机、电、液传动控制课程的融合教学探索与实践

［摘 要］机、电、液传动控制课程在智能制造类专业人才培养中具有重要的地位，但目前该课程教学中仍然存在知识点分散、系统性不强、考核实验手段落后等问题。课题组提出，应整合现有机电与液气压传动控制教学资源，重建机、电、液传动控制课程的融合教学体系，并对课程教学内容和实验实践进行了具体设计，将教学内容分为若干教学项目，设计仿真实验，实施过程考核方式。初步实施和测评表明，新的教学体系和考核方式均取得了良好效果。

［关键词］机、电、液传动控制；课程改革；思维导图；建模仿真

［中图分类号］G642 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）14-0077-04

机、电、液传动包括以各种电机为基础的机电传动和以液、气压为代表的液力传动，其内容涉及机电系统中的驱动与控制，是连接机械本体与智能控制系统的纽带和桥梁，处于机电系统的核心地位。在我国推进“创新驱动发展”、实施“中国制造2025”战略的大背景下，智能制造和智能机器人专业已经成为“新工科”的主流专业方向[1]，而传动及控制是机电系统智能化的基础，因此，机、电、液传动控制课程的地位和作用不言而喻。

目前，机、电、液传动控制在大多数学校都是分为机电传动控制、液压与气压传动两门课程开设的。这两门课程尽管理论性不强，但涉及的学科多、知识点多，而两门课程教材各自为政、融合性不强[2]，课程知识点难以打破课程间的界限[3]，在现有教学体系下，存在知识点分散、教学手段落后等问题[4]。以上情况导致部分学生知识结构碎片化严重，对所学课程和专业内容缺乏系统性掌握，导致缺乏学习兴趣和主动性，影响了教学效果。新时代背景为机电设备赋予更强大的内涵，在机、电、液传动控制系统的集成化程度越来越高的同时，也更关注设备的网络化和智能化。这就对课程设置的系统性和科学性提出了更高的要求。与国内部分学校相比，国外部分学校更重视课程的系统性和整体性，机、电、液传动控制在很多学校都是整合为一门课程来组织教学的，如新加坡国立大学、加州大学伯克利分校等[5]。

尽管机、电、液传动控制课程内容多、知识点多，但该课程有一个突出的特点，即核心内容可以分为多个独立且相互平行的教学项目，包括直流电机、交流电机、步进电机、液压传动系统、气压传动系统等。不同项目间相互关联，又自成体系。这样就为实现机、电、液传动控制课程教学内容的整合，实现融合教学提供了条件。为此，课题组探索机、电、液传动控制课程融合教学新方式，重建课程体系和大纲，并就教学方式和实验实践方法提出具体的实施方案。

一、机、电、液传动控制课程融合教学的课程体系设计

以如图1所示的机电系统中最典型的运动控制系统为例，机电系统的驱动对象都是机械本体，机、电、液传动系统的设计目标是使机械本体获得相应的运动学参数与动力学参数，并满足精度、效率以及自动化程度要求，而直流电机、交流电机、步进电机、液压传动、气压传动都是能量转换和信号传递的独立部件或系统，具有相似的功能和地位，这样就可以在同一系统框架下构建课程体系。以此思路重新整合现有教学资源，突出核心内容、删减繁枝末节、优化教学大纲，使学生可以对课程内容建立系统的概念，既掌握各部件之间的共性和联系，又理解彼此之间的区别，达到克服课程内容分散、系统性不强的问题的目的。

二、机、电、液传动控制系统课程的融合教学内容设计

设计理念：以实现教学内容的系统性为目标，紧紧围绕“传动”与“控制”两个关键任务，将机、电、液作为实现以上任务的具体方法和途径，对原有教学内容进行更新、整合，对理论、仿真和实验内容进行统筹设计，实现教学任务的全面融合。

设计内容：课程教学内容框架设计见图2。教学内容以机电传动系统动力学和液压流体力学为基础，将所有教学内容分为直流电机、交流电机、步进电机、液压传动、气压传动五个独立的教学项目，对于每一个教学项目，分别从理论知识、建模与仿真、实验与实践等三个层面组织教学。对每个教学项目的理论内容进行重新梳理和整合，突出各个项目的共性表达，并为每个教学项目梳理一个归一化的知识框架，具体为：将每个教学项目的全部内容梳理为“部件结构”“机械特性”“传动原理”“控制特性和方法”“控制电路和回路”五个知识模块，教学内容均按照这几个模块划分归类。针对每个教学项目梳理实验与实践教学内容，整合现有实验设备，对于不能开设的实物实验或实验设备落后于理论教学内容的实验项目，采用仿真实验代替实物实验[5]，与实物实验互为补充，相互融合。

设计特点：这种教学设计可以使每个教学项目内容纵向自成体系，同时不同项目的知识模块间可以横向对比，使烦琐复杂的教学内容脉络更为清晰，既有利于教师组织教学，又有利于培养学生的系统化思维，同时便于学生学习、记忆和复习，激发学生学习兴趣。

三、机、电、液传动控制系统课程融合教学的具体实施

（一）理论教学的具体实施

通过以上教学内容设计，课程体系脉络更加清晰、系统性更强，但仍存在课程内容复杂、知识点多等问题，因此，可以采用思维导图来辅助教学[6-7]。在课堂教学之前，将所有教学项目的知识框架按照上述五个知识模块进行梳理，如图3为直流电机项目的知识框架，其他五个项目可以构建类似的知识框架。引导学生在学习的过程中以此为基础，一边学习一边丰富扩展每个项目的内容，利用思维导图的形式呈现出来。单个项目自成系统，增强了知识的系统性；不同项目的知识模块间可以相互比较，帮助学生理解不同传动部件间的差异性。如“部件结构”模块，各种电机都有定子、转子，但它们的定子和转子电路的结构、功能完全不同，学生可以按照讲课内容添加的注解、公式，理解其相同点和区别之处。同样，对各种电机的“启动特性”“调速特性”“制动特性”“控制电路”等也可以增加类似的注解和比较。对液压、气压教学项目，也按照这五个知识模块进行梳理，并在这几个方面与电机进行对比，可以使学生更容易理解两类传动部件之间的共性特点及相互区别。最后，将所有项目的内容放在一张思维导图中。一张图涵盖了所有教学内容，既方便了学生理解记忆，又便于学生复习。

（二）建模仿真教学的具体实施

Simscape是 MATLAB/Simulink 模型库的一部分，是一种功能强大的物理建模和仿真工具，可以对机械、电气、流体力学、热力学等系统进行建模仿真，用户通过选择和连接不同的物理组件，如电容、电感、电阻等，来构建系统模型，使得建模过程更为直观和易于理解[8]，非常适合用于传动控制课程的建模仿真。可以开展的仿真实验非常多，包括各种电机及液（气）压系统的组成原理模型，启停、调速、制动等控制特性回路，以及闭环控制系统的建模等，实际教学中可以根据不同的教学目标灵活设计。图4为直流电机反接制动的仿真模型。引导学生结合课程内容构建仿真模型后，分析模型结构和参数对仿真结果的影响，并给出仿真实验报告。这样可以使课堂教学、课下自学与建模仿真相融合，加深学生对机电传动控制的部件和系统的理解，锻炼创新设计、系统分析与软件应用能力。

四、机、电、液传动控制系统课程融合教学的考核方式和实施效果

过程考核的科学性和合理性是目前一些课程仍然面临的难题[9]。机、电、液传动控制系统课程的融合教学方式更易于实现学习过程考核。如，在过程考核中增加仿真实验作业的占比，减少课后作业的占比。每个教学项目课堂教学完成后布置本项目的思维导图作业，加强对学生学习过程的监督；另外，在课堂教学中随机安排雨课堂测试，让教师既可以了解学生课堂学习情况，保证成绩的区分度，又可以掌握出勤情况。通过上述几个方面综合确定过程性考核成绩，在考查学生学习态度、学习能力和知识掌握情况方面都具有科学性。

课题组针对上述教学和考核方式进行了初步实施和测评，过程考核成绩由课后作业、建模仿真、思维导图以及随机雨课堂随堂测验等部分组成，占比分别为20%、20%、30%、30%，过程考核成绩和期末成绩各占总成绩的50%。经过初步的测试，大部分学生过程考核作业的完成情况和期末考试成绩均为良好；而从学生的调查反馈来看，除少数学生反映学习过程压力较大外，大多数学生均对学习过程和考核方式给出了积极评价。

五、结论

课题组对机、电、液传动控制系统课程的融合教学进行了探索和初步实践，为典型的运动控制系统基础构建了融合教学体系，将各种电机与液、气压传动系统作为独立的教学项目，并对每个教学项目的内容按照相同的知识模块进行划分归类，使课程系统性更强，知识脉络更加清晰。教师进行理论教学时构建知识框架，并对课程教学内容和实验实践进行了具体设计。在过程考核方面，分别从学习过程监督、创新应用能力、课堂学习能力等多个方面设计了考核方式，保证了过程考核的科学性。实践结果表明，机、电、液传动控制系统课程融合教学的考核方式和实施效果良好，顺应了我国“新工科”背景下的工程教育改革，为加强智能化人才培养赋能。

［ 参 考 文 献 ］

［1］ 杨天兴，刘昊，曾辉，等. 新工科背景下智能制造专业实践教学模式的构建[J]. 智能制造， 2023（6）：124-127.

［2］ 农胜隆，高尚晗." “机、电、液”知识体系融合的实践教学改革与研究：以柳州工学院机械工程学院为例[J]. 科教导刊， 2022， 33（11）：61-64.

［3］ 王克义，黄玉瑄.机电传动及控制教学改革的探索与实践研究[J].教学研究， 2016， 39（1）： 88-92.

［4］ 谷艳玲，张静. 机电液传动课程的融合教学与实践[J]. 教育现代化， 2018， 5（10）：238-239.

［5］ 孙丽颖，白锐，赵凤贤.基于 OBE 理念的发电厂电气部分课程建设[J]. 高教学刊， 2024（2）：71-74.

［6］ 马伟丽，吴磊.基于思维导图的机械专业理论与实践课程联动研究[J]. 装备制造技术，2021（2）： 142-144.

［7］ 董霞. 思维导图在电机学课程中的应用[J]. 中国教育技术装备，2018（18）：88-92.

［8］ DAS S. Modeling and simulation of mechatronic systems using simscape[J]. Synthesis lectures on mech⁃anical engineering， 2020，5（1）：1-171.

［9］ 曾永庆，胡卫东，刘晓红，等.新工科背景下基坑工程设计与施工课程全过程考核改革探索与实践[J].创新创业理论研究与实践，2023（22）：125-127.

［责任编辑：雷 艳］