面向集成创新能力的复杂机电系统综合设计教学模式探索

李炳初 甘屹 杨丽红 王双园 邱彬彬

摘 要：为满足先进装备制造业对工程创新人才的需求，复杂机电系统综合设计逐渐成为机械专业的重要基础课程。由于复杂机电系统的学术内涵宽泛，复杂机电系统综合设计课程设置仍在不断探索中。复杂机电系统综合设计的核心是集成创新能力，围绕该目标，本文首先厘清复杂机电系统综合设计的学科内涵，并总结工程实践中复杂机电系统综合统计的一般性流程，并依据该流程对复杂机电系统综合设计课程的教学背景、教学目标、教学理念进行系统梳理，着重对复杂机电系统综合设计的教学内容、教学案例以及课程实践展开讨论，分析了集成创新能力培养的切入点与实施方法。本文對于提升复杂机电系统综合设计课程的教学品质，提升机电领域创新人才培养质量有较好启发意义。

关键词：复杂机电系统；集成设计；教学背景；教学模式

1 复杂机电系统综合设计的内涵

复杂机电系统是由机械、电气、控制、计算机等多个学科领域的技术和知识组成的系统，其应用涉及生活的方方面面，典型的复杂机电系统如大型飞机、高速列车、精密机床、工业机器人、现代医疗设备、自动化生产线等［1］。复杂机电系统的特征主要包括：（1）多学科融合：复杂机电系统是由机械、电气、控制、计算机等多个学科领域的技术和知识组成的系统，需要多个学科领域的技术支持［2］。（2）功能多样性：复杂机电系统可以完成多种复杂的功能需求，如自动化生产线、机器人、智能交通系统等。（3）大规模集成：复杂机电系统中的各个组成部分需要进行大规模集成，需要解决不同部件之间的协同作用和数据交互协同等问题。（4）智能化控制：复杂机电系统需要实现智能化控制，通过各种控制算法和控制器实现系统的自动化和智能化。（5）可靠性和安全性：复杂机电系统中涉及的各个组成部分需要具备高度的可靠性和安全性，以确保系统的正常运行和人员的安全。

复杂机电系统设计能力是国家科技水平的重要体现［3］，在提高生产力和产品质量、改善生活和服务质量、增强国家安全、推动科技创新和培养高技能人才等方面发挥重要作用：（1）提高生产力和产品质量：复杂机电系统可以实现工业自动化，提高生产线的生产效率和产品的一致性和质量，推动国家制造业升级和技术水平提升。（2）改善生活和服务质量：复杂机电系统可以应用于智能交通、医疗设备、智能家居等领域，提高人们的生活质量和服务质量，促进社会发展和进步。（3）增强国防实力：尖端国防装备的研发依赖于复杂机电系统集成设计的理论与技术，是提升国家国防实力的重要支柱。（4）推动科技创新：复杂机电系统需要融合多个学科领域的技术和知识，推动科技创新和跨学科研究，提高国家的科技水平和核心竞争力。（5）培养高技能人才：复杂机电系统需要多学科领域的技术支持，可以培养出高技能的跨学科人才，推动国家的人才培养和发展。

2 复杂机电系统综合设计特点和一般流程

为更好地进行复杂机电系统综合设计的教学，首先需要对实际工程中复杂机电系统设计方法进行分析，并进行归纳总结，形成对设计规律的概括，以便于设置课程教学内容和模式。

复杂机电系统的功能依赖于多个子系统相互作用［4］，其设计过程需要考虑多领域、多层次、多物理层、多控制方式的协同。从学科领域来看，复杂机电系统涉及多个学科领域，如机械、电气、控制、计算机等，需要学生具备这些学科领域的知识和技能；在结构方面，复杂机电系统具有多层次的结构，从最基本的零部件到组成整个系统的模块，涉及多个层次的设计和分析；在内部能量交互方面，复杂机电系统中的机械、电气、热学等多种物理场相互作用和耦合，需要设计者具备相关的物理和数学基础；同时，复杂机电系统需要通过控制系统来实现其预定功能，控制方式多种多样，如PID控制、模糊控制、神经网络控制等，且复杂机电系统通常需要实现多种功能，如定位、精度控制、速度控制、力控制等，需要设计者具备多种技能和设计方法。

复杂机电系统综合设计需要对机械、电气、控制、计算机等多学科领域的知识和技能进行整合，并采用系统化的设计方法［5］，逐步完成系统需求分析、系统架构设计、子系统设计、联调测试、集成调试、优化改进等关键步骤，从而实现具有多种功能需求的机电系统。一般流程如下：（1）系统需求分析：对机电系统的功能需求进行全面、详细的分析和确定，包括系统性能指标、工作条件、使用环境等；（2）系统架构设计：根据系统需求，设计机械、电气、控制、计算机等子系统之间的联结方式，确定系统的总体框架和工作流程；（3）子系统设计：对机械、电气、控制、计算机等子系统进行单独设计，包括机械结构设计、电气元器件选型和电路设计、控制算法设计、计算机程序设计等；（4）子系统联调测试：将设计好的子系统进行联调测试，检验其相互协调和整体工作的可靠性和稳定性；（5）系统集成调试：将设计好的各个子系统进行集成调试，检验整个机电系统的性能指标和工作流程是否符合需求；（6）系统优化改进：对机电系统进行优化改进，使其更加符合实际需求，包括性能指标的提高、结构的简化、控制算法的优化等。

3 复杂机电系统综合设计的教学目标及理念

根据复杂机电系统设计工程实践中所需要的能力，复杂机电系统综合设计应该以培养具有创新精神的高端应用型工程人才为育人目标，以培养学生的系统思维、创新意识和工程实践能力为核心，注重从企业需求、工程实践和社会实践中提炼问题，采取创新设计理论教学和工程实践相结合的双向驱动模式，培养学生的项目管理能力、团队合作能力、沟通表达能力、系统化设计能力，启发学生内在的创新原动力和创业意识力。课程具体目标包括：（1）掌握复杂机电系统的基本理论和设计方法，理解复杂机电系统的系统结构和各个部件之间的关系；（2）熟悉复杂机电系统的设计流程，包括需求分析、方案设计、系统集成、试验验证等环节，能够根据实际情况合理地选择设计方法和工具；（3）具备从系统整体角度出发进行问题分析和解决问题的能力，能够从不同角度对复杂机电系统进行评价和改进；（4）能够独立或协作完成复杂机电系统的设计任务，包括制订设计方案、进行设计计算和仿真分析、编制设计报告和展示等；（5）培养学生的创新能力和团队合作能力，使其能够在实际工程项目中进行复杂机电系统设计并取得优异成绩。

作为机电工程领域的重要课程，本课程对于学生的实际应用能力和综合素质的提高具有重要作用［6］，其教学方式中应融合多种教学理念：（1）项目驱动式教学：通过引入实际的工程项目，让学生在实践中学习和掌握理论知识，从而更好地理解复杂机电系统的综合设计过程。（2）互动式教学：引入互动式教学模式，鼓励学生在教师的引导下自主探索和解决问题，从而提高学生的自主学习和探究能力。（3）团队合作式教学：通过小组合作的方式，让学生在实践中体验团队协作的重要性，提高学生的沟通和协作能力。（4）产学研结合式教学：将实际的工程项目与企业需求相结合，引入企业的技术和经验，让学生更好地了解工业实践，提高其综合设计能力。（5）创新思维式教学：在教学中引入创新思维，让学生通过提出问题、探究问题、解决问题的过程，培养创新能力和解决问题的能力。

通过以上教学理念的引入，可以更好地促进学生复杂机电系统综合设计能力的培养，提高学生的实际应用能力和综合素质，同时能够更好地适应机电工程领域的快速发展和变化。

4 复杂机电系统综合设计课程内容设置

复杂机电系统理论教学主要是为了使学生掌握复杂机电系统的基本理论知识和分析方法，为后续的应用和实践打下坚实的基础，应该注重基本概念和原理、系统分析与设计方法、控制理论与算法、通信技术与数据处理、应用案例和实验等方面的教学［7］，培养学生的理论基础和应用能力，为学生未来的应用和实践打下坚实的基础。教学要点包括：（1）基本概念和原理：包括机械、电气、控制、计算机等学科領域的基本概念和原理，如力学、电路、传感器、控制器等。（2）系统分析与设计方法：介绍复杂机电系统的分析和设计方法，如系统建模、仿真、优化等，帮助学生掌握系统分析和设计的基本流程和方法。（3）控制理论与算法：介绍控制理论和算法，如PID控制、模糊控制、神经网络控制等，帮助学生理解控制算法的原理和应用。（4）通信技术与数据处理：介绍通信技术和数据处理方法，如串口通信、网络通信、信号处理、图像处理等，帮助学生了解通信技术和数据处理在复杂机电系统中的应用。（5）应用案例和实验：通过实际的应用案例和实验，加深学生对复杂机电系统理论知识的理解和应用能力，提高学生的创新思维和综合能力。

复杂机电系统设计是一项高难度、高复杂度的工作，需要使用专业的设计工具来辅助完成，这些工具可提高设计效率和设计质量，在教学中应对学术的工具应用能力进行训练，以下设计工具应进行简要介绍：（1）CAD软件：CAD软件是计算机辅助设计软件，能够帮助工程师进行三维建模、绘制工程图纸等操作，如AutoCAD、SolidWorks等。（2）仿真软件：仿真软件是一种计算机辅助工程软件，能够对系统进行数值仿真，以验证设计方案的正确性和优化系统参数，常见的仿真软件有MATLAB/Simulink、ADAMS、Ansys等。（3）PLC编程软件：PLC编程软件是用于编写PLC程序的软件，常见的有Siemens Step7、Rockwell RSLogix等。（4）控制器编程软件：控制器编程软件是用于编写控制器程序的软件，如LabVIEW、CodeSys等。（5）通信协议软件：通信协议软件用于实现不同设备之间的通信，如Modbus、CAN等。（6）数据处理软件：数据处理软件用于对传感器采集的数据进行处理，如LabVIEW、Matlab等。

5 复杂机电系统综合设计教学案例

工程案例是学习复杂机电系统综合设计的重要方式，对培养综合运用能力和集成创新能力至关重要［8］，经典复杂机电系统设计案例包括：（1）工业机器人系统设计：工业机器人是一种具有高度自动化和复杂控制系统的机电系统。例如，某公司需要设计一套机器人装配线，能够实现自动化组装和检测功能。该系统需要具有高度的运动控制、精准的传感器测量、自适应的控制算法和可靠的通信协议等特性。（2）自动化生产线设计：自动化生产线是一种涵盖多个机电系统的复杂系统。例如，某汽车公司需要设计一条自动化生产线，能够实现从汽车零部件加工到车身组装等全过程的自动化生产。该系统需要具有高效的生产调度、可靠的物料搬运和高精度的装配功能。（3）智能交通系统设计：智能交通系统是一种涵盖多个机电系统的综合性系统。例如，某城市需要设计一套智能交通系统，能够实现交通信号控制、公共交通调度、道路监控等多种功能。该系统需要具有高效的数据处理、智能化的控制算法和可靠的通信协议等特性。

工程案例教学可采取交互式教学方法，教师可以设置一些问题或思考点，引导学生通过小组讨论、模拟演练等方式进行互动和合作，也可以指导学生查阅相关资料和进行实验，帮助他们更好地理解工程问题和解决方法，提高学生的参与度和学习效果；在工程案例教学的过程中，还可以引导学生总结和反思所学内容，帮助他们进一步深化理解和应用所学知识。

6 复杂机电系统综合设计课程实践

复杂机电系统设计实践是将理论知识应用到实际工程问题中的关键环节，通过选取合适的设计任务，可以训练学生对知识的灵活运用能力，同时培养工程意识和创新意识［9］。以下是复杂机电系统设计实践的案例：（1）机器人控制系统实验：在这个实验中，学生需要设计一套控制系统来控制一个机器人完成特定的任务。这需要学生理解机器人的控制原理，设计适当的运动控制算法和编写控制程序，同时需要通过实验验证控制系统的性能。（2）智能家居系统设计：在这个项目中，学生需要设计一套智能家居系统，能够实现自动化控制、远程监控和智能化调节等功能。这需要学生了解各种传感器和执行器的特性，设计合适的控制算法和编写控制程序，同时需要运用云计算和物联网技术实现数据传输和处理。（3）汽车发动机控制系统设计：在这个项目中，学生需要设计一套汽车发动机控制系统，能够实现高效的燃油利用和低排放。这需要学生了解发动机的工作原理和特性，设计合适的控制算法和编写控制程序，同时需要运用多种传感器和执行器实现发动机控制和诊断。

这些实践项目需要学生掌握机电系统设计的基本原理和技能，同时需要运用多种设计工具和技术，如CAD软件、仿真软件、控制算法设计等。这些实践项目的完成可以提高学生的实际操作能力和解决实际问题的能力。

结语

本文对复杂机电系统综合设计课程的教学背景、教学目标、教学理念进行了系统梳理，同时探讨了教学内容设置、教学案例设计以及课程实践的组织，分析了集成创新能力培养的切入点与实施方法，对于不断顺应形势完善复杂机电系统综合设计课程方案有积极意义。

参考文献：

［1］邹慧君，廖武，郭为忠，等.机电一体化系统概念设计的基本原理［J］.机械设计与研究，1999，03：1417.

［2］張晟昊.机电一体化系统概念设计的基本原理［J］.内燃机与配件，2022，05：184186.

［3］周济.智能制造——“中国制造2025”的主攻方向［J］.中国机械工程，2015，26（17）：22732284.

［4］杨世香，李文强，邵哲辉.复杂机电系统总体设计方法研究与应用［J］.中国机械工程，2023，34（01）：4754.

［5］谢飞.“新工科”背景下《机电一体化系统设计》课程思政教学改革［J］.中国电力教育，2021，S1：231232.

［6］王殿君，焦向东，王伟陈，等.新版机械电子工程专业培养方案的研究与实践［J］.安徽师范大学学报（自然科学版），2010，33（01）：3942.

［7］张燕，史留勇，刘世豪.基于社会需求的机电一体化专业实验教学改革［J］.中国电力教育，2014，29：7576.

［8］戴敏，曾励，周建华.机电一体化课程案例教学研究［J］.中国教育技术装备，2018（14）：5859.

［8］赵思博，马琳琳，张奕雯，等.创新能力培养与科研项目式教学方法的应用［J］.教育现代化，2019，6（77）：191194.

［9］杨新刚，刘鸿雁，呼刚义，等.机械专业机电一体化综合实践课教学模式探索［J］.高等工程教育研究，2021，05：8893.

项目基金：教育部产学合作协同育人项目（22050358 0120810）

作者简介：李炳初（1988— ），男，汉族，山东菏泽人，博士，讲师，从事机电系统动态设计研究；甘屹（1974— ），男，汉族，四川宜宾人，博士，教授，从事现代设计理论及方法；杨丽红（1973— ），女，汉族，河南洛阳人，博士，讲师，从事机械装备结构设计；王双园（1986— ），男，汉族，安徽合肥人，博士，讲师，从事机电装备故障诊断；邱彬彬（1992— ），男，汉族，江苏南通人，博士，讲师，从事结构健康监测研究。