面向機(jī)器人與智能制造的機(jī)電傳動(dòng)控制課程建設(shè)與實(shí)踐

楊凱盛，許澤華，錢 燦，胡俊豪，阮陽(yáng)飛

（寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211）

0 引言

機(jī)電傳動(dòng)控制課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、智能制造工程、機(jī)器人工程等工科類本科專業(yè)的主要技術(shù)基礎(chǔ)課，涉及的基礎(chǔ)領(lǐng)域眾多，包括機(jī)械、力學(xué)、電子、控制、計(jì)算機(jī)等[1]。通過本課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生了解機(jī)電傳動(dòng)控制的基礎(chǔ)知識(shí)和一般原理，掌握工程師必備的知識(shí)技能并獲得實(shí)際運(yùn)用所需要的工程訓(xùn)練[2]。但是，目前我國(guó)社會(huì)已進(jìn)入“十四五”發(fā)展進(jìn)程，而大部分高校的本課程教材卻未做出更新，導(dǎo)致很多相關(guān)的新概念、新技術(shù)（比如機(jī)器人、智能制造、人工智能、大數(shù)據(jù)等）沒有融入到教學(xué)內(nèi)容中，并且課程在實(shí)訓(xùn)條件、教學(xué)模式等方面也存在諸多問題和不足，因此，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改善實(shí)訓(xùn)條件、改進(jìn)教學(xué)模式對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、科學(xué)思維方式、工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力具有重要意義，也是面向機(jī)器人與智能制造等新工科的機(jī)電傳動(dòng)控制課程建設(shè)、改革和實(shí)踐的要求[3-5]。

1 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

本課程的教學(xué)內(nèi)容包括理論教學(xué)和實(shí)踐訓(xùn)練兩部分，如圖1 所示。其中理論教學(xué)的重點(diǎn)是使學(xué)生掌握機(jī)電傳動(dòng)控制的基礎(chǔ)知識(shí)，熟悉各種類型電動(dòng)機(jī)的工作原理、特性和應(yīng)用方法，掌握可編程控制器和各種類型調(diào)速系統(tǒng)原理；實(shí)踐訓(xùn)練的重點(diǎn)是使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證和進(jìn)一步理解，使學(xué)生掌握機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用的基本技能，著力培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、專業(yè)綜合能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力[6]。

圖1 教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的

由于課程的教材內(nèi)容落后于新技術(shù)的發(fā)展，更新改版較慢，很多相關(guān)的新概念、新技術(shù)（比如機(jī)器人、智能制造、人工智能、大數(shù)據(jù)等）沒有融入到教學(xué)內(nèi)容中。此外，課程教學(xué)內(nèi)容繁多，知識(shí)涵蓋面廣，知識(shí)點(diǎn)零碎，綜合交叉性強(qiáng)，相關(guān)內(nèi)容之間缺乏邏輯性、系統(tǒng)性，不利于學(xué)生自學(xué)和掌握重點(diǎn)難點(diǎn)。

結(jié)合上述新出現(xiàn)的基本情況與本課程的多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，需要針對(duì)原本零散的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)整理，并在此基礎(chǔ)上做出具體優(yōu)化，進(jìn)一步理清本課程與相關(guān)課程的銜接關(guān)系，對(duì)教學(xué)內(nèi)容與流程進(jìn)行優(yōu)化，分級(jí)講解，突出重難點(diǎn)。對(duì)課程中機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程這樣的核心公式要求學(xué)生達(dá)到理解的程度，并可以運(yùn)用公式進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。本課程的重點(diǎn)內(nèi)容是直流電機(jī)、交流電機(jī)和控制電機(jī)，學(xué)生應(yīng)該掌握其工作原理和特性，重點(diǎn)討論機(jī)械特性方程中涉及的啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速等功能的應(yīng)用。此外，還需要詳細(xì)介紹包括直流傳動(dòng)系統(tǒng)、交流傳動(dòng)系統(tǒng)和伺服傳動(dòng)系統(tǒng)在內(nèi)的各種類型傳動(dòng)系統(tǒng)。最后，要在學(xué)生達(dá)到前兩個(gè)教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步使學(xué)生能獨(dú)立完成繼電器-接觸器控制、PLC 控制和計(jì)算機(jī)控制等控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在講解過程中，需要結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)情況，針對(duì)性地多分析一些典型案例。在整個(gè)教學(xué)過程中，教師應(yīng)穿插講解大量相關(guān)的新概念、新技術(shù)，為學(xué)生在課堂外主動(dòng)學(xué)習(xí)目前生產(chǎn)中運(yùn)用較廣泛的新知識(shí)和技能打下基礎(chǔ)。

2 實(shí)訓(xùn)條件改善

本課程的理論較為抽象，僅僅通過理論教學(xué)很難讓學(xué)生理解和掌握相關(guān)知識(shí)，實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)對(duì)于本課程來(lái)說必不可少，而實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件是實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)教學(xué)質(zhì)量的重要保障。但是，機(jī)電傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對(duì)來(lái)說價(jià)格昂貴，造成實(shí)驗(yàn)室中設(shè)備臺(tái)（套）數(shù)較少，難以滿足教學(xué)要求。此外，較早建設(shè)的機(jī)電傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備較陳舊，功能單一，沒有更新?lián)Q代；有些學(xué)校由于資金不到位或?qū)I(yè)成立較晚，機(jī)電傳動(dòng)控制的實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)只以PLC 實(shí)驗(yàn)箱代替全部實(shí)驗(yàn)[7]。由于實(shí)訓(xùn)內(nèi)容比較單一，創(chuàng)新性不夠，學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中碰到的問題和疑問無(wú)法通過動(dòng)手實(shí)踐去驗(yàn)證和解決，阻礙了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)踐訓(xùn)練效果不理想。因此，進(jìn)一步完善實(shí)訓(xùn)條件，給學(xué)生提供更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，有助于獲得良好的教學(xué)效果。

結(jié)合本課程教學(xué)內(nèi)容中涉及的各種類型電動(dòng)機(jī)、可編程控制器等器件，以及智能制造工程、機(jī)器人工程等新工科專業(yè)的需要，通過外部采購(gòu)、委托定制、自主研發(fā)、校企合作等方式建設(shè)一系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備，改善現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)條件。新建的實(shí)訓(xùn)條件不僅能滿足單個(gè)器件（比如各種類型電動(dòng)機(jī)、可編程控制器等）的教學(xué)和實(shí)踐需要，還能夠以系統(tǒng)集成的方式體現(xiàn)智能制造、機(jī)器人等新興技術(shù)和專業(yè)對(duì)機(jī)電傳動(dòng)控制的要求，使學(xué)生能夠全面深入了解機(jī)電傳動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，同時(shí)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件還能為其他課程的教學(xué)和實(shí)踐服務(wù)，減少重復(fù)建設(shè)導(dǎo)致的浪費(fèi)。通過完善實(shí)訓(xùn)條件，為學(xué)生提供更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，培養(yǎng)動(dòng)手能力和實(shí)際分析問題、解決問題的能力。

3 教學(xué)模式改進(jìn)

目前，本課程的理論教學(xué)通常由授課教師通過PPT 課件進(jìn)行課堂講授，相對(duì)傳統(tǒng)的板書教學(xué)模式，PPT 課件授課模式單節(jié)課講授內(nèi)容較多，學(xué)生在課堂上難以快速理解消化，太多的新知識(shí)容易使學(xué)生疲倦，甚至失去學(xué)習(xí)興趣。因此，需要根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)，改進(jìn)課堂授課的教學(xué)模式，使學(xué)生更容易理解課程內(nèi)容，并能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣[8]。課程實(shí)踐訓(xùn)練的教學(xué)內(nèi)容主要是認(rèn)識(shí)性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟、所用設(shè)備通常由授課教師提前調(diào)試好，學(xué)生只需要按照指導(dǎo)書和授課教師的詳細(xì)指導(dǎo)，照搬照抄即可完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)問題也很少去積極地分析、思考問題原因，常常是直接求助于授課教師，被動(dòng)盲目地完成整個(gè)實(shí)踐操作過程。另外，由于指導(dǎo)教師通常只有一個(gè)，指導(dǎo)時(shí)間有限，只能是按組指導(dǎo)或優(yōu)先指導(dǎo)主動(dòng)來(lái)問的學(xué)生和小組，從而導(dǎo)致只有部分學(xué)生的實(shí)踐效果較好。因此，本課程實(shí)踐訓(xùn)練部分的教學(xué)模式也需要改進(jìn)，真正培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力和實(shí)際分析問題、解決問題的能力。

3.1 理論教學(xué)方式改進(jìn)

理論教學(xué)部分，可以從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：首先，制作優(yōu)質(zhì)的多媒體課件，課件內(nèi)容能夠?qū)⒏髡聝?nèi)容中重要的知識(shí)點(diǎn)簡(jiǎn)單清晰地概括出來(lái)，并配以圖片、動(dòng)畫、視頻等，創(chuàng)造出圖文并茂、有聲有色、生動(dòng)逼真的教學(xué)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生更好地理解和掌握相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，比如在課堂教學(xué)中引入機(jī)械臂可視化教學(xué)平臺(tái)，通過教學(xué)平臺(tái)上的交互界面實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生了解電機(jī)在機(jī)械臂上的應(yīng)用情況，如圖2 所示。其次，引入案例教學(xué)或情景教學(xué)，在授課過程中，設(shè)計(jì)一些與課程知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用案例或者貼近學(xué)生的實(shí)際生活情境，引導(dǎo)學(xué)生思考，讓學(xué)生把課程知識(shí)點(diǎn)和具體案例或具體情境聯(lián)系起來(lái)，再進(jìn)行講解，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，比如在課堂教學(xué)中引入四足機(jī)械狗，讓學(xué)生實(shí)際操控機(jī)械狗動(dòng)作，體會(huì)電機(jī)如何在機(jī)械狗動(dòng)作中發(fā)揮作用，如圖3 所示。最后，采用混合式教學(xué)模式，引入網(wǎng)上教學(xué)資源、線上問卷調(diào)查、小組討論、班級(jí)群聊、章節(jié)測(cè)試等多種多樣的形式，提升學(xué)生線上、線下教學(xué)活動(dòng)的參與感，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，引導(dǎo)學(xué)生有效學(xué)習(xí)，減少傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足。

圖2 六軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂可視化教學(xué)平臺(tái)演示電機(jī)應(yīng)用情況

圖3 學(xué)生參與四足機(jī)械狗操控體會(huì)電機(jī)應(yīng)用情況

3.2 實(shí)踐訓(xùn)練方式改進(jìn)

實(shí)踐訓(xùn)練部分，可以從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：基于人人參與的原則，實(shí)踐教學(xué)展開前，針對(duì)涉及的各種類型電動(dòng)機(jī)、可編程控制器等器件，以及機(jī)器人工程、智能制造工程等新工科專業(yè)的需要，通過外部采購(gòu)、委托定制、自主研發(fā)、校企共建等方式建設(shè)一系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備，改善現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)條件。在實(shí)踐分組過程中，充分考慮學(xué)生對(duì)機(jī)電傳動(dòng)控制的理解水平，將理解較好的學(xué)生與理解一般的學(xué)生分在一起，該方式在教學(xué)的過程中，充分發(fā)揮了學(xué)生的資源，讓理解不好的學(xué)生在遇到問題時(shí)馬上可以通過詢問的方式解決，不讓問題累積，最終保證學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在分組人數(shù)上采用3～5 人為一組的方式，在評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)采取隨機(jī)抽取學(xué)生重新組成一組上講臺(tái)復(fù)現(xiàn)隨機(jī)一部分的實(shí)踐過程的方式，增加學(xué)生全過程實(shí)踐的主動(dòng)性。在實(shí)訓(xùn)期間，授課教師全程跟蹤，與學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通和交流，掌握學(xué)生的動(dòng)態(tài)，予以及時(shí)的答疑和指導(dǎo)。學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練場(chǎng)景與成果如圖4 所示。

圖4 學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練場(chǎng)景與成果

3.3 理論與實(shí)踐結(jié)合改進(jìn)

理論與實(shí)踐結(jié)合方面，可以從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：目前課程教授方式采用先理論后實(shí)踐的方式，一般在上完某個(gè)對(duì)應(yīng)模塊后才進(jìn)行實(shí)踐課，兩者之間一般相隔一周及以上，學(xué)生在開展實(shí)踐課過程中往往已經(jīng)對(duì)理論知識(shí)有所遺忘，加之學(xué)生掌握的程度不同，很難應(yīng)對(duì)不同的學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性講解，導(dǎo)致實(shí)踐課效果不理想，時(shí)間不夠用而導(dǎo)致實(shí)踐課匆匆結(jié)束，學(xué)生的動(dòng)手能力無(wú)法展現(xiàn)。本項(xiàng)目課程理論教學(xué)與實(shí)踐訓(xùn)練密不可分的情況，改變現(xiàn)有課程理論課與實(shí)踐課相互獨(dú)立的模式，并針對(duì)不同水平的學(xué)生打造多層次的實(shí)踐平臺(tái)，將理論課和實(shí)踐課放在一起進(jìn)行。首先，組織專門人員在課前制作一些實(shí)踐流程的詳細(xì)小視頻讓學(xué)生學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解本次實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)怎樣任務(wù)及操作，進(jìn)入課堂后學(xué)生帶著實(shí)踐流程與任務(wù)進(jìn)入理論的學(xué)習(xí)，該過程提升了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)意愿與目的性，在理解相關(guān)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行實(shí)踐，而實(shí)踐的過程又可以使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)深入了解，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)本課程理論體系的建立。

4 評(píng)價(jià)體系改革

目前本課程考核方式不科學(xué)，考核標(biāo)準(zhǔn)偏單一，考核內(nèi)容主要基于課堂表現(xiàn)、最終考試和實(shí)踐部分，但學(xué)生最主要的課堂外的時(shí)間并沒有加入進(jìn)來(lái)，這對(duì)那些花費(fèi)大量課外時(shí)間在機(jī)電傳動(dòng)控制上的學(xué)生沒有起到很好的鼓勵(lì)作用，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、科學(xué)思維方式、工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力也沒有起到作用。

針對(duì)學(xué)生課外主動(dòng)學(xué)習(xí)情況，本課程的考核評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)增加了預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)賦分與課外項(xiàng)目實(shí)踐的賦分。預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)賦分可由過程性評(píng)價(jià)、總結(jié)性評(píng)價(jià)兩部分組成。過程性評(píng)價(jià)包括預(yù)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、教材簡(jiǎn)單作業(yè)課前完成質(zhì)量情況等，總結(jié)性評(píng)價(jià)通過讓學(xué)生在每一塊內(nèi)容學(xué)習(xí)后寫一段課程內(nèi)容的精簡(jiǎn)介紹，并據(jù)此給分。課外項(xiàng)目實(shí)踐分主要幫助學(xué)生跳出實(shí)踐依樣畫葫蘆式的流程，深入培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力，幫助學(xué)生更好適應(yīng)用人單位的要求，比如學(xué)生的課外閱讀課程相關(guān)的文獻(xiàn)并提交文獻(xiàn)閱讀報(bào)告，或者學(xué)生課外參加課程相關(guān)的學(xué)科競(jìng)賽并完成樣機(jī)或獲得一定獎(jiǎng)勵(lì)，這些課外實(shí)踐成果都可以在學(xué)生課程最終成績(jī)上有所體現(xiàn)。該過程通過實(shí)際案例導(dǎo)入，在課程教學(xué)過程中加入機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等工程實(shí)際項(xiàng)目，同時(shí)提高該部分在最終成績(jī)中的比重。在這部分分值中進(jìn)一步分成系統(tǒng)可行性分、創(chuàng)新設(shè)計(jì)分、前沿技術(shù)運(yùn)用分三個(gè)考核標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生在這套評(píng)價(jià)體系的驅(qū)動(dòng)下，理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐驗(yàn)證能力明顯提高。培養(yǎng)的學(xué)生基本具備了獨(dú)立展開創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力，在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能動(dòng)性上也可以滿足生產(chǎn)實(shí)踐的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過機(jī)電傳動(dòng)控制課程建設(shè)與改革，學(xué)生對(duì)機(jī)傳動(dòng)控制的學(xué)習(xí)興趣得到明顯改善，同時(shí)大量學(xué)生參加了學(xué)校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)，部分有能力的學(xué)生還進(jìn)行了機(jī)電系統(tǒng)樣機(jī)的設(shè)計(jì)與集成，并在學(xué)院的支持下參加了學(xué)校相關(guān)科研項(xiàng)目工作。此外，學(xué)生對(duì)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)原理和特性的理解水平上相較于傳統(tǒng)教學(xué)模式下學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生也有明顯進(jìn)步。在機(jī)電傳動(dòng)控制實(shí)踐方面，培養(yǎng)的學(xué)生也基本具備了獨(dú)立開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐的能力。以上情況表明課程在學(xué)生培養(yǎng)上基本達(dá)到了新工科的改革要求。