“機械電子工程”研究生課程教學的模塊化設計

隋修武+牛雪娟+杜玉紅+桑宏強

摘 要 為了解決機械工程學科的研究生學科基礎知識差別大，研究領域分散，電子技術基礎薄弱的問題，本文結合天津工業(yè)大學的“機械電子工程”優(yōu)秀課程和教學改革項目建設，在研究生的教學內容上進行重新規(guī)劃，以機電一體化設計思想為主線，實行模塊化教學，對傳感檢測技術、計算機與信息技術、自動控制技術、伺服傳動技術、系統(tǒng)集成技術分別進行了基礎要求模塊、較高要求模塊、高要求模塊的三層次設計。多年來的教學實踐表明，模塊化教學設計實現了引導學生根據自身條件及科研需要有針對性地選擇要學習的內容，因需施教，因材施教，取得了非常好的效果。

關鍵詞 機械電子工程 研究生培養(yǎng) 教學改革 模塊化教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

Modular Design of "Mechanical and Electronic

Engineering" Graduate Course Teaching

SUI Xiuwu， NIU Xuejuan， DU Yuhong， SANG Hongqiang

（Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387）

Abstract To address the basics of mechanical engineering graduate course big difference in disciplines， research areas scattered， weak technological base of electronic problem， this paper Tianjin Polytechnic University's "Mechanical and Electronic Engineering" course teaching reform projects and excellent graduate students in the teaching content will be re-planning to mechatronics design as the main line， the implementation of modular teaching of sensing technology， computer and information technology， automatic control technology， servo drive technology， system integration technology were the basis for the requirements module， high demand module ， demanding three-level design module. Teaching practice over the years shows that the modular design and implement teaching guide students according to their own conditions and needs of a targeted selection of research to learn the content， teaching according to the need， individualized， and achieved very good results.

Key words Mechanical and Electronic Engineering； graduate training； teaching reform； modular teaching

1 機械電子工程教學內容的總體規(guī)劃

機械工程學科的研究生，大多數來自機械工程及自動化本科專業(yè)，一般具有較扎實的機械專業(yè)的基礎，在“機械設計、機械制造”領域具備一定的專業(yè)知識，但是電子方面的基礎知識卻比較薄弱，許多研究生連常識性的電子知識都不具備，甚至對“測量”、“控制”領域一無所知。因此需對其在電子技術、計算機技術、機電系統(tǒng)集成技術等方面進行專業(yè)培養(yǎng)。

由機械電子系統(tǒng)的構成要素可見，機械電子工程技術一般包括六大共性關鍵技術：機械技術、傳感檢測技術、計算機與信息技術、自動控制技術、伺服傳動技術、系統(tǒng)集成技術。如圖1所示。

圖1 機械電子系統(tǒng)的構成要素

因此，機械電子工程的教學將以機械電子工程的原理與系統(tǒng)設計為主線，在上述各關鍵技術為主要模塊深入展開，而在每一關鍵技術中，又分別設置三個層次的教學內容：基礎要求模塊、較高要求模塊、高要求模塊，形成“一縱三橫”的模塊化結構。模塊化教學設計很好地實現了引導學生根據自身條件及科研需要有針對性地選擇要學習的內容，做到因需施教，因材施教。

2 “一縱三橫”的模塊化教學

“一縱”是指按機械電子工程原理與系統(tǒng)設計為主線的縱向結構，具體包括：傳感檢測技術模塊、計算機與信息技術模塊、自動控制技術模塊、伺服傳動技術模塊、系統(tǒng)集成技術模塊。“三橫”是指在每個技術模塊中又細分為三個層次的教學內容：基礎要求模塊、較高要求模塊、高要求模塊。具體內容如下：

傳感檢測技術模塊：基礎要求模塊包括傳感與測試技術基礎知識（傳感器的基本構成、傳感器的靜態(tài)數學模型及其靜態(tài)特性指標、傳感器的選用），機電系統(tǒng)最常用的位移檢測（光柵傳感器、絕對碼編碼器、增量碼編碼器），力學量檢測（應變式多維測力彈性體、扭矩傳感器等），視覺檢測（線陣CCD和面陣CCD的基本原理）。較高要求模塊包括雙目視覺檢測的基本原理及標定，觸覺傳感器（指端應變式觸覺傳感器、多功能觸覺傳感器）。高要求模塊包括機電測試新技術，現場總線系統(tǒng)，虛擬儀器技術，多傳感器數據融合等。endprint

計算機與信息技術模塊：基礎要求模塊包括計算機控制技術基礎，計算機控制系統(tǒng)的組成、分類，及常用控制器（工控機、 PLC、單片機），軟件方面要求測量數據的預處理，數字濾波，線性化處理，標度變換。較高要求模塊包括PLC、單片機的應用高級技巧。高要求模塊包括PMAC原理及應用，基于DSP的運動控制及DSP運動控制卡。

自動控制技術模塊：基礎要求模塊包括PID控制算法的基本原理，標準PID算法的改進，數字PID參數的選擇。較高要求模塊包括模糊控制，模糊控制的定義及特點，模糊控制系統(tǒng)的組成，模糊控制系統(tǒng)的基本原理，應用模糊控制算法解決實際問題。高要求模塊包括其它先進控制方法，如智能控制、自適應控制、模型預測控制、神經控制等。

伺服傳動技術模塊：主要講解直流電動機、交流電動機、步進電機及其控制。基礎要求模塊講解三種電機的基本原理、機械特性及最常用的控制方法。較高要求模塊講解更深一層次的原理，如直流電機的電樞電動勢、電磁轉矩，交流電機的旋轉磁場和定轉子的電路分析，變頻控制的原理及實現方法，步進電機的磁阻最小原理等。高要求模塊講解三種電機的先進控制技術，如直流電機的雙閉環(huán)控制、交流電機的矢量控制等。

系統(tǒng)集成技術模塊：基礎要求模塊主講機電系統(tǒng)各模塊之間的級聯(lián)設計，重點講解模塊之間的電氣性能的相互匹配、信號耦合、時序配合、電平轉換接口。較高要求模塊主講機電系統(tǒng)的電磁兼容技術，重點講解接地技術、屏蔽技術、共模干擾的抑制、差模干擾的抑制、供電系統(tǒng)抗干擾、印刷電路板的抗干擾等。高要求模塊重點講解軟件抗干擾技術，如軟件冗余技術、軟件陷阱技術、“看門狗”技術等。

3 以案例為載體，推進模塊化教學設計

針對上述的模塊化教學內容，設計了針對不同教學內容相應的數字化資源，建設了課程網站，開發(fā)了多媒體課件，設計了多個教學案例。在典型的機電一體化的應用領域，將“加工中心”、“工業(yè)機器人”、“自動導引車”、“汽車防抱死剎車系統(tǒng)”制作了教學案例，并對一些復雜系統(tǒng)進行了分解設計。采用單片機進行直流電機控制、采用PLC對交流電機進行變頻控制，基于MATLAB的模糊控制仿真等案例模塊在教學中起到了很好的效果。通過這些案例，是將機械電子工程領域的科研成果及前沿技術引入教學，最大程度地吸引了學生的學習興趣，激發(fā)了研究生的學習動力。

4 結語

以研究生的應用能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標，對機械工程專業(yè)的研究生的“機械電子工程”的課程內容進行全面規(guī)劃，進行模塊化設計。形成一條主線貫穿全過程，基本要求、較高要求、高要求三個層次延伸的“一縱三橫”的模塊化教學，研究生們可以根據自身的知識背景，不同的科研方向需求，進行有針對性的選擇，在完成“機電一體化”通用知識教育的基礎上，因材施教、因需施教。

模塊化教學在近幾年的研究生培養(yǎng)中積累了豐富的經驗，取得了良好的效果，并已在其它相關學科得到了一定的推廣。

參考文獻

[1] 隋修武.機械電子工程原理與系統(tǒng)設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014.

[2] 王孫安.機械電子工程原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[3] 武自芳，虞鶴松，王秋才.微機控制系統(tǒng)及其應用（第4版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4] 王耕，王曉雷等.控制電機及其應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[5] 孫傳友，孫曉斌.測控系統(tǒng)原理與設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[6] 隋修武，焦曉光，葛輝等.以創(chuàng)新性實驗計劃引領測控專業(yè)新型人才培養(yǎng)[J].科教導刊，2012.9：177-178.endprint

計算機與信息技術模塊：基礎要求模塊包括計算機控制技術基礎，計算機控制系統(tǒng)的組成、分類，及常用控制器（工控機、 PLC、單片機），軟件方面要求測量數據的預處理，數字濾波，線性化處理，標度變換。較高要求模塊包括PLC、單片機的應用高級技巧。高要求模塊包括PMAC原理及應用，基于DSP的運動控制及DSP運動控制卡。

自動控制技術模塊：基礎要求模塊包括PID控制算法的基本原理，標準PID算法的改進，數字PID參數的選擇。較高要求模塊包括模糊控制，模糊控制的定義及特點，模糊控制系統(tǒng)的組成，模糊控制系統(tǒng)的基本原理，應用模糊控制算法解決實際問題。高要求模塊包括其它先進控制方法，如智能控制、自適應控制、模型預測控制、神經控制等。

伺服傳動技術模塊：主要講解直流電動機、交流電動機、步進電機及其控制。基礎要求模塊講解三種電機的基本原理、機械特性及最常用的控制方法。較高要求模塊講解更深一層次的原理，如直流電機的電樞電動勢、電磁轉矩，交流電機的旋轉磁場和定轉子的電路分析，變頻控制的原理及實現方法，步進電機的磁阻最小原理等。高要求模塊講解三種電機的先進控制技術，如直流電機的雙閉環(huán)控制、交流電機的矢量控制等。

系統(tǒng)集成技術模塊：基礎要求模塊主講機電系統(tǒng)各模塊之間的級聯(lián)設計，重點講解模塊之間的電氣性能的相互匹配、信號耦合、時序配合、電平轉換接口。較高要求模塊主講機電系統(tǒng)的電磁兼容技術，重點講解接地技術、屏蔽技術、共模干擾的抑制、差模干擾的抑制、供電系統(tǒng)抗干擾、印刷電路板的抗干擾等。高要求模塊重點講解軟件抗干擾技術，如軟件冗余技術、軟件陷阱技術、“看門狗”技術等。

3 以案例為載體，推進模塊化教學設計

針對上述的模塊化教學內容，設計了針對不同教學內容相應的數字化資源，建設了課程網站，開發(fā)了多媒體課件，設計了多個教學案例。在典型的機電一體化的應用領域，將“加工中心”、“工業(yè)機器人”、“自動導引車”、“汽車防抱死剎車系統(tǒng)”制作了教學案例，并對一些復雜系統(tǒng)進行了分解設計。采用單片機進行直流電機控制、采用PLC對交流電機進行變頻控制，基于MATLAB的模糊控制仿真等案例模塊在教學中起到了很好的效果。通過這些案例，是將機械電子工程領域的科研成果及前沿技術引入教學，最大程度地吸引了學生的學習興趣，激發(fā)了研究生的學習動力。

4 結語

以研究生的應用能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標，對機械工程專業(yè)的研究生的“機械電子工程”的課程內容進行全面規(guī)劃，進行模塊化設計。形成一條主線貫穿全過程，基本要求、較高要求、高要求三個層次延伸的“一縱三橫”的模塊化教學，研究生們可以根據自身的知識背景，不同的科研方向需求，進行有針對性的選擇，在完成“機電一體化”通用知識教育的基礎上，因材施教、因需施教。

模塊化教學在近幾年的研究生培養(yǎng)中積累了豐富的經驗，取得了良好的效果，并已在其它相關學科得到了一定的推廣。

參考文獻

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[4] 王耕，王曉雷等.控制電機及其應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

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[6] 隋修武，焦曉光，葛輝等.以創(chuàng)新性實驗計劃引領測控專業(yè)新型人才培養(yǎng)[J].科教導刊，2012.9：177-178.endprint

計算機與信息技術模塊：基礎要求模塊包括計算機控制技術基礎，計算機控制系統(tǒng)的組成、分類，及常用控制器（工控機、 PLC、單片機），軟件方面要求測量數據的預處理，數字濾波，線性化處理，標度變換。較高要求模塊包括PLC、單片機的應用高級技巧。高要求模塊包括PMAC原理及應用，基于DSP的運動控制及DSP運動控制卡。

自動控制技術模塊：基礎要求模塊包括PID控制算法的基本原理，標準PID算法的改進，數字PID參數的選擇。較高要求模塊包括模糊控制，模糊控制的定義及特點，模糊控制系統(tǒng)的組成，模糊控制系統(tǒng)的基本原理，應用模糊控制算法解決實際問題。高要求模塊包括其它先進控制方法，如智能控制、自適應控制、模型預測控制、神經控制等。

伺服傳動技術模塊：主要講解直流電動機、交流電動機、步進電機及其控制。基礎要求模塊講解三種電機的基本原理、機械特性及最常用的控制方法。較高要求模塊講解更深一層次的原理，如直流電機的電樞電動勢、電磁轉矩，交流電機的旋轉磁場和定轉子的電路分析，變頻控制的原理及實現方法，步進電機的磁阻最小原理等。高要求模塊講解三種電機的先進控制技術，如直流電機的雙閉環(huán)控制、交流電機的矢量控制等。

系統(tǒng)集成技術模塊：基礎要求模塊主講機電系統(tǒng)各模塊之間的級聯(lián)設計，重點講解模塊之間的電氣性能的相互匹配、信號耦合、時序配合、電平轉換接口。較高要求模塊主講機電系統(tǒng)的電磁兼容技術，重點講解接地技術、屏蔽技術、共模干擾的抑制、差模干擾的抑制、供電系統(tǒng)抗干擾、印刷電路板的抗干擾等。高要求模塊重點講解軟件抗干擾技術，如軟件冗余技術、軟件陷阱技術、“看門狗”技術等。

3 以案例為載體，推進模塊化教學設計

針對上述的模塊化教學內容，設計了針對不同教學內容相應的數字化資源，建設了課程網站，開發(fā)了多媒體課件，設計了多個教學案例。在典型的機電一體化的應用領域，將“加工中心”、“工業(yè)機器人”、“自動導引車”、“汽車防抱死剎車系統(tǒng)”制作了教學案例，并對一些復雜系統(tǒng)進行了分解設計。采用單片機進行直流電機控制、采用PLC對交流電機進行變頻控制，基于MATLAB的模糊控制仿真等案例模塊在教學中起到了很好的效果。通過這些案例，是將機械電子工程領域的科研成果及前沿技術引入教學，最大程度地吸引了學生的學習興趣，激發(fā)了研究生的學習動力。

4 結語

以研究生的應用能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標，對機械工程專業(yè)的研究生的“機械電子工程”的課程內容進行全面規(guī)劃，進行模塊化設計。形成一條主線貫穿全過程，基本要求、較高要求、高要求三個層次延伸的“一縱三橫”的模塊化教學，研究生們可以根據自身的知識背景，不同的科研方向需求，進行有針對性的選擇，在完成“機電一體化”通用知識教育的基礎上，因材施教、因需施教。

模塊化教學在近幾年的研究生培養(yǎng)中積累了豐富的經驗，取得了良好的效果，并已在其它相關學科得到了一定的推廣。

參考文獻

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[5] 孫傳友，孫曉斌.測控系統(tǒng)原理與設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[6] 隋修武，焦曉光，葛輝等.以創(chuàng)新性實驗計劃引領測控專業(yè)新型人才培養(yǎng)[J].科教導刊，2012.9：177-178.endprint