以“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程為中心的課程體系的研究

雷 利，孫 雪，馮 嵩，孫 楊

（沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110167）

1 “機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程在OBE 人才培養(yǎng)方案中的地位

機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)方案是基于OBE理念提出來(lái)的。所有的課程配置的最終目的都是以成果為導(dǎo)向，進(jìn)行以學(xué)生為中心的教學(xué)持續(xù)改進(jìn)，從而培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的人才。

“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程要求學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)直流電機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、控制電機(jī)、機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)、低壓控制電路的設(shè)計(jì)這5 章內(nèi)容，具備以下幾種能力：能夠針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)、電控設(shè)計(jì)等方面的工程問(wèn)題建立適當(dāng)?shù)臋C(jī)電模型，并進(jìn)行正確的分析，給出解答；培養(yǎng)機(jī)電工程設(shè)計(jì)思想，掌握電動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題以及控制電路的設(shè)計(jì)方法，利用合適的方案解決問(wèn)題；能夠應(yīng)用制圖知識(shí)完成電器控制圖的設(shè)計(jì)、接線等操作，實(shí)現(xiàn)電氣控制要求；能夠在機(jī)械和電氣控制的學(xué)科交叉背景下，建立團(tuán)隊(duì)，明白團(tuán)隊(duì)的意義，明白個(gè)體在團(tuán)隊(duì)中的角色擔(dān)當(dāng)；通過(guò)課堂學(xué)習(xí)和課后學(xué)習(xí)，明白自主學(xué)習(xí)的重要性和終身學(xué)習(xí)的必要性。

因此課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，僅僅依靠課程本身是很難實(shí)現(xiàn)的，學(xué)習(xí)其他課程也要實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)，才能更好地為后續(xù)課程打下夯實(shí)的基礎(chǔ)，才能實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)方案的畢業(yè)要求。因此，為了實(shí)現(xiàn)“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程的教學(xué)目標(biāo)，研究其控制類(lèi)課程體系的關(guān)聯(lián)性十分必要。

2 “機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程與先修課程之間的關(guān)聯(lián)性研究

“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程的先修課程有“大學(xué)物理”“電工電子技術(shù)”“控制工程基礎(chǔ)”“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”等?，F(xiàn)對(duì)先修要求課程的某個(gè)內(nèi)容與“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究。以下對(duì)各個(gè)課程與“機(jī)電傳動(dòng)與控制”的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了舉例闡述。

2.1 “機(jī)電傳動(dòng)與控制”與“大學(xué)物理”

“機(jī)電傳動(dòng)與控制”第一章講解的內(nèi)容為直流電機(jī)，直流電機(jī)因可逆原理分為2 種，一種是直流電動(dòng)機(jī)，由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；一種是直流發(fā)電機(jī)，由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在直流電機(jī)結(jié)構(gòu)相同的情況下出現(xiàn)2種工作情況，與直流電機(jī)的工作原理有直接關(guān)系。當(dāng)作為發(fā)電機(jī)使用時(shí)，直流發(fā)電機(jī)將輸入機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率輸出；且利用換向器和電刷，直流發(fā)電機(jī)將導(dǎo)體中的交變電勢(shì)和電流整流成直流輸出；直流發(fā)電機(jī)導(dǎo)體中的電流與運(yùn)動(dòng)電勢(shì)方向相同。而直流電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程卻是外接電源后，電源回路的電流通過(guò)電刷裝置和換向器到轉(zhuǎn)子線圈中，因左手定則作用判斷受電磁力的作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。這一系列的知識(shí)理解都需要學(xué)生們?cè)凇按髮W(xué)物理”中掌握靜止電荷的電場(chǎng)、恒定電流的磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)、電磁場(chǎng)理論的相關(guān)知識(shí)。

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)機(jī)、電統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，有運(yùn)動(dòng)就必然存在力學(xué)問(wèn)題。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)雖然是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但仍可根據(jù)直線運(yùn)動(dòng)中的力學(xué)定律來(lái)求解運(yùn)動(dòng)方程式。

因此，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)是基于“大學(xué)物理”中的能量守恒定律去判斷生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[1]。不管這個(gè)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何復(fù)雜，都應(yīng)該滿(mǎn)足能量守恒的定律。這個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩有直接關(guān)系。

因此學(xué)生學(xué)習(xí)直流電機(jī)這個(gè)章節(jié)前，需對(duì)學(xué)生大一下半學(xué)年掌握的“大學(xué)物理”的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行摸底，從而幫助學(xué)生更好掌握直流電動(dòng)機(jī)的重要知識(shí)點(diǎn)。

2.2 “機(jī)電傳動(dòng)與控制”與“電工電子技術(shù)”

“機(jī)電傳動(dòng)與控制”第二章講解的內(nèi)容為交流電動(dòng)機(jī)。該章節(jié)的難點(diǎn)內(nèi)容是三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理以及三相異步電動(dòng)機(jī)定子電路與轉(zhuǎn)子電路的分析[2]。三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理是基于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子電流的相互作用。當(dāng)三相電源與異步電機(jī)的定子繞組連接以后，電生磁，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而根據(jù)右手定則、安培定律、左手定則等物理知識(shí)，判斷轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)過(guò)程涉及三相異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)與旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系，都和“電工電子技術(shù)”的相關(guān)知識(shí)密切相連。這個(gè)章節(jié)主要涉及“電工電子技術(shù)”基礎(chǔ)的知識(shí)點(diǎn)是正弦交流電路及三相交流電路。該章要求學(xué)生能分析正弦交流電路的基本概念、基本規(guī)律，列入相量對(duì)正弦交流電路進(jìn)行分析計(jì)算；討論三相電源和三相負(fù)載的星形和三角形的連接，線電壓與相電壓、線電流與相電流的關(guān)系，以及三相電路的功率。

按照2018 級(jí)人才培養(yǎng)方案，“電工電子技術(shù)”屬于學(xué)科基礎(chǔ)教育課程。機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在大一下半學(xué)年和大二上半學(xué)年完成。正弦交流電路及三相交流電路的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)在此課程中也是難點(diǎn)，因此進(jìn)行這章節(jié)學(xué)習(xí)前，需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行摸底，如果掌握得不太好，需加強(qiáng)課前預(yù)習(xí)和課堂學(xué)習(xí)。

2.3 “機(jī)電傳動(dòng)與控制”與“控制工程基礎(chǔ)”

“機(jī)電傳動(dòng)與控制”第四章主要講授的內(nèi)容為機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)、電氣元件及電力電子裝置等組成。根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)可以構(gòu)成開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)[3]。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)沒(méi)有反饋回路，只有輸入量對(duì)輸出量的單方向控制，而沒(méi)有對(duì)輸出量的執(zhí)行情況檢測(cè)的系統(tǒng)。例如步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床就是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。教材用直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行舉例，講解了開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中電機(jī)的角色以及使用該系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有反饋回路，利用對(duì)輸出量的檢測(cè)并與給定的輸入的比較值來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。例如伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。教材用采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為例介紹閉環(huán)控制系統(tǒng)。但這些內(nèi)容遠(yuǎn)沒(méi)有“控制工程基礎(chǔ)”課程講授得詳細(xì)，因此需要學(xué)生知道課程知識(shí)點(diǎn)的融合關(guān)系，要求學(xué)生牢固掌握開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，合理判斷機(jī)電控制系統(tǒng)中電機(jī)的角色。

2.4 “機(jī)電傳動(dòng)與控制”與“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”

“機(jī)電傳動(dòng)與控制”的第一個(gè)字是“機(jī)”，說(shuō)明學(xué)生在學(xué)習(xí)該門(mén)課程時(shí)需明白掌握“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的必要性和重要性?！皺C(jī)電傳動(dòng)與控制”課程要求學(xué)生掌握機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，知道機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)生產(chǎn)機(jī)械部分負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算過(guò)程，從而建立正確的機(jī)電模型，完成機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此需掌握平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、聯(lián)接等知識(shí)。在講授“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程中的“運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)的計(jì)算”時(shí)，先要對(duì)學(xué)生掌握“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的情況進(jìn)行摸底，為建立正確的機(jī)電模型打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。

3 “機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程與后修課程的關(guān)聯(lián)性研究

“機(jī)電傳動(dòng)與控制”是機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用方向和智能制造應(yīng)用方向的專(zhuān)業(yè)必修課程。按照以成果為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)方案，需要理清該課程對(duì)后續(xù)課程的影響。因此研究“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程與后修課程的關(guān)聯(lián)性是十分必要的。以2018 級(jí)人才培養(yǎng)方案為研究背景，用1～2 門(mén)課程說(shuō)明該研究的必要性和重要性。

3.1 “機(jī)電傳動(dòng)與控制”與“機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)”

通過(guò)學(xué)習(xí)“機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，學(xué)生在了解機(jī)電一體化系統(tǒng)的技術(shù)全貌的前提下，可掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)基本知識(shí)。學(xué)生通過(guò)課堂實(shí)物演示認(rèn)知機(jī)電系統(tǒng)，通過(guò)理論講解和實(shí)例分析掌握相關(guān)理論知識(shí)，通過(guò)使用Arduino 單片機(jī)和傳感器對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用各種電機(jī)和傳感器。最終要求學(xué)生具備機(jī)電系統(tǒng)調(diào)試、維護(hù)、設(shè)計(jì)能力。因此學(xué)生一定要通過(guò)學(xué)習(xí)“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程，建立正確的機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)，學(xué)會(huì)選擇及計(jì)算校核電動(dòng)機(jī)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速以及制動(dòng)的原理認(rèn)識(shí)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等。因此為達(dá)到畢業(yè)要求，學(xué)好“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程十分必要。

3.2 “機(jī)電傳動(dòng)與控制”與“電氣控制與PLC 應(yīng)用”

“電氣控制與PLC 應(yīng)用”是機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用方向的第一個(gè)方向課，要求學(xué)生在掌握“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程的基礎(chǔ)上，更深層次理解電氣控制原理。掌握常用PLC 指令的功能、編程方法，增強(qiáng)學(xué)生設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力，獲得工程師必備的知識(shí)儲(chǔ)備和技能訓(xùn)練?！皺C(jī)電傳動(dòng)與控制”第五章主要講授低壓控制電路的設(shè)計(jì)，這個(gè)章節(jié)涉及的重要內(nèi)容為常見(jiàn)的低壓電器元件、機(jī)械生產(chǎn)中常見(jiàn)的低壓控制電路；要求學(xué)生根據(jù)對(duì)點(diǎn)動(dòng)與長(zhǎng)動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制電路、順序控制電路、多地控制電路等的了解掌握低壓控制電路的設(shè)計(jì)方法。因此在學(xué)生更深層學(xué)習(xí)電氣控制原理時(shí)，對(duì)電氣原理圖、接線圖等都非常熟悉。此外繼電器-接觸器的控制電路的設(shè)計(jì)思想直接影響可編程控制的邏輯設(shè)計(jì)[4]。PLC 的編程語(yǔ)言比較多，但最常用的梯形圖設(shè)計(jì)的思想是在繼電器-接觸器的設(shè)計(jì)思想上演變而來(lái)的，因此學(xué)好“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程對(duì)學(xué)生學(xué)好“電氣控制與PLC 應(yīng)用”課程的幫助特別大。

4 “機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程成果導(dǎo)向的研究

“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程考核的方式為平時(shí)成績(jī)分+期末考試成績(jī)分，期末考試試題的題型有選擇題、判斷題、簡(jiǎn)答分析題、計(jì)算題、控制設(shè)計(jì)題。根據(jù)以成果為導(dǎo)向的教學(xué)大綱和考核方式，制定如下具體的考核方式：①為機(jī)械設(shè)計(jì)、電控設(shè)計(jì)等方面的工程問(wèn)題建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，并進(jìn)行正確分析，給出解答。該項(xiàng)通過(guò)期末考試客觀題、簡(jiǎn)答題以及計(jì)算題進(jìn)行考核。②了解本專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新途徑，掌握基本創(chuàng)新方法。主要通過(guò)課后學(xué)習(xí)進(jìn)行考核，對(duì)機(jī)電模型的建立方式、電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和機(jī)電工程問(wèn)題的解決進(jìn)行具體考核。③能夠應(yīng)用相關(guān)軟件和制圖知識(shí)，完成產(chǎn)品零件圖、裝配圖、電控原理圖、接線圖的繪制和樣機(jī)仿真運(yùn)行與分析。期末考試時(shí)試卷中會(huì)有低壓控制電路設(shè)計(jì)題，要求學(xué)生們?cè)诓徊殚嗁Y料的情況下，根據(jù)掌握的5 種基礎(chǔ)控制電路完成控制要求的設(shè)計(jì)；課后學(xué)習(xí)時(shí)，通過(guò)查閱資料完成低壓控制電路的原理圖的設(shè)計(jì)，掌握繪圖的技巧和方法。④能理解多學(xué)科背景下的團(tuán)隊(duì)中個(gè)體與團(tuán)隊(duì)的關(guān)系。該部分的考核主要是過(guò)程考核，學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)本門(mén)課程期間，組成團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員不能多于4 人，要求每名學(xué)生在不同的任務(wù)中擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)者，分配組員之間的合作，完成教師布置的任務(wù)。過(guò)程考核的題目一般偏于討論類(lèi)和設(shè)計(jì)類(lèi)，這樣能充分調(diào)動(dòng)學(xué)們的積極性。⑤能正確認(rèn)識(shí)自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的必要性。該部分主要通過(guò)課堂學(xué)習(xí)進(jìn)行考核，主要通過(guò)出勤、課堂紀(jì)律和隨堂測(cè)試進(jìn)行量化。大學(xué)期間應(yīng)該學(xué)習(xí)的是方法和遵守一定的規(guī)則制度，所有出勤考驗(yàn)的是不管什么情況，學(xué)生都應(yīng)該按時(shí)出勤，遵守課堂紀(jì)律。將隨堂測(cè)試量化檢驗(yàn)了學(xué)生掌握當(dāng)堂課知識(shí)的情況，也說(shuō)明了學(xué)生上課學(xué)習(xí)的方法等。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)2018 級(jí)人才培養(yǎng)方案的研究，明確了“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程和其他課程的關(guān)聯(lián)性，明確了“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程中重要知識(shí)點(diǎn)的延伸性，明確了“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程考核方式。上述考核方式已在機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)2018 級(jí)“機(jī)電傳動(dòng)與控制”課程中實(shí)施。2018 級(jí)29 名學(xué)生參與考核，僅1 人不及格，與2017 級(jí)考核成績(jī)相比有明顯進(jìn)步。但學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)應(yīng)用能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、自主學(xué)習(xí)能力都需要提高和加強(qiáng)。