科生进行实践教学改革检验，为培养机械设计制造及其自动化专业合格人才提供依据。

1研究对象与方法

1.1研究对象

以机电传动及控制课程的教学为研究内容，对黑龙江省相关方面的教师和实验室主任以及高校学生和参加相关工作的毕业生进行调查，掌握现有的教学现状，根据实际需要对机电传动及控制课程的教学进行改革和实践。

1.2研究方法

1）文献资料法。查找国内外有关机电传动及控制以及高校教学改革方面的著作6部、相关文献100余篇，并对获取的资料进行整理、分析、归纳，为本研究提供理论参考。

2）访谈法。以修改2014版培养方案为契机，走访黑龙江省哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨理工大学、东北林业大学、黑龙江科技大学、黑龙江工程学院共6所高校机电传动及控制方面的专家及各实验室主任15人，深入探讨机电传动及控制课程的教学目标、开设形式、教学体系内容设置、评价考核方式等教学改革内容，为教学大纲修改和教学改革研究提供参考依据；访谈已修完该课程的学生和参加相关工作的毕业生，获取他们对机电传动及控制这门课程的教学内容、教学形式等方面的实际要求和建议，主要访谈内容为实践工作中常使用何种类型电动机、直流电动机调速方法、交流电动机调速方法、交流电动机电器控制方式、位置伺服控制策略等方面，为教学改革设计方案提供参考。

3）问卷调查法。（1）问卷的制定。参阅相关资料和量表，咨询机电传动及控制方面的专家，在与学生交谈和亲身教学经历等基础上获得大量的实际信息，从而制定《高校机电传动及控制课程教学现状调查》和《机电传动及控制课程实践要求调查》两种问卷。《高校机电传动及控制课程教学现状调查》问卷内容主要包括教学模式、教学内容、教学手段、实验教学现状和考核方式等方面，了解黑龙江省6所高校的机电传动及控制课程教学现状。《机电传动及控制课程实践要求调查》问卷内容主要包括基本工作情况、科研创新能力和实践操作能力三方面内容，掌握学生和参加相关工作毕业生的现状及对机电传动及控制课程实践要求的具体内容，为教学内容的制定提供依据；（2）问卷的信度检验。应用SPSS14.0统计学处理软件对发放问卷进行内部一致性的检验，由所得的克隆巴赫系数（见表1），显示问卷具有较高的信度；（3）问卷的效度检验。采用五级评分的方法对发放问卷进行效度的评价。在发放问卷之前，将问卷发放给20位相关专家，对问卷进行评级及评分，检验结果表明问卷具有较高的效度（见表2）；（4）问卷的发放回收。选取高校从事机电传动及控制教学多年的教师及实验室主任15人进行机电传动及控制教学现状问卷发放，回收15份，有效问卷15份，回收率和有效率为100%。选取高校学生和参加相关工作的毕业生进行机电传动及控制课程实践要求调查问卷发放，共发放问卷700份，回收657份，回收率93.8%，有效问卷607份，有效率为92.4%；（5）问卷结果分析。将回收的调查问卷数据录入到EpiDate软件中，导出成Excel格式， 应用SPSS14.0进行统计分析。

问卷名称克隆巴赫系数高校机电传动及控制课程教学现状调查问卷α=0.763机电传动及控制课程实践要求调查问卷α=0.754表2问卷效度指标统计表（n=20）

问卷名称一般比较适合非常适合平均评价分数高校机电传动及控制课程教学现状调查问卷7134.04机电传动及控制课程实践要求调查问卷27113.614）实验法。选取哈尔滨工程大学2011级机械设计制造及其自动化专业本科生进行机电传动及控制教学改革的实践检验，通过实践教学对该教学改革的合理性和可行性进行检验及诊断，为教学体系的修改及教学改革的大规模实施提供依据。

2结果与分析

2.1机电传动及控制教学现状

机电传动及控制课程是机械设计制造及其自动化专业的一门专业基础课，是机电一体化人才所需电知识结构的驱体[7]，但调查显示黑龙江省该课程教学存在以下问题。

1） 机电传动及控制教学模式单一。经调查发现，黑龙江省各相关高校的机电传动及控制教学大部分（80%以上）仍然进行传统的教学模式。以班级为单位进行授课，教学环节多为教师讲授为主。虽然教学在一定程度上使学生了解和掌握了相关知识，但传统教学忽略学生的主体作用、教学内容单调，不利于学生发现问题、解决问题，不利于学生创新精神和科研能力等综合素质的培养，不能适应现代教育发展的基本要求。

2） 机电传动及控制教学内容脱离实际需要。现有的教学内容都为教学大纲设定教学课时和内容，其内容脱离实践需要，学生参与工程项目很少甚至是没有，这样的教学内容导致培养出的学生缺乏理论知识的应用能力，与某些社会岗位脱节，影响走向工作岗位后的实际动手能力，还存在实验教学内容缺失或不足的弊端。有的高校即使拥有实验教学内容，但内容陈旧、更新很慢，并且90%以上的实验内容为认知性和基础验证性实验，综合性和设计性实验很少，不能满足现代的实践要求，严重抑制学生综合素质的提高。

3） 教学手段落后。调查显示，黑龙江省70%高校的机电传动及控制课程，只是停留在教师板书或简单的课件教学上，课堂的讨论、分析和交流很少。为了提高教学质量，激发学习兴趣，应改进教学手段。

4） 忽视实验教学，学生实践能力较差。调查显示，在机电传动及控制教学中，存在重理论、轻实验的现状，100%的高校对实验教学没有应有的重视，甚至不开设实验课，理论与实践联系不紧密，学生学习无积极性，被动的参与实验，实验达不到应有的效果，抑制了学生创新能力的提高。

近年来，随着教学改革的深入，各高校已加大对实验室建设的投入，在一定程度上改善了实验教学环境，但由于学生数量的剧增，实验室管理体制和实验教学模式的发展相对滞后，导致实验教学效果较差，严重制约当前高校对于复合型、创新型人才的培养。

5） 机电传动及控制教学考核体系陈旧。现有的机电传动及控制教学没有形成完善的考核体系，大部分（80%）只是通过期末一张试卷来考核，或者与课堂教学出勤率相关联，这种教学考核现状不利于学生综合能力的考察，不利于学生学习积极性的提高，不利于学生创新能力的培养。

2.2机电传动及控制教学改革内容

通过访谈和调查，大部分专家认为机电传动及控制课程的教学目标是使学生了解机电传动及控制的基本知识，掌握直流、交流电动机及步进电动机的工作原理、工作特性、选用方法，掌握电机电器控制线路的分析与设计；开设的形式为专业选修，32学时，第5学期开设；教学内容主要分为机电传动系统的动力学基础、直流电动机和交流电动机的工作特性、伺服电动机、机电传动控制系统中电动机的选择、机电传动系统电器控制、电动机伺服控制基础等；考核方式以形成性评价为主、应用多种评价手段相结合的方式，主要考察学生的实践应用能力。针对专家的建议又结合学生在实践中的应用，对机电传动及控制课程进行如下改革探索。

1） 应用任务驱动教学法，突出学生主体地位。机电传动及控制是一门实践性较强的课程，学生既要掌握理论知识，又要具有扎实的实际操作技能。任务驱动教学法很适合这一课程的教学。任务驱动教学法是一种以建构主义教学理论为基础的教学方法，在整个教学过程中，以完成预先设定的任务为目的，把教学内容隐含在任务之中，让学生在问题动机的驱动下，积极主动利用各种学习资源，进行自主探索和互助协作的学习，是一种探究式教学方法。教学过程举例如下：（1）教学内容设计成具体任务。结合机械设计制造及其自动化专业学生已有的知识现状，精心设计每个任务，并以相关科技创新大赛的典型作品为参照，使每个任务具有真实性；（2）学生对任务进行分析和讨论。引导学生分析任务并提出问题，而学生自己提出的问题，就是新教学内容的知识点，这时教师再将新知识传授给学生，调动学生主动求知的欲望；（3）完成任务。根据学生提出的问题，教师及时讲授新的教学内容，在完成任务的具体操作中理解和掌握新的知识点，加强对学生综合素质的培养。如对于永磁直流电动机的调压调速知识点，以全国大学生机器人大赛为例，要求学生利用单片机等控制电动机进行位置伺服控制。考虑机器人要实现的功能要求和控制特点，分析电动机的驱动方案、控制方案，以采用PWM变换器实现调压调速，并利用仿真手段验证方案和措施的可行性，最后以实际机器人为对象，通过输入指令改变施加于电动机上的电压，并观测电动机的运行状态，从而直观验证电动机的驱动和控制方法，提高学生对知识的理解和应用能力。教学过程如图1所示。

2） 更新教学内容，围绕工程项目合理构建课程体系。突破学科界限，以能力培养、素质教育为方向，根据实际需要，围绕课程目标，参考专家建议，构建科学合理的课程体系。在教学改革中，教学内容以实际工程项目为背景，实施项目化教学。具体做法为：第一，参考企业专家意见理顺专业知识、能力和素质的关系，形成课程群，构建课程体系；第二，产学研紧密结合，学生参与到工程项目实践中，将所学理论知识和基本技能运用于工程实践，掌握典型机电一体化系统的核心技术和整体概念；第三，以工程项目为媒介，贯穿于整个教学过程，将项目的核心技术渗透到课堂教学，激发学生自主学习的热情，有利于提高学生的工程意识和创新能力。如针对三相异步电动机正反转的电器控制知识点，以某一锅炉试验装置为例，需要采用三相异步电动机对装置的上水阀、蒸汽阀和排水阀进行一定关系的逻辑控制，以实现特定功能试验。基于装置的实验要求，确定结合PLC的低压电器控制回路，确定电气原理图，并具体讲授所用的空气开关、继电器、接触器等电器元件的功能，以及如何实现交流电动机的正反转控制。考虑电器控制柜和电器元件的外形尺寸，绘制电气设备安装图，再根据原理图绘制电气设备接线图。通过结合工程实践，构建框架式的教学体系，提高实践动手能力及工程意识。教学过程如图2所示。

3） 丰富教学手段，MATLAB应用到教学中。改进教学手段，利用多媒体、网络、录像等辅助手段进行教学，注重多媒体课件制作及更新。机电传动及控制课程要求学生掌握电器、电机、晶闸管

的工作原理、特性以及选用，常用的开环、闭环控制系统的工作原理、性能等内容。其中涉及到电和控制等方面的知识点非常抽象，难以形象地表达出来，而目前各高校由于教学经费紧张等原因，实验课很少或是无法进行，限制教学质量的提高。为此，根据教学大纲要求，结合教学实际条件，将MATLAB引入到机电传动及控制课程的教学中，使用其中的Simulink图形界面仿真工具，将课程中抽象的概念和原理形象化，使教学内容与仿真方法相结合。但仿真不能取代实验，只有将两者有机结合、互为补充，才能取得更好的教学效果。同时在课件中加入更多的动画和图片，有利于学生对原理的直观认识和理解。如永磁直流电动机的串电阻启动方法，依据电动机的机械特性方程，利用Simulink建立拖动系统模型，通过切换电枢回路中的附加电阻，观测以图形和数字显示的电枢电流和电机转速，明确最大电流、切换电流和启动段数与启动过程的关系。

4）改变实验教学方法，实行多层次开放式教学。开放式实验教学是在以学生为中心的理念下提出的，呈现多层次，实验时间、空间、内容和教学方法等不受限制，学生有自主选择权的新型实验教学模式[8]。开放式实验教学符合创新性人才培养目标和现代教育发展的客观要求，有利于优化教学资源、培养学生创新能力。为此，结合哈尔滨工程大学实验室现有条件，对机电传动及控制课程的实验进行开放式教学尝试，构建开放的实验教学内容体系，将实验分为基础验证性、综合性及设计性3个层次。在实验教学中，教师只给出实验目的，学生可以根据实验目的自己选择实验内容，教师只对学生设计的实验方案进行方向性指导，为学生主动学习和个性发展创造一个较好的外境，提高学生学习积极性。搭建实验室开放网上预约平台，学生可根据自身需求结合时间安排预约实验，力求改善实验教学质量，提高综合素质，培养复合型人才。如永磁直流伺服电动机的电枢回路串电阻调速方法实验，建立永磁直流伺服电动机驱动的丝杠螺母机构，以移动平台运动速度作为观察信息，观察改变旋转电位计时平台移动速度，并分析传动机构的静摩擦和动摩擦。同时在移动平台边界位置设置行程开关，掌握传动机构驱动的保护形式。

5） 加强教学考核，提升教学质量。加强考核是端正学生学习态度、提高教学质量的重要方法。考核方式和内容的科学性及合理性是教学改革的重点。经过多年的教学实践研究，推行全程考核，打破以试卷定成绩的束缚，构建以考查知识、能力和素质为目的，过程性评价与终结性评定相结合，建立多元化全程教学考核新方法，引领学生走全面协调发展之路。考核内容中基础理论知识问答占30%、平时考核占20%（包括出勤、课堂表现等）、实践操作能力占50%，对学生综合能力进行评价。评价方式为学生自评、学生互评和教师评价相结合的方式。如以工程焊接机器人为例，在已知工况条件下，完成机器人驱动电机类型的选择和功率的计算，并在网络上选出具体电动机，然后进行答辩，从而实现全方位的考核。

2.3教学改革效果评定

教学效果的评价采用专家和学生评定两种方式进行，将哈尔滨工程大学2011级机械设计制造及其自动化专业进行《机电传动及控制》教学改革的本科生设为实验教学组，2010级机械设计制造及其自动化专业进行传统《机电传动及控制》教学的本科生设为对照教学组，将实验教学组与对照教学组基础知识掌握情况、实践中综合运用知识能力以及学生自身学习兴趣等方面进行对比评定教学改革效果。专家评定是通过对实验教学组和对照教学组两个群体学生的试卷进行分析，试卷的内容包括基础知识掌握情况和综合运用知识能力两个大方面；学生评定主要是采用问卷的形式进行，通过问卷掌握实验教学组与对照教学组学生对课程的总体教学质量、学习兴趣和自主研究及创新能力提高等方面的反馈情况，综合评定教学改革的效果。

1） 专家评定教学效果。由哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨理工大学、东北林业大学、黑龙江科技大学、黑龙江工程学院的10名教授、12名副教授组成专家组，设计试卷内容，考核学生对《机电传动及控制》课程的学习效果。通过对2011级实验教学组与2010级对照教学组学生《机电传动及控制》试卷进行比较分析，91.9%的专家认为实验教学组学生综合运用知识的能力显著高于对照教学组学生；89.6%的专家认为实验教学组学生基础知识掌握情况好于对照教学组学生；从综合评分看，实验教学组学生的平均分为80.8，对照教学组学生平均分为75.6，可以看出，该教学改革显著提高了教学质量。

2） 学生评定教学效果。以哈尔滨工程大学2011级机械设计制造及其自动化专业本科生进行教学改革的实践检验工作，教学后对学生进行不记名的教学效果问卷调查。同时为了对教学改革效果进行科学的评定，对2010级学生也进行同样的问卷调查。调查结果显示，2011级实验教学组中有86.3%的学生认为课程总体教学质量很好、91.6%的学生表示学习兴趣高，89.9%的学生认为实验后自主研究能力和创新能力得到提高。而2010级对照教学组学生中只有65.1%的学生认为课程总体教学质量很好、45.5%的学生表示学习兴趣高，58.6%的学生认为实验后自主研究能力和创新能力得到提高。可见，教学改革可以显著提高学生的学习积极性，有利于学生综合素质的提高，教学效果良好。

3结束语

黑龙江省各高校机电传动及控制课程存在教学模式单一、教学内容脱离实际需要、教学手段落后、忽视实验教学、教学考核体系陈旧等问题。为了提高教学质量，研究将任务驱动教学法引入课堂教学，围绕工程项目更新教学内容，丰富教学手段，实行多层次开放式实验教学、加强教学考核，结果显示，教学质量明显提高，学生的综合能力得到改善，应广泛推广。但在研究中还存在部分问题没有很好解决以及出现一些新的问题：（1）教学内容还需联系实践进一步完善、不断更新，应将直流伺服电动机、步进电动机等部分内容进行细化扩展；（2）教学内容多，而学时较少，很难达到预定的教学效果，需要调动学生的积极性，开设课后学习网络平台，巩固教学内容；（3）实验经费不足导致某些实验课程不能开展，需多方筹措资金，保障教学顺利进行。

参考文献

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[8] 梁上燕.高校开放式实验教学研究[D].兰州：西北师范大学，2002.

Exploration and practical research on teaching reform of

Electromechanical Transmission and Control

WANG Keyi， HUANG Yuxuan

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin，Heilongjiang150001，China）

AbstractWith the help of literature method，interviewing method，questionnaire survey method and mathematical statistics method，the teaching of electromechanical transmission and control in Heilongjiang province is studied. According to the suggestions of the experts in the fields of electromechanical transmission and control，the urgent problems to be solved in the practice of electromechanical transmission and control，the teaching situation and the actual condition of our school，the teaching of electromechanical transmission and control is reformed and a new system of electromechanical transmission and control is established. The application effect of this teaching reform is also inspected .The result shows that the effect is notable so that the reform can be widely popularized.

Key wordselectromechanical transmission and control；teaching reform；open type；experimental teaching