機(jī)、電、液傳動(dòng)控制課程的融合教學(xué)探索與實(shí)踐

［摘 要］機(jī)、電、液傳動(dòng)控制課程在智能制造類專業(yè)人才培養(yǎng)中具有重要的地位，但目前該課程教學(xué)中仍然存在知識(shí)點(diǎn)分散、系統(tǒng)性不強(qiáng)、考核實(shí)驗(yàn)手段落后等問題。課題組提出，應(yīng)整合現(xiàn)有機(jī)電與液氣壓傳動(dòng)控制教學(xué)資源，重建機(jī)、電、液傳動(dòng)控制課程的融合教學(xué)體系，并對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，將教學(xué)內(nèi)容分為若干教學(xué)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)施過程考核方式。初步實(shí)施和測(cè)評(píng)表明，新的教學(xué)體系和考核方式均取得了良好效果。

［關(guān)鍵詞］機(jī)、電、液傳動(dòng)控制；課程改革；思維導(dǎo)圖；建模仿真

［中圖分類號(hào)］G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］2095-3437（2024）14-0077-04

機(jī)、電、液傳動(dòng)包括以各種電機(jī)為基礎(chǔ)的機(jī)電傳動(dòng)和以液、氣壓為代表的液力傳動(dòng)，其內(nèi)容涉及機(jī)電系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)與控制，是連接機(jī)械本體與智能控制系統(tǒng)的紐帶和橋梁，處于機(jī)電系統(tǒng)的核心地位。在我國(guó)推進(jìn)“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”、實(shí)施“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的大背景下，智能制造和智能機(jī)器人專業(yè)已經(jīng)成為“新工科”的主流專業(yè)方向[1]，而傳動(dòng)及控制是機(jī)電系統(tǒng)智能化的基礎(chǔ)，因此，機(jī)、電、液傳動(dòng)控制課程的地位和作用不言而喻。

目前，機(jī)、電、液傳動(dòng)控制在大多數(shù)學(xué)校都是分為機(jī)電傳動(dòng)控制、液壓與氣壓傳動(dòng)兩門課程開設(shè)的。這兩門課程盡管理論性不強(qiáng)，但涉及的學(xué)科多、知識(shí)點(diǎn)多，而兩門課程教材各自為政、融合性不強(qiáng)[2]，課程知識(shí)點(diǎn)難以打破課程間的界限[3]，在現(xiàn)有教學(xué)體系下，存在知識(shí)點(diǎn)分散、教學(xué)手段落后等問題[4]。以上情況導(dǎo)致部分學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)碎片化嚴(yán)重，對(duì)所學(xué)課程和專業(yè)內(nèi)容缺乏系統(tǒng)性掌握，導(dǎo)致缺乏學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，影響了教學(xué)效果。新時(shí)代背景為機(jī)電設(shè)備賦予更強(qiáng)大的內(nèi)涵，在機(jī)、電、液傳動(dòng)控制系統(tǒng)的集成化程度越來越高的同時(shí)，也更關(guān)注設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化和智能化。這就對(duì)課程設(shè)置的系統(tǒng)性和科學(xué)性提出了更高的要求。與國(guó)內(nèi)部分學(xué)校相比，國(guó)外部分學(xué)校更重視課程的系統(tǒng)性和整體性，機(jī)、電、液傳動(dòng)控制在很多學(xué)校都是整合為一門課程來組織教學(xué)的，如新加坡國(guó)立大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等[5]。

盡管機(jī)、電、液傳動(dòng)控制課程內(nèi)容多、知識(shí)點(diǎn)多，但該課程有一個(gè)突出的特點(diǎn)，即核心內(nèi)容可以分為多個(gè)獨(dú)立且相互平行的教學(xué)項(xiàng)目，包括直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)等。不同項(xiàng)目間相互關(guān)聯(lián)，又自成體系。這樣就為實(shí)現(xiàn)機(jī)、電、液傳動(dòng)控制課程教學(xué)內(nèi)容的整合，實(shí)現(xiàn)融合教學(xué)提供了條件。為此，課題組探索機(jī)、電、液傳動(dòng)控制課程融合教學(xué)新方式，重建課程體系和大綱，并就教學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐方法提出具體的實(shí)施方案。

一、機(jī)、電、液傳動(dòng)控制課程融合教學(xué)的課程體系設(shè)計(jì)

以如圖1所示的機(jī)電系統(tǒng)中最典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為例，機(jī)電系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)對(duì)象都是機(jī)械本體，機(jī)、電、液傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使機(jī)械本體獲得相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并滿足精度、效率以及自動(dòng)化程度要求，而直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)都是能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)傳遞的獨(dú)立部件或系統(tǒng)，具有相似的功能和地位，這樣就可以在同一系統(tǒng)框架下構(gòu)建課程體系。以此思路重新整合現(xiàn)有教學(xué)資源，突出核心內(nèi)容、刪減繁枝末節(jié)、優(yōu)化教學(xué)大綱，使學(xué)生可以對(duì)課程內(nèi)容建立系統(tǒng)的概念，既掌握各部件之間的共性和聯(lián)系，又理解彼此之間的區(qū)別，達(dá)到克服課程內(nèi)容分散、系統(tǒng)性不強(qiáng)的問題的目的。

二、機(jī)、電、液傳動(dòng)控制系統(tǒng)課程的融合教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)理念：以實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性為目標(biāo)，緊緊圍繞“傳動(dòng)”與“控制”兩個(gè)關(guān)鍵任務(wù)，將機(jī)、電、液作為實(shí)現(xiàn)以上任務(wù)的具體方法和途徑，對(duì)原有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新、整合，對(duì)理論、仿真和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)任務(wù)的全面融合。

設(shè)計(jì)內(nèi)容：課程教學(xué)內(nèi)容框架設(shè)計(jì)見圖2。教學(xué)內(nèi)容以機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和液壓流體力學(xué)為基礎(chǔ)，將所有教學(xué)內(nèi)容分為直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)五個(gè)獨(dú)立的教學(xué)項(xiàng)目，對(duì)于每一個(gè)教學(xué)項(xiàng)目，分別從理論知識(shí)、建模與仿真、實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐等三個(gè)層面組織教學(xué)。對(duì)每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目的理論內(nèi)容進(jìn)行重新梳理和整合，突出各個(gè)項(xiàng)目的共性表達(dá)，并為每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目梳理一個(gè)歸一化的知識(shí)框架，具體為：將每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目的全部?jī)?nèi)容梳理為“部件結(jié)構(gòu)”“機(jī)械特性”“傳動(dòng)原理”“控制特性和方法”“控制電路和回路”五個(gè)知識(shí)模塊，教學(xué)內(nèi)容均按照這幾個(gè)模塊劃分歸類。針對(duì)每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目梳理實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，整合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)于不能開設(shè)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)設(shè)備落后于理論教學(xué)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用仿真實(shí)驗(yàn)代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)[5]，與實(shí)物實(shí)驗(yàn)互為補(bǔ)充，相互融合。

設(shè)計(jì)特點(diǎn)：這種教學(xué)設(shè)計(jì)可以使每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目?jī)?nèi)容縱向自成體系，同時(shí)不同項(xiàng)目的知識(shí)模塊間可以橫向?qū)Ρ?，使煩瑣?fù)雜的教學(xué)內(nèi)容脈絡(luò)更為清晰，既有利于教師組織教學(xué)，又有利于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)化思維，同時(shí)便于學(xué)生學(xué)習(xí)、記憶和復(fù)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

三、機(jī)、電、液傳動(dòng)控制系統(tǒng)課程融合教學(xué)的具體實(shí)施

（一）理論教學(xué)的具體實(shí)施

通過以上教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，課程體系脈絡(luò)更加清晰、系統(tǒng)性更強(qiáng)，但仍存在課程內(nèi)容復(fù)雜、知識(shí)點(diǎn)多等問題，因此，可以采用思維導(dǎo)圖來輔助教學(xué)[6-7]。在課堂教學(xué)之前，將所有教學(xué)項(xiàng)目的知識(shí)框架按照上述五個(gè)知識(shí)模塊進(jìn)行梳理，如圖3為直流電機(jī)項(xiàng)目的知識(shí)框架，其他五個(gè)項(xiàng)目可以構(gòu)建類似的知識(shí)框架。引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中以此為基礎(chǔ)，一邊學(xué)習(xí)一邊豐富擴(kuò)展每個(gè)項(xiàng)目的內(nèi)容，利用思維導(dǎo)圖的形式呈現(xiàn)出來。單個(gè)項(xiàng)目自成系統(tǒng)，增強(qiáng)了知識(shí)的系統(tǒng)性；不同項(xiàng)目的知識(shí)模塊間可以相互比較，幫助學(xué)生理解不同傳動(dòng)部件間的差異性。如“部件結(jié)構(gòu)”模塊，各種電機(jī)都有定子、轉(zhuǎn)子，但它們的定子和轉(zhuǎn)子電路的結(jié)構(gòu)、功能完全不同，學(xué)生可以按照講課內(nèi)容添加的注解、公式，理解其相同點(diǎn)和區(qū)別之處。同樣，對(duì)各種電機(jī)的“啟動(dòng)特性”“調(diào)速特性”“制動(dòng)特性”“控制電路”等也可以增加類似的注解和比較。對(duì)液壓、氣壓教學(xué)項(xiàng)目，也按照這五個(gè)知識(shí)模塊進(jìn)行梳理，并在這幾個(gè)方面與電機(jī)進(jìn)行對(duì)比，可以使學(xué)生更容易理解兩類傳動(dòng)部件之間的共性特點(diǎn)及相互區(qū)別。最后，將所有項(xiàng)目的內(nèi)容放在一張思維導(dǎo)圖中。一張圖涵蓋了所有教學(xué)內(nèi)容，既方便了學(xué)生理解記憶，又便于學(xué)生復(fù)習(xí)。

（二）建模仿真教學(xué)的具體實(shí)施

Simscape是 MATLAB/Simulink 模型庫的一部分，是一種功能強(qiáng)大的物理建模和仿真工具，可以對(duì)機(jī)械、電氣、流體力學(xué)、熱力學(xué)等系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，用戶通過選擇和連接不同的物理組件，如電容、電感、電阻等，來構(gòu)建系統(tǒng)模型，使得建模過程更為直觀和易于理解[8]，非常適合用于傳動(dòng)控制課程的建模仿真?？梢蚤_展的仿真實(shí)驗(yàn)非常多，包括各種電機(jī)及液（氣）壓系統(tǒng)的組成原理模型，啟停、調(diào)速、制動(dòng)等控制特性回路，以及閉環(huán)控制系統(tǒng)的建模等，實(shí)際教學(xué)中可以根據(jù)不同的教學(xué)目標(biāo)靈活設(shè)計(jì)。圖4為直流電機(jī)反接制動(dòng)的仿真模型。引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合課程內(nèi)容構(gòu)建仿真模型后，分析模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響，并給出仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這樣可以使課堂教學(xué)、課下自學(xué)與建模仿真相融合，加深學(xué)生對(duì)機(jī)電傳動(dòng)控制的部件和系統(tǒng)的理解，鍛煉創(chuàng)新設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析與軟件應(yīng)用能力。

四、機(jī)、電、液傳動(dòng)控制系統(tǒng)課程融合教學(xué)的考核方式和實(shí)施效果

過程考核的科學(xué)性和合理性是目前一些課程仍然面臨的難題[9]。機(jī)、電、液傳動(dòng)控制系統(tǒng)課程的融合教學(xué)方式更易于實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程考核。如，在過程考核中增加仿真實(shí)驗(yàn)作業(yè)的占比，減少課后作業(yè)的占比。每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目課堂教學(xué)完成后布置本項(xiàng)目的思維導(dǎo)圖作業(yè)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)督；另外，在課堂教學(xué)中隨機(jī)安排雨課堂測(cè)試，讓教師既可以了解學(xué)生課堂學(xué)習(xí)情況，保證成績(jī)的區(qū)分度，又可以掌握出勤情況。通過上述幾個(gè)方面綜合確定過程性考核成績(jī)，在考查學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)能力和知識(shí)掌握情況方面都具有科學(xué)性。

課題組針對(duì)上述教學(xué)和考核方式進(jìn)行了初步實(shí)施和測(cè)評(píng)，過程考核成績(jī)由課后作業(yè)、建模仿真、思維導(dǎo)圖以及隨機(jī)雨課堂隨堂測(cè)驗(yàn)等部分組成，占比分別為20%、20%、30%、30%，過程考核成績(jī)和期末成績(jī)各占總成績(jī)的50%。經(jīng)過初步的測(cè)試，大部分學(xué)生過程考核作業(yè)的完成情況和期末考試成績(jī)均為良好；而從學(xué)生的調(diào)查反饋來看，除少數(shù)學(xué)生反映學(xué)習(xí)過程壓力較大外，大多數(shù)學(xué)生均對(duì)學(xué)習(xí)過程和考核方式給出了積極評(píng)價(jià)。

五、結(jié)論

課題組對(duì)機(jī)、電、液傳動(dòng)控制系統(tǒng)課程的融合教學(xué)進(jìn)行了探索和初步實(shí)踐，為典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)構(gòu)建了融合教學(xué)體系，將各種電機(jī)與液、氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)作為獨(dú)立的教學(xué)項(xiàng)目，并對(duì)每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目的內(nèi)容按照相同的知識(shí)模塊進(jìn)行劃分歸類，使課程系統(tǒng)性更強(qiáng)，知識(shí)脈絡(luò)更加清晰。教師進(jìn)行理論教學(xué)時(shí)構(gòu)建知識(shí)框架，并對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。在過程考核方面，分別從學(xué)習(xí)過程監(jiān)督、創(chuàng)新應(yīng)用能力、課堂學(xué)習(xí)能力等多個(gè)方面設(shè)計(jì)了考核方式，保證了過程考核的科學(xué)性。實(shí)踐結(jié)果表明，機(jī)、電、液傳動(dòng)控制系統(tǒng)課程融合教學(xué)的考核方式和實(shí)施效果良好，順應(yīng)了我國(guó)“新工科”背景下的工程教育改革，為加強(qiáng)智能化人才培養(yǎng)賦能。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：雷 艷］