新工科背景下机器人方向“机电传动控制”课程教学改革

廖高华，廖钱生，万盛斌

（南昌工程学院机械工程学院，江西 南昌 330099）

0 引言

“机电传动控制”是机械电子工程专业及相关机电专业的重要核心课程，主要研究和解决生产机械和电驱动控制相关问题。在新工程背景下，传统的教学模式会出现教学内容重叠、知识点分散、实践环节少、创新性差、教学模式落后、考核评级方式不合理等问题[1]。作为专业基础课，重基础，轻案例分析；忽略内容重叠，重理论，突出先进性，轻工程应用，这会引起学生理解课程内容困难，学习兴趣和学习效果打折扣、难以提高他们的实践能力及创新能力[2]。因此，有必要对课程教学进行全面改革和创新实践。

1 适应新工科背景，优化教学大纲和教学内容

随着科学技术的不断发展，在课程教学大纲和教学内容中要注重工程应用和创新设计能力的培养[3]。因此，在收集我校师生意见的基础上，在新工程建设和工程认证的具体指导下，课程做了以下具体改进：明确内容与其他相关课程的关系，优化课程内容的结构和顺序，增加对科技前沿新装备、新技术和工程应用实例的分析。针对课程内容进行优化后，课程知识点体系结构图如图1所示。

图1 课程知识点体系结构图

（1）课程在保留现有教材主要部分的基础上，增加一些新的机电传动控制的方法，比如，液压与气压驱动控制、智能材料驱动控制等。在电力电子技术基础知识讲授中，考虑知识点关联性，重点讲述基本的控制电路；而对于复杂的电子控制线路内容，学生通过课后学习；对于不懂的内容及问题，可以进行课后答疑辅导。对于PLC控制器章节的内容可以有针对性讲解，并在同一个学期，单独设置PLC控制章节新课讲课的重点是知识的应用，从而节约课时。

（2）课程每章知识点基于项目任务驱动，让学生在规定时间内高效获取最需要的实际应用知识。例如，PLC章节部分直接创建PLC的实际控制案例，将前沿的机电一体化学术成果引入课堂，并根据我院的特点添加PLC和工业机器人自动化生产线的设计内容。在本课程的后期安排了“机械传动控制”实践训练，以便更好地了解这些设备的结构和工作原理。

（3）课程实践教学增加了项目设计、制作等实践环节，同时提高设计性实验和综合性实验的比例。实验教学分为必修实验和多选开放实验。课程开设了三相异步电机变频控制、三相异步电机皮带延迟正向反转控制、继电器-接触器控制直流电机旋转、直流调速系统控制四个必修实验，必修实验涉及本课程的核心内容。选实验包含设计性和创新性，开设了交流伺服控制、直流伺服控制、步进伺服控制等，学生们根据目前最新的技术前沿，独立展开创新设计，积极发挥自己的能动性。

2 教学模式与教学方法改革

2.1 教学改革的思路

为了解决课程课时少、知识点多、学习无用的问题，建立“任务驱动、行动指导、课程与慕课一体化”的线上与线下结合的多元立体化教学模式。

学习包括线上课前预习、线下课中授课和多种方式课后复习。课前通过在线教育平台发布任务，学生通过该课教学资源库进行预习，完成课前测试。根据课程内容的要求，整理和筛选在线信息化教学资源，如中国大学MOOC平台。将基础知识录制在微课上，将微课、学习资料、PPT等素材资料放在“学习通”APP上，建设课程在线教育资源库。根据课前预习情况，线下梳理课程知识点并针对性地讲解重点内容。在线下教学中，通过穿插思政、讨论、报告环节，激发学生的学习兴趣。对于课程中实践性较强的环节采用虚拟仿真教学，提升学生学习效果。课后通过线上线下的多种方式巩固学生所学的知识，提高学生的应用能力。

2.2 教学改革实施

本着“以项目为驱动、以问题为导向”的设计理念，结合理论和实践内容，将“课程思政”贯彻教育教学的全过程。

（1）以案例导入，将课堂内容和实际生产相结合。在课堂上教师深入讲解，对不同的教学内容采用不同的演示方式，联系生产实习，播放视频并进行分析。例如，采用制作动画的方式介绍继电器接触器的控制，向学生展示其系统中的程序控制、定时控制、时序控制等；采用视频播放的方式介绍电机，交流电机、控制电机、直流电机的工作原理和结构，比较各自的不同，能够被学生能够更直接地了解。

（2）引入虚拟仿真技术，利用虚拟仿真对综合性项目进行示范讲解和分析。例如，综合性的啤酒灌装生产线，利用虚拟化复杂的机电系统，学生可以自行学习编写顺序控制和PLC计数命令程序代码等。在理解比较困难的章节中采用翻转课堂教学，从学生能听懂到讲课，提高学生分析、解决工程实际问题的能力。下课后通过教学平台发表作业，学生们通过平台反复练习。

（3）采用任务驱动教学法，提高学生兴趣和参与度。本课程对实践能力、总体上分析问题及设计系统要求比较高，每个班级学生以3～4人分成多个课题小组。每个课题小组从教师给出的直流电机特性、交流电机特性、控制电机特性、异步电机调速及制动方法、步进电机驱动电路、步进电机步距细分、电机驱动及调速电路等典型问题中选题，并确定每个成员的具体任务。根据选择的题目，学生对系统进行机电系统分析，按照要求设计，绘制特性或电气电子图，编写相应程序，进行课堂汇报并回答教师和同学提出的问题。在完成任务的过程中，学生对课程内容会有更加深入的认识，让自己忙碌期来，提高了自己的参与度和信心。

（4）在实验教学中，将班级分成若干个组，设置1名组长，每个组由2～3人组成，实验教学组织。学生详细查阅相关资料，分析和设计实验的实施方案，教师全程跟踪组织实验课程。学生在网上签到，现场签退，课程结束前每组需要进行答辩考核。课程结束后，提交实践总结和实验报告。这种方式可培养学生的综合应用能力、设计能力和团队协作能力，有利于加深学生对所学知识的理解。

（5）思政元素无痕融入专业知识讲解过程中。例如，绪论部分让学生了解机电控制的发展经历的同时，以国家发展战略为依托树立家国情怀。在三相交流电机章节，融入电磁学的成就，培养学生树立民族精神和民族自信心的人文素养；以机电控制系统行业的正能量培养良好职业素养；在实践课程环节以一线基层优秀人物事迹的方式，培养爱岗敬业精神、工匠精神。

3 完善考核评价方式

课程评价以OBE理念为基础，引入动态过程评价机制，通过提交网上课题、学生互评课题等多种方式考察学生的学习效果，着重讨论课堂讨论、阅读笔记、自主学习报告、课堂互动、回答问题、小组讨论等。提高制作作品、大作业、报告的审查比重，贯彻以学生为中心的理念，激发学生学习的热情。考核成绩由课堂表现20%、平时测试10%、项目设计10%、实验教学10%、期末考试50%等5个部分组成。课程教学目标与考核方式对应关系见表1。

表1 课程教学目标与考核方式对应关系表

新考核方式加大了平时表现和综合实践能力的比例，提高了学生学习积极主动性及实践的创新能动性，避免了学生期末集中突击的弊端。

4 积极拓展实践资源，创新实践途径

以案例或真实任务为实践项目，利用慕课平台、现场实践等为手段，将实践环节与技术服务紧密结合起来，由技术发展脉络提炼核心理论，充分体现行业的发展特点，培养学生科学的思维和创新的能力。整合校内教学资源，积极开展校企合作，建立校企相结合的实践教育教学资源平台，以竞赛促进学生学习，以竞赛促进教师教学。

组织学生维护和改造现有的培训设备，激活旧的培训设备，学生可以接受传感器检查、电机维修等相关知识的扩展。结合虚拟平台和现有的教学资源，进行供应设备、机器人搬运模块、变频器输送控制等模块化教学，充分发挥学生的自主能动性。引入主题小制作课程，教师们提出思考要求，学生们合作完成构思、选择性购买、制作编程、展示报告各部分，下课后可以形成比较完整的小制作。建立能进行行业体验、参观、项目实习和运营的新实验室，推进实践教学能力与服务创新能力的融合。鼓励学生参加与各种专业相关的比赛，在参赛过程中，学生了解社会生产发展趋势和先进技术，完善自己的整体知识结构，提高实践能力，提高学生的职业素养。

5 教学改革实施案例及效果

针对第五章控制电机的“步进电动机”，笔者开展了具有针对性的教学活动。具体从以下几点入手：

（1）围绕教学重点，合理整合、筛选教学内容。步进伺服控制需要掌握步进电机原理、特性及伺服控制，相关的知识较为复杂，为此通过教材中第五章控制电动机中的步进电机与第11章步进电动机的驱动电源对步进电机教学内容的重组，该部分讲授需要6学时。同时，整合动画、微课视频等学习内容并进行简化，将这些内容上传到课程网站，详略合理地进行规划，使课程内容和节奏设计更加能够被学生接受。

（2）课前：在超星学习通上发布课程的问题导入与讨论、教学PPT、5 min知识讲解短视频、基础知识测验题、学习目标及要求。学生针对步进电机工作原理和过程进行讨论，完成本次课程的基础知识测验题，并进行难点投票。在系统中，笔者查看和统计每位学生的话题讨论参与情况、视频观看时长、测验得分和难点投票等学习结果，将学生预习存在的学习难点进行整合，以便之后教学活动更有针对性。导出学生个人学习档案数据，作为形成性评价数据使用。

（3）课中：首先在学习通发布线上签到活动，并对学生课前学习统计情况进行反馈，找到他们学习中出现的问题，引入任务驱动法、项目式教学法等开展有效教学活动。同时，为使教学活动体现学生的主体性，为此教学活动中安排项目设计答辩、翻转课堂等教学环节，并在线上平台采用教师打分、学生自评和学生互评的方式对主讲学生进行打分，提高学生的主体性，并记录保存学生成绩数据。在实验教学中，将班级分成20个组。学生查阅步进电机伺服控制机械手资料，分析机械手运动方案，设计运动控制程序，课中每组需要进行答辩考核，课后提交实验报告。

（4）课后：通过发布作业，对学生的知识、技能掌握程度进行课后考察，及时有效的促使学生主动复习。布置小组项目设计（步进驱动控制电路设计、步进电机环形分配器软件设计）、翻转课堂等任务，完成项目设计任务、翻转课堂准备和实验报告结果分析等。通过项目设计成果和实验报告成绩、小组团队合作环节进行学生互评成绩，考查各学生在团队合作中的表现情况，提高学生团队合作、沟通表达等综合应用及设计能力。在此之后，围绕学生线上线下成绩，以及他们在课堂中的表现，通过形成性评价和终结性评价对其进行综合性评价。

通过课程实施教学改革，与上轮课程教学成果相比，试卷卷面成绩低于60分的学生从30.6%下降到了5%，实验成绩优良率从18.3%上升到了52.4%。通过平台数据和学生反馈可知，学生学习兴趣和学习主动性都大幅提升，对课程必需的基础理论知识有了更深入的理解，学习更加高效化。学生能更好地掌握机电传动控制的设计方法，同时对其在工业自动化及其机器人领域的实际应用也有了更新的了解。学生实践动手能力、团队合作能力得到增强，知识运用、分析和解决问题自主学习能力、职业素养得以提升。

6 结语

通过对教学内容重组，学习过程变成工作过程，学生能够很好地接受课程进度和课堂节奏。“任务驱动、行动导向、课堂与慕课一体化”的线上线下相结合的多元立体化教学模式，使学习更加高效，激发了学生的学习兴趣。学生更容易地融入课堂，提高课堂参与度，提高教育的直观性，培养实践动手和灵活应用的能力，提升学生的工程素养。将实践环节与技术服务紧密结合起来，由技术发展脉络提炼核心理论，充分体现行业的发展特点，培养学生科学的思维和创新的能力。