以“机电传动与控制”课程为中心的课程体系的研究

雷 利，孙 雪，冯 嵩，孙 杨

（沈阳城市建设学院，辽宁 沈阳 110167）

1 “机电传动与控制”课程在OBE 人才培养方案中的地位

机械电子工程专业的人才培养方案是基于OBE理念提出来的。所有的课程配置的最终目的都是以成果为导向，进行以学生为中心的教学持续改进，从而培养适应社会发展的人才。

“机电传动与控制”课程要求学生通过学习直流电机、异步电动机、控制电机、机电传动系统、低压控制电路的设计这5 章内容，具备以下几种能力：能够针对机械设计、电控设计等方面的工程问题建立适当的机电模型，并进行正确的分析，给出解答；培养机电工程设计思想，掌握电动机的实际应用问题以及控制电路的设计方法，利用合适的方案解决问题；能够应用制图知识完成电器控制图的设计、接线等操作，实现电气控制要求；能够在机械和电气控制的学科交叉背景下，建立团队，明白团队的意义，明白个体在团队中的角色担当；通过课堂学习和课后学习，明白自主学习的重要性和终身学习的必要性。

因此课程目标的实现，仅仅依靠课程本身是很难实现的，学习其他课程也要实现课程目标，才能更好地为后续课程打下夯实的基础，才能实现人才培养方案的毕业要求。因此，为了实现“机电传动与控制”课程的教学目标，研究其控制类课程体系的关联性十分必要。

2 “机电传动与控制”课程与先修课程之间的关联性研究

“机电传动与控制”课程的先修课程有“大学物理”“电工电子技术”“控制工程基础”“机械设计基础”等。现对先修要求课程的某个内容与“机电传动与控制”课程的关联性进行了研究。以下对各个课程与“机电传动与控制”的关联性进行了举例阐述。

2.1 “机电传动与控制”与“大学物理”

“机电传动与控制”第一章讲解的内容为直流电机，直流电机因可逆原理分为2 种，一种是直流电动机，由电能转化为机械能；一种是直流发电机，由机械能转化为电能。在直流电机结构相同的情况下出现2种工作情况，与直流电机的工作原理有直接关系。当作为发电机使用时，直流发电机将输入机械功率转换成电功率输出；且利用换向器和电刷，直流发电机将导体中的交变电势和电流整流成直流输出；直流发电机导体中的电流与运动电势方向相同。而直流电动机的工作过程却是外接电源后，电源回路的电流通过电刷装置和换向器到转子线圈中，因左手定则作用判断受电磁力的作用而产生的电磁转矩。这一系列的知识理解都需要学生们在“大学物理”中掌握静止电荷的电场、恒定电流的磁场、电磁感应、电磁场理论的相关知识。

机电传动系统实质上是一个机、电统一的运动系统，有运动就必然存在力学问题。电动机的运动虽然是旋转运动，但仍可根据直线运动中的力学定律来求解运动方程式。

因此，机电传动系统的运动学基础是基于“大学物理”中的能量守恒定律去判断生产机械的运动状态[1]。不管这个机械的运动状态如何复杂，都应该满足能量守恒的定律。这个运动状态与电机产生的转矩与负载产生的转矩有直接关系。

因此学生学习直流电机这个章节前，需对学生大一下半学年掌握的“大学物理”的相关知识进行摸底，从而帮助学生更好掌握直流电动机的重要知识点。

2.2 “机电传动与控制”与“电工电子技术”

“机电传动与控制”第二章讲解的内容为交流电动机。该章节的难点内容是三相异步电动机的工作原理以及三相异步电动机定子电路与转子电路的分析[2]。三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。当三相电源与异步电机的定子绕组连接以后，电生磁，产生感应电动势，从而根据右手定则、安培定律、左手定则等物理知识，判断转轴转动。整个过程涉及三相异步电动机旋转磁场的产生、旋转磁场的旋转方向、旋转磁场极对数与旋转速度的关系，都和“电工电子技术”的相关知识密切相连。这个章节主要涉及“电工电子技术”基础的知识点是正弦交流电路及三相交流电路。该章要求学生能分析正弦交流电路的基本概念、基本规律，列入相量对正弦交流电路进行分析计算；讨论三相电源和三相负载的星形和三角形的连接，线电压与相电压、线电流与相电流的关系，以及三相电路的功率。

按照2018 级人才培养方案，“电工电子技术”属于学科基础教育课程。机械电子工程专业的学生在大一下半学年和大二上半学年完成。正弦交流电路及三相交流电路的相关知识点在此课程中也是难点，因此进行这章节学习前，需要对学生进行摸底，如果掌握得不太好，需加强课前预习和课堂学习。

2.3 “机电传动与控制”与“控制工程基础”

“机电传动与控制”第四章主要讲授的内容为机电传动控制系统的基础。机电传动系统是由电动机、电气元件及电力电子装置等组成。根据生产机械的要求，机电传动系统可以构成开环控制系统和闭环控制系统[3]。开环控制系统没有反馈回路，只有输入量对输出量的单方向控制，而没有对输出量的执行情况检测的系统。例如步进驱动的数控机床就是开环控制系统。教材用直流电动机进行举例，讲解了开环控制系统中电机的角色以及使用该系统的优缺点。闭环控制系统有反馈回路，利用对输出量的检测并与给定的输入的比较值来控制系统的运行。例如伺服驱动的数控机床是开环控制系统。教材用采用转速负反馈的直流电动机调速系统为例介绍闭环控制系统。但这些内容远没有“控制工程基础”课程讲授得详细，因此需要学生知道课程知识点的融合关系，要求学生牢固掌握开环控制系统和闭环控制系统的设计原则，合理判断机电控制系统中电机的角色。

2.4 “机电传动与控制”与“机械设计基础”

“机电传动与控制”的第一个字是“机”，说明学生在学习该门课程时需明白掌握“机械设计基础”课程的必要性和重要性。“机电传动与控制”课程要求学生掌握机械原理和机械设计的基本知识，知道机电传动控制系统生产机械部分负载转矩的计算过程，从而建立正确的机电模型，完成机电传动控制系统的设计，因此需掌握平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、带传动、链传动、齿轮传动、联接等知识。在讲授“机电传动与控制”课程中的“运动基础的计算”时，先要对学生掌握“机械设计基础”课程的情况进行摸底，为建立正确的机电模型打下夯实的基础。

3 “机电传动与控制”课程与后修课程的关联性研究

“机电传动与控制”是机器人技术与应用方向和智能制造应用方向的专业必修课程。按照以成果为导向的人才培养方案，需要理清该课程对后续课程的影响。因此研究“机电传动与控制”课程与后修课程的关联性是十分必要的。以2018 级人才培养方案为研究背景，用1～2 门课程说明该研究的必要性和重要性。

3.1 “机电传动与控制”与“机电系统设计”

通过学习“机电系统设计”，学生在了解机电一体化系统的技术全貌的前提下，可掌握机电一体化系统设计所涉及的关键技术和相关基本知识。学生通过课堂实物演示认知机电系统，通过理论讲解和实例分析掌握相关理论知识，通过使用Arduino 单片机和传感器对机电系统进行控制，通过实验应用各种电机和传感器。最终要求学生具备机电系统调试、维护、设计能力。因此学生一定要通过学习“机电传动与控制”课程，建立正确的机电传动控制系统，学会选择及计算校核电动机，根据电动机的启动、调速以及制动的原理认识直流电动机调速系统、交流电动机调速系统、步进电动机调速系统等。因此为达到毕业要求，学好“机电传动与控制”课程十分必要。

3.2 “机电传动与控制”与“电气控制与PLC 应用”

“电气控制与PLC 应用”是机器人技术与应用方向的第一个方向课，要求学生在掌握“机电传动与控制”课程的基础上，更深层次理解电气控制原理。掌握常用PLC 指令的功能、编程方法，增强学生设计控制系统的能力，获得工程师必备的知识储备和技能训练。“机电传动与控制”第五章主要讲授低压控制电路的设计，这个章节涉及的重要内容为常见的低压电器元件、机械生产中常见的低压控制电路；要求学生根据对点动与长动、正反转控制电路、顺序控制电路、多地控制电路等的了解掌握低压控制电路的设计方法。因此在学生更深层学习电气控制原理时，对电气原理图、接线图等都非常熟悉。此外继电器-接触器的控制电路的设计思想直接影响可编程控制的逻辑设计[4]。PLC 的编程语言比较多，但最常用的梯形图设计的思想是在继电器-接触器的设计思想上演变而来的，因此学好“机电传动与控制”课程对学生学好“电气控制与PLC 应用”课程的帮助特别大。

4 “机电传动与控制”课程成果导向的研究

“机电传动与控制”课程考核的方式为平时成绩分+期末考试成绩分，期末考试试题的题型有选择题、判断题、简答分析题、计算题、控制设计题。根据以成果为导向的教学大纲和考核方式，制定如下具体的考核方式：①为机械设计、电控设计等方面的工程问题建立适当的数学模型，并进行正确分析，给出解答。该项通过期末考试客观题、简答题以及计算题进行考核。②了解本专业创新途径，掌握基本创新方法。主要通过课后学习进行考核，对机电模型的建立方式、电动机的应用和机电工程问题的解决进行具体考核。③能够应用相关软件和制图知识，完成产品零件图、装配图、电控原理图、接线图的绘制和样机仿真运行与分析。期末考试时试卷中会有低压控制电路设计题，要求学生们在不查阅资料的情况下，根据掌握的5 种基础控制电路完成控制要求的设计；课后学习时，通过查阅资料完成低压控制电路的原理图的设计，掌握绘图的技巧和方法。④能理解多学科背景下的团队中个体与团队的关系。该部分的考核主要是过程考核，学生们在学习本门课程期间，组成团队，团队成员不能多于4 人，要求每名学生在不同的任务中担任领导者，分配组员之间的合作，完成教师布置的任务。过程考核的题目一般偏于讨论类和设计类，这样能充分调动学们的积极性。⑤能正确认识自主学习和终身学习的必要性。该部分主要通过课堂学习进行考核，主要通过出勤、课堂纪律和随堂测试进行量化。大学期间应该学习的是方法和遵守一定的规则制度，所有出勤考验的是不管什么情况，学生都应该按时出勤，遵守课堂纪律。将随堂测试量化检验了学生掌握当堂课知识的情况，也说明了学生上课学习的方法等。

5 结语

通过对2018 级人才培养方案的研究，明确了“机电传动与控制”课程和其他课程的关联性，明确了“机电传动与控制”课程中重要知识点的延伸性，明确了“机电传动与控制”课程考核方式。上述考核方式已在机械电子工程专业2018 级“机电传动与控制”课程中实施。2018 级29 名学生参与考核，仅1 人不及格，与2017 级考核成绩相比有明显进步。但学生的综合设计应用能力、团队协作能力、自主学习能力都需要提高和加强。