面向机器人与智能制造的机电传动控制课程建设与实践

杨凯盛，许泽华，钱 灿，胡俊豪，阮阳飞

（宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211）

0 引言

机电传动控制课程是机械设计制造及其自动化、智能制造工程、机器人工程等工科类本科专业的主要技术基础课，涉及的基础领域众多，包括机械、力学、电子、控制、计算机等[1]。通过本课程的学习，可以使学生了解机电传动控制的基础知识和一般原理，掌握工程师必备的知识技能并获得实际运用所需要的工程训练[2]。但是，目前我国社会已进入“十四五”发展进程，而大部分高校的本课程教材却未做出更新，导致很多相关的新概念、新技术（比如机器人、智能制造、人工智能、大数据等）没有融入到教学内容中，并且课程在实训条件、教学模式等方面也存在诸多问题和不足，因此，进一步优化教学内容、改善实训条件、改进教学模式对于培养学生的专业基础知识、科学思维方式、工程实践能力、创新创造能力具有重要意义，也是面向机器人与智能制造等新工科的机电传动控制课程建设、改革和实践的要求[3-5]。

1 教学内容优化

本课程的教学内容包括理论教学和实践训练两部分，如图1 所示。其中理论教学的重点是使学生掌握机电传动控制的基础知识，熟悉各种类型电动机的工作原理、特性和应用方法，掌握可编程控制器和各种类型调速系统原理；实践训练的重点是使学生对理论知识进行验证和进一步理解，使学生掌握机电传动系统分析、设计和应用的基本技能，着力培养学生的工程实践能力、专业综合能力和创新创造能力[6]。

图1 教学内容与教学目的

由于课程的教材内容落后于新技术的发展，更新改版较慢，很多相关的新概念、新技术（比如机器人、智能制造、人工智能、大数据等）没有融入到教学内容中。此外，课程教学内容繁多，知识涵盖面广，知识点零碎，综合交叉性强，相关内容之间缺乏逻辑性、系统性，不利于学生自学和掌握重点难点。

结合上述新出现的基本情况与本课程的多学科交叉的特点，需要针对原本零散的知识点进行系统整理，并在此基础上做出具体优化，进一步理清本课程与相关课程的衔接关系，对教学内容与流程进行优化，分级讲解，突出重难点。对课程中机电系统动力学方程这样的核心公式要求学生达到理解的程度，并可以运用公式进行相关计算。本课程的重点内容是直流电机、交流电机和控制电机，学生应该掌握其工作原理和特性，重点讨论机械特性方程中涉及的启动、制动、正反转、调速等功能的应用。此外，还需要详细介绍包括直流传动系统、交流传动系统和伺服传动系统在内的各种类型传动系统。最后，要在学生达到前两个教学目标的基础上进一步使学生能独立完成继电器-接触器控制、PLC 控制和计算机控制等控制系统的设计。在讲解过程中，需要结合学生学习情况，针对性地多分析一些典型案例。在整个教学过程中，教师应穿插讲解大量相关的新概念、新技术，为学生在课堂外主动学习目前生产中运用较广泛的新知识和技能打下基础。

2 实训条件改善

本课程的理论较为抽象，仅仅通过理论教学很难让学生理解和掌握相关知识，实践训练环节对于本课程来说必不可少，而实验设备条件是实践训练环节教学质量的重要保障。但是，机电传动控制实验设备相对来说价格昂贵，造成实验室中设备台（套）数较少，难以满足教学要求。此外，较早建设的机电传动控制实验室设备较陈旧，功能单一，没有更新换代；有些学校由于资金不到位或专业成立较晚，机电传动控制的实践训练环节只以PLC 实验箱代替全部实验[7]。由于实训内容比较单一，创新性不够，学生在理论学习中碰到的问题和疑问无法通过动手实践去验证和解决，阻碍了学生学习的积极性，进而导致实践训练效果不理想。因此，进一步完善实训条件，给学生提供更多的实践机会，有助于获得良好的教学效果。

结合本课程教学内容中涉及的各种类型电动机、可编程控制器等器件，以及智能制造工程、机器人工程等新工科专业的需要，通过外部采购、委托定制、自主研发、校企合作等方式建设一系列实验设备，改善现有的实训条件。新建的实训条件不仅能满足单个器件（比如各种类型电动机、可编程控制器等）的教学和实践需要，还能够以系统集成的方式体现智能制造、机器人等新兴技术和专业对机电传动控制的要求，使学生能够全面深入了解机电传动控制技术的应用，同时，相关实验设备条件还能为其他课程的教学和实践服务，减少重复建设导致的浪费。通过完善实训条件，为学生提供更多的实践机会，培养动手能力和实际分析问题、解决问题的能力。

3 教学模式改进

目前，本课程的理论教学通常由授课教师通过PPT 课件进行课堂讲授，相对传统的板书教学模式，PPT 课件授课模式单节课讲授内容较多，学生在课堂上难以快速理解消化，太多的新知识容易使学生疲倦，甚至失去学习兴趣。因此，需要根据学生的特点，改进课堂授课的教学模式，使学生更容易理解课程内容，并能够激发学生学习的兴趣[8]。课程实践训练的教学内容主要是认识性和验证性实验。实验内容、步骤、所用设备通常由授课教师提前调试好，学生只需要按照指导书和授课教师的详细指导，照搬照抄即可完成整个实验，出现问题也很少去积极地分析、思考问题原因，常常是直接求助于授课教师，被动盲目地完成整个实践操作过程。另外，由于指导教师通常只有一个，指导时间有限，只能是按组指导或优先指导主动来问的学生和小组，从而导致只有部分学生的实践效果较好。因此，本课程实践训练部分的教学模式也需要改进，真正培养学生理论联系实际的能力和实际分析问题、解决问题的能力。

3.1 理论教学方式改进

理论教学部分，可以从以下方面进行改进：首先，制作优质的多媒体课件，课件内容能够将各章内容中重要的知识点简单清晰地概括出来，并配以图片、动画、视频等，创造出图文并茂、有声有色、生动逼真的教学环境，激发学生的兴趣，让学生更好地理解和掌握相应的知识点，比如在课堂教学中引入机械臂可视化教学平台，通过教学平台上的交互界面实现机械臂运动，让学生了解电机在机械臂上的应用情况，如图2 所示。其次，引入案例教学或情景教学，在授课过程中，设计一些与课程知识点相关的实际应用案例或者贴近学生的实际生活情境，引导学生思考，让学生把课程知识点和具体案例或具体情境联系起来，再进行讲解，有助于提高学生的学习兴趣和学习效率，比如在课堂教学中引入四足机械狗，让学生实际操控机械狗动作，体会电机如何在机械狗动作中发挥作用，如图3 所示。最后，采用混合式教学模式，引入网上教学资源、线上问卷调查、小组讨论、班级群聊、章节测试等多种多样的形式，提升学生线上、线下教学活动的参与感，调动学生学习的热情，引导学生有效学习，减少传统教学模式的不足。

图2 六轴关节型机械臂可视化教学平台演示电机应用情况

图3 学生参与四足机械狗操控体会电机应用情况

3.2 实践训练方式改进

实践训练部分，可以从以下方面进行改进：基于人人参与的原则，实践教学展开前，针对涉及的各种类型电动机、可编程控制器等器件，以及机器人工程、智能制造工程等新工科专业的需要，通过外部采购、委托定制、自主研发、校企共建等方式建设一系列实验设备，改善现有的实训条件。在实践分组过程中，充分考虑学生对机电传动控制的理解水平，将理解较好的学生与理解一般的学生分在一起，该方式在教学的过程中，充分发挥了学生的资源，让理解不好的学生在遇到问题时马上可以通过询问的方式解决，不让问题累积，最终保证学生的学习热情。在分组人数上采用3～5 人为一组的方式，在评价环节采取随机抽取学生重新组成一组上讲台复现随机一部分的实践过程的方式，增加学生全过程实践的主动性。在实训期间，授课教师全程跟踪，与学生进行实时沟通和交流，掌握学生的动态，予以及时的答疑和指导。学生实践训练场景与成果如图4 所示。

图4 学生实践训练场景与成果

3.3 理论与实践结合改进

理论与实践结合方面，可以从以下方面进行改进：目前课程教授方式采用先理论后实践的方式，一般在上完某个对应模块后才进行实践课，两者之间一般相隔一周及以上，学生在开展实践课过程中往往已经对理论知识有所遗忘，加之学生掌握的程度不同，很难应对不同的学生进行针对性讲解，导致实践课效果不理想，时间不够用而导致实践课匆匆结束，学生的动手能力无法展现。本项目课程理论教学与实践训练密不可分的情况，改变现有课程理论课与实践课相互独立的模式，并针对不同水平的学生打造多层次的实践平台，将理论课和实践课放在一起进行。首先，组织专门人员在课前制作一些实践流程的详细小视频让学生学习，让学生了解本次实验要实现怎样任务及操作，进入课堂后学生带着实践流程与任务进入理论的学习，该过程提升了学生对理论知识的学习意愿与目的性，在理解相关理论知识的基础上直接进行实践，而实践的过程又可以使学生对理论知识深入了解，进一步强化学生对本课程理论体系的建立。

4 评价体系改革

目前本课程考核方式不科学，考核标准偏单一，考核内容主要基于课堂表现、最终考试和实践部分，但学生最主要的课堂外的时间并没有加入进来，这对那些花费大量课外时间在机电传动控制上的学生没有起到很好的鼓励作用，对于培养学生的专业基础知识、科学思维方式、工程实践能力、创新创造能力也没有起到作用。

针对学生课外主动学习情况，本课程的考核评价环节增加了预习、复习赋分与课外项目实践的赋分。预习、复习赋分可由过程性评价、总结性评价两部分组成。过程性评价包括预习时长、教材简单作业课前完成质量情况等，总结性评价通过让学生在每一块内容学习后写一段课程内容的精简介绍，并据此给分。课外项目实践分主要帮助学生跳出实践依样画葫芦式的流程，深入培养学生的创新能力和工程实践能力，帮助学生更好适应用人单位的要求，比如学生的课外阅读课程相关的文献并提交文献阅读报告，或者学生课外参加课程相关的学科竞赛并完成样机或获得一定奖励，这些课外实践成果都可以在学生课程最终成绩上有所体现。该过程通过实际案例导入，在课程教学过程中加入机电系统设计等工程实际项目，同时提高该部分在最终成绩中的比重。在这部分分值中进一步分成系统可行性分、创新设计分、前沿技术运用分三个考核标准。学生在这套评价体系的驱动下，理论学习和实践验证能力明显提高。培养的学生基本具备了独立展开创新设计的能力，在机电系统设计的能动性上也可以满足生产实践的要求。

5 结语

通过机电传动控制课程建设与改革，学生对机传动控制的学习兴趣得到明显改善，同时大量学生参加了学校的创新创业实践活动，部分有能力的学生还进行了机电系统样机的设计与集成，并在学院的支持下参加了学校相关科研项目工作。此外，学生对机电传动系统原理和特性的理解水平上相较于传统教学模式下学习该课程的学生也有明显进步。在机电传动控制实践方面，培养的学生也基本具备了独立开展创新设计与实践的能力。以上情况表明课程在学生培养上基本达到了新工科的改革要求。