面向集成創(chuàng)新能力的復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計教學(xué)模式探索

李炳初 甘屹 楊麗紅 王雙園 邱彬彬

摘 要：為滿足先進裝備制造業(yè)對工程創(chuàng)新人才的需求，復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計逐漸成為機械專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。由于復(fù)雜機電系統(tǒng)的學(xué)術(shù)內(nèi)涵寬泛，復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程設(shè)置仍在不斷探索中。復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計的核心是集成創(chuàng)新能力，圍繞該目標，本文首先厘清復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計的學(xué)科內(nèi)涵，并總結(jié)工程實踐中復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合統(tǒng)計的一般性流程，并依據(jù)該流程對復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程的教學(xué)背景、教學(xué)目標、教學(xué)理念進行系統(tǒng)梳理，著重對復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)案例以及課程實踐展開討論，分析了集成創(chuàng)新能力培養(yǎng)的切入點與實施方法。本文對于提升復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程的教學(xué)品質(zhì)，提升機電領(lǐng)域創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量有較好啟發(fā)意義。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜機電系統(tǒng)；集成設(shè)計；教學(xué)背景；教學(xué)模式

1 復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計的內(nèi)涵

復(fù)雜機電系統(tǒng)是由機械、電氣、控制、計算機等多個學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)和知識組成的系統(tǒng)，其應(yīng)用涉及生活的方方面面，典型的復(fù)雜機電系統(tǒng)如大型飛機、高速列車、精密機床、工業(yè)機器人、現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備、自動化生產(chǎn)線等［1］。復(fù)雜機電系統(tǒng)的特征主要包括：（1）多學(xué)科融合：復(fù)雜機電系統(tǒng)是由機械、電氣、控制、計算機等多個學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)和知識組成的系統(tǒng)，需要多個學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)支持［2］。（2）功能多樣性：復(fù)雜機電系統(tǒng)可以完成多種復(fù)雜的功能需求，如自動化生產(chǎn)線、機器人、智能交通系統(tǒng)等。（3）大規(guī)模集成：復(fù)雜機電系統(tǒng)中的各個組成部分需要進行大規(guī)模集成，需要解決不同部件之間的協(xié)同作用和數(shù)據(jù)交互協(xié)同等問題。（4）智能化控制：復(fù)雜機電系統(tǒng)需要實現(xiàn)智能化控制，通過各種控制算法和控制器實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和智能化。（5）可靠性和安全性：復(fù)雜機電系統(tǒng)中涉及的各個組成部分需要具備高度的可靠性和安全性，以確保系統(tǒng)的正常運行和人員的安全。

復(fù)雜機電系統(tǒng)設(shè)計能力是國家科技水平的重要體現(xiàn)［3］，在提高生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量、改善生活和服務(wù)質(zhì)量、增強國家安全、推動科技創(chuàng)新和培養(yǎng)高技能人才等方面發(fā)揮重要作用：（1）提高生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量：復(fù)雜機電系統(tǒng)可以實現(xiàn)工業(yè)自動化，提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量，推動國家制造業(yè)升級和技術(shù)水平提升。（2）改善生活和服務(wù)質(zhì)量：復(fù)雜機電系統(tǒng)可以應(yīng)用于智能交通、醫(yī)療設(shè)備、智能家居等領(lǐng)域，提高人們的生活質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量，促進社會發(fā)展和進步。（3）增強國防實力：尖端國防裝備的研發(fā)依賴于復(fù)雜機電系統(tǒng)集成設(shè)計的理論與技術(shù)，是提升國家國防實力的重要支柱。（4）推動科技創(chuàng)新：復(fù)雜機電系統(tǒng)需要融合多個學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)和知識，推動科技創(chuàng)新和跨學(xué)科研究，提高國家的科技水平和核心競爭力。（5）培養(yǎng)高技能人才：復(fù)雜機電系統(tǒng)需要多學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)支持，可以培養(yǎng)出高技能的跨學(xué)科人才，推動國家的人才培養(yǎng)和發(fā)展。

2 復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計特點和一般流程

為更好地進行復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計的教學(xué)，首先需要對實際工程中復(fù)雜機電系統(tǒng)設(shè)計方法進行分析，并進行歸納總結(jié)，形成對設(shè)計規(guī)律的概括，以便于設(shè)置課程教學(xué)內(nèi)容和模式。

復(fù)雜機電系統(tǒng)的功能依賴于多個子系統(tǒng)相互作用［4］，其設(shè)計過程需要考慮多領(lǐng)域、多層次、多物理層、多控制方式的協(xié)同。從學(xué)科領(lǐng)域來看，復(fù)雜機電系統(tǒng)涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，如機械、電氣、控制、計算機等，需要學(xué)生具備這些學(xué)科領(lǐng)域的知識和技能；在結(jié)構(gòu)方面，復(fù)雜機電系統(tǒng)具有多層次的結(jié)構(gòu)，從最基本的零部件到組成整個系統(tǒng)的模塊，涉及多個層次的設(shè)計和分析；在內(nèi)部能量交互方面，復(fù)雜機電系統(tǒng)中的機械、電氣、熱學(xué)等多種物理場相互作用和耦合，需要設(shè)計者具備相關(guān)的物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；同時，復(fù)雜機電系統(tǒng)需要通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)其預(yù)定功能，控制方式多種多樣，如PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，且復(fù)雜機電系統(tǒng)通常需要實現(xiàn)多種功能，如定位、精度控制、速度控制、力控制等，需要設(shè)計者具備多種技能和設(shè)計方法。

復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計需要對機械、電氣、控制、計算機等多學(xué)科領(lǐng)域的知識和技能進行整合，并采用系統(tǒng)化的設(shè)計方法［5］，逐步完成系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、子系統(tǒng)設(shè)計、聯(lián)調(diào)測試、集成調(diào)試、優(yōu)化改進等關(guān)鍵步驟，從而實現(xiàn)具有多種功能需求的機電系統(tǒng)。一般流程如下：（1）系統(tǒng)需求分析：對機電系統(tǒng)的功能需求進行全面、詳細的分析和確定，包括系統(tǒng)性能指標、工作條件、使用環(huán)境等；（2）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)計機械、電氣、控制、計算機等子系統(tǒng)之間的聯(lián)結(jié)方式，確定系統(tǒng)的總體框架和工作流程；（3）子系統(tǒng)設(shè)計：對機械、電氣、控制、計算機等子系統(tǒng)進行單獨設(shè)計，包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣元器件選型和電路設(shè)計、控制算法設(shè)計、計算機程序設(shè)計等；（4）子系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試：將設(shè)計好的子系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)測試，檢驗其相互協(xié)調(diào)和整體工作的可靠性和穩(wěn)定性；（5）系統(tǒng)集成調(diào)試：將設(shè)計好的各個子系統(tǒng)進行集成調(diào)試，檢驗整個機電系統(tǒng)的性能指標和工作流程是否符合需求；（6）系統(tǒng)優(yōu)化改進：對機電系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，使其更加符合實際需求，包括性能指標的提高、結(jié)構(gòu)的簡化、控制算法的優(yōu)化等。

3 復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計的教學(xué)目標及理念

根據(jù)復(fù)雜機電系統(tǒng)設(shè)計工程實踐中所需要的能力，復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計應(yīng)該以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高端應(yīng)用型工程人才為育人目標，以培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維、創(chuàng)新意識和工程實踐能力為核心，注重從企業(yè)需求、工程實踐和社會實踐中提煉問題，采取創(chuàng)新設(shè)計理論教學(xué)和工程實踐相結(jié)合的雙向驅(qū)動模式，培養(yǎng)學(xué)生的項目管理能力、團隊合作能力、溝通表達能力、系統(tǒng)化設(shè)計能力，啟發(fā)學(xué)生內(nèi)在的創(chuàng)新原動力和創(chuàng)業(yè)意識力。課程具體目標包括：（1）掌握復(fù)雜機電系統(tǒng)的基本理論和設(shè)計方法，理解復(fù)雜機電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各個部件之間的關(guān)系；（2）熟悉復(fù)雜機電系統(tǒng)的設(shè)計流程，包括需求分析、方案設(shè)計、系統(tǒng)集成、試驗驗證等環(huán)節(jié)，能夠根據(jù)實際情況合理地選擇設(shè)計方法和工具；（3）具備從系統(tǒng)整體角度出發(fā)進行問題分析和解決問題的能力，能夠從不同角度對復(fù)雜機電系統(tǒng)進行評價和改進；（4）能夠獨立或協(xié)作完成復(fù)雜機電系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)，包括制訂設(shè)計方案、進行設(shè)計計算和仿真分析、編制設(shè)計報告和展示等；（5）培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和團隊合作能力，使其能夠在實際工程項目中進行復(fù)雜機電系統(tǒng)設(shè)計并取得優(yōu)異成績。

作為機電工程領(lǐng)域的重要課程，本課程對于學(xué)生的實際應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)的提高具有重要作用［6］，其教學(xué)方式中應(yīng)融合多種教學(xué)理念：（1）項目驅(qū)動式教學(xué)：通過引入實際的工程項目，讓學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)和掌握理論知識，從而更好地理解復(fù)雜機電系統(tǒng)的綜合設(shè)計過程。（2）互動式教學(xué)：引入互動式教學(xué)模式，鼓勵學(xué)生在教師的引導(dǎo)下自主探索和解決問題，從而提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探究能力。（3）團隊合作式教學(xué)：通過小組合作的方式，讓學(xué)生在實踐中體驗團隊協(xié)作的重要性，提高學(xué)生的溝通和協(xié)作能力。（4）產(chǎn)學(xué)研結(jié)合式教學(xué)：將實際的工程項目與企業(yè)需求相結(jié)合，引入企業(yè)的技術(shù)和經(jīng)驗，讓學(xué)生更好地了解工業(yè)實踐，提高其綜合設(shè)計能力。（5）創(chuàng)新思維式教學(xué)：在教學(xué)中引入創(chuàng)新思維，讓學(xué)生通過提出問題、探究問題、解決問題的過程，培養(yǎng)創(chuàng)新能力和解決問題的能力。

通過以上教學(xué)理念的引入，可以更好地促進學(xué)生復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生的實際應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)，同時能夠更好地適應(yīng)機電工程領(lǐng)域的快速發(fā)展和變化。

4 復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程內(nèi)容設(shè)置

復(fù)雜機電系統(tǒng)理論教學(xué)主要是為了使學(xué)生掌握復(fù)雜機電系統(tǒng)的基本理論知識和分析方法，為后續(xù)的應(yīng)用和實踐打下堅實的基礎(chǔ)，應(yīng)該注重基本概念和原理、系統(tǒng)分析與設(shè)計方法、控制理論與算法、通信技術(shù)與數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用案例和實驗等方面的教學(xué)［7］，培養(yǎng)學(xué)生的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用能力，為學(xué)生未來的應(yīng)用和實踐打下堅實的基礎(chǔ)。教學(xué)要點包括：（1）基本概念和原理：包括機械、電氣、控制、計算機等學(xué)科領(lǐng)域的基本概念和原理，如力學(xué)、電路、傳感器、控制器等。（2）系統(tǒng)分析與設(shè)計方法：介紹復(fù)雜機電系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法，如系統(tǒng)建模、仿真、優(yōu)化等，幫助學(xué)生掌握系統(tǒng)分析和設(shè)計的基本流程和方法。（3）控制理論與算法：介紹控制理論和算法，如PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，幫助學(xué)生理解控制算法的原理和應(yīng)用。（4）通信技術(shù)與數(shù)據(jù)處理：介紹通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，如串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信、信號處理、圖像處理等，幫助學(xué)生了解通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理在復(fù)雜機電系統(tǒng)中的應(yīng)用。（5）應(yīng)用案例和實驗：通過實際的應(yīng)用案例和實驗，加深學(xué)生對復(fù)雜機電系統(tǒng)理論知識的理解和應(yīng)用能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合能力。

復(fù)雜機電系統(tǒng)設(shè)計是一項高難度、高復(fù)雜度的工作，需要使用專業(yè)的設(shè)計工具來輔助完成，這些工具可提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，在教學(xué)中應(yīng)對學(xué)術(shù)的工具應(yīng)用能力進行訓(xùn)練，以下設(shè)計工具應(yīng)進行簡要介紹：（1）CAD軟件：CAD軟件是計算機輔助設(shè)計軟件，能夠幫助工程師進行三維建模、繪制工程圖紙等操作，如AutoCAD、SolidWorks等。（2）仿真軟件：仿真軟件是一種計算機輔助工程軟件，能夠?qū)ο到y(tǒng)進行數(shù)值仿真，以驗證設(shè)計方案的正確性和優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，常見的仿真軟件有MATLAB/Simulink、ADAMS、Ansys等。（3）PLC編程軟件：PLC編程軟件是用于編寫PLC程序的軟件，常見的有Siemens Step7、Rockwell RSLogix等。（4）控制器編程軟件：控制器編程軟件是用于編寫控制器程序的軟件，如LabVIEW、CodeSys等。（5）通信協(xié)議軟件：通信協(xié)議軟件用于實現(xiàn)不同設(shè)備之間的通信，如Modbus、CAN等。（6）數(shù)據(jù)處理軟件：數(shù)據(jù)處理軟件用于對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，如LabVIEW、Matlab等。

5 復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計教學(xué)案例

工程案例是學(xué)習(xí)復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計的重要方式，對培養(yǎng)綜合運用能力和集成創(chuàng)新能力至關(guān)重要［8］，經(jīng)典復(fù)雜機電系統(tǒng)設(shè)計案例包括：（1）工業(yè)機器人系統(tǒng)設(shè)計：工業(yè)機器人是一種具有高度自動化和復(fù)雜控制系統(tǒng)的機電系統(tǒng)。例如，某公司需要設(shè)計一套機器人裝配線，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化組裝和檢測功能。該系統(tǒng)需要具有高度的運動控制、精準的傳感器測量、自適應(yīng)的控制算法和可靠的通信協(xié)議等特性。（2）自動化生產(chǎn)線設(shè)計：自動化生產(chǎn)線是一種涵蓋多個機電系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)。例如，某汽車公司需要設(shè)計一條自動化生產(chǎn)線，能夠?qū)崿F(xiàn)從汽車零部件加工到車身組裝等全過程的自動化生產(chǎn)。該系統(tǒng)需要具有高效的生產(chǎn)調(diào)度、可靠的物料搬運和高精度的裝配功能。（3）智能交通系統(tǒng)設(shè)計：智能交通系統(tǒng)是一種涵蓋多個機電系統(tǒng)的綜合性系統(tǒng)。例如，某城市需要設(shè)計一套智能交通系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)交通信號控制、公共交通調(diào)度、道路監(jiān)控等多種功能。該系統(tǒng)需要具有高效的數(shù)據(jù)處理、智能化的控制算法和可靠的通信協(xié)議等特性。

工程案例教學(xué)可采取交互式教學(xué)方法，教師可以設(shè)置一些問題或思考點，引導(dǎo)學(xué)生通過小組討論、模擬演練等方式進行互動和合作，也可以指導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)資料和進行實驗，幫助他們更好地理解工程問題和解決方法，提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)效果；在工程案例教學(xué)的過程中，還可以引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)和反思所學(xué)內(nèi)容，幫助他們進一步深化理解和應(yīng)用所學(xué)知識。

6 復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程實踐

復(fù)雜機電系統(tǒng)設(shè)計實踐是將理論知識應(yīng)用到實際工程問題中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過選取合適的設(shè)計任務(wù)，可以訓(xùn)練學(xué)生對知識的靈活運用能力，同時培養(yǎng)工程意識和創(chuàng)新意識［9］。以下是復(fù)雜機電系統(tǒng)設(shè)計實踐的案例：（1）機器人控制系統(tǒng)實驗：在這個實驗中，學(xué)生需要設(shè)計一套控制系統(tǒng)來控制一個機器人完成特定的任務(wù)。這需要學(xué)生理解機器人的控制原理，設(shè)計適當?shù)倪\動控制算法和編寫控制程序，同時需要通過實驗驗證控制系統(tǒng)的性能。（2）智能家居系統(tǒng)設(shè)計：在這個項目中，學(xué)生需要設(shè)計一套智能家居系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控制、遠程監(jiān)控和智能化調(diào)節(jié)等功能。這需要學(xué)生了解各種傳感器和執(zhí)行器的特性，設(shè)計合適的控制算法和編寫控制程序，同時需要運用云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和處理。（3）汽車發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計：在這個項目中，學(xué)生需要設(shè)計一套汽車發(fā)動機控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的燃油利用和低排放。這需要學(xué)生了解發(fā)動機的工作原理和特性，設(shè)計合適的控制算法和編寫控制程序，同時需要運用多種傳感器和執(zhí)行器實現(xiàn)發(fā)動機控制和診斷。

這些實踐項目需要學(xué)生掌握機電系統(tǒng)設(shè)計的基本原理和技能，同時需要運用多種設(shè)計工具和技術(shù)，如CAD軟件、仿真軟件、控制算法設(shè)計等。這些實踐項目的完成可以提高學(xué)生的實際操作能力和解決實際問題的能力。

結(jié)語

本文對復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程的教學(xué)背景、教學(xué)目標、教學(xué)理念進行了系統(tǒng)梳理，同時探討了教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)案例設(shè)計以及課程實踐的組織，分析了集成創(chuàng)新能力培養(yǎng)的切入點與實施方法，對于不斷順應(yīng)形勢完善復(fù)雜機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程方案有積極意義。

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項目基金：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（22050358 0120810）

作者簡介：李炳初（1988— ），男，漢族，山東菏澤人，博士，講師，從事機電系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計研究；甘屹（1974— ），男，漢族，四川宜賓人，博士，教授，從事現(xiàn)代設(shè)計理論及方法；楊麗紅（1973— ），女，漢族，河南洛陽人，博士，講師，從事機械裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計；王雙園（1986— ），男，漢族，安徽合肥人，博士，講師，從事機電裝備故障診斷；邱彬彬（1992— ），男，漢族，江蘇南通人，博士，講師，從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究。