新工科背景下機器人方向“機電傳動控制”課程教學改革

廖高華，廖錢生，萬盛斌

（南昌工程學院機械工程學院，江西 南昌 330099）

0 引言

“機電傳動控制”是機械電子工程專業及相關機電專業的重要核心課程，主要研究和解決生產機械和電驅動控制相關問題。在新工程背景下，傳統的教學模式會出現教學內容重疊、知識點分散、實踐環節少、創新性差、教學模式落后、考核評級方式不合理等問題[1]。作為專業基礎課，重基礎，輕案例分析；忽略內容重疊，重理論，突出先進性，輕工程應用，這會引起學生理解課程內容困難，學習興趣和學習效果打折扣、難以提高他們的實踐能力及創新能力[2]。因此，有必要對課程教學進行全面改革和創新實踐。

1 適應新工科背景，優化教學大綱和教學內容

隨著科學技術的不斷發展，在課程教學大綱和教學內容中要注重工程應用和創新設計能力的培養[3]。因此，在收集我校師生意見的基礎上，在新工程建設和工程認證的具體指導下，課程做了以下具體改進：明確內容與其他相關課程的關系，優化課程內容的結構和順序，增加對科技前沿新裝備、新技術和工程應用實例的分析。針對課程內容進行優化后，課程知識點體系結構圖如圖1所示。

圖1 課程知識點體系結構圖

（1）課程在保留現有教材主要部分的基礎上，增加一些新的機電傳動控制的方法，比如，液壓與氣壓驅動控制、智能材料驅動控制等。在電力電子技術基礎知識講授中，考慮知識點關聯性，重點講述基本的控制電路；而對于復雜的電子控制線路內容，學生通過課后學習；對于不懂的內容及問題，可以進行課后答疑輔導。對于PLC控制器章節的內容可以有針對性講解，并在同一個學期，單獨設置PLC控制章節新課講課的重點是知識的應用，從而節約課時。

（2）課程每章知識點基于項目任務驅動，讓學生在規定時間內高效獲取最需要的實際應用知識。例如，PLC章節部分直接創建PLC的實際控制案例，將前沿的機電一體化學術成果引入課堂，并根據我院的特點添加PLC和工業機器人自動化生產線的設計內容。在本課程的后期安排了“機械傳動控制”實踐訓練，以便更好地了解這些設備的結構和工作原理。

（3）課程實踐教學增加了項目設計、制作等實踐環節，同時提高設計性實驗和綜合性實驗的比例。實驗教學分為必修實驗和多選開放實驗。課程開設了三相異步電機變頻控制、三相異步電機皮帶延遲正向反轉控制、繼電器-接觸器控制直流電機旋轉、直流調速系統控制四個必修實驗，必修實驗涉及本課程的核心內容。選實驗包含設計性和創新性，開設了交流伺服控制、直流伺服控制、步進伺服控制等，學生們根據目前最新的技術前沿，獨立展開創新設計，積極發揮自己的能動性。

2 教學模式與教學方法改革

2.1 教學改革的思路

為了解決課程課時少、知識點多、學習無用的問題，建立“任務驅動、行動指導、課程與慕課一體化”的線上與線下結合的多元立體化教學模式。

學習包括線上課前預習、線下課中授課和多種方式課后復習。課前通過在線教育平臺發布任務，學生通過該課教學資源庫進行預習，完成課前測試。根據課程內容的要求，整理和篩選在線信息化教學資源，如中國大學MOOC平臺。將基礎知識錄制在微課上，將微課、學習資料、PPT等素材資料放在“學習通”APP上，建設課程在線教育資源庫。根據課前預習情況，線下梳理課程知識點并針對性地講解重點內容。在線下教學中，通過穿插思政、討論、報告環節，激發學生的學習興趣。對于課程中實踐性較強的環節采用虛擬仿真教學，提升學生學習效果。課后通過線上線下的多種方式鞏固學生所學的知識，提高學生的應用能力。

2.2 教學改革實施

本著“以項目為驅動、以問題為導向”的設計理念，結合理論和實踐內容，將“課程思政”貫徹教育教學的全過程。

（1）以案例導入，將課堂內容和實際生產相結合。在課堂上教師深入講解，對不同的教學內容采用不同的演示方式，聯系生產實習，播放視頻并進行分析。例如，采用制作動畫的方式介紹繼電器接觸器的控制，向學生展示其系統中的程序控制、定時控制、時序控制等；采用視頻播放的方式介紹電機，交流電機、控制電機、直流電機的工作原理和結構，比較各自的不同，能夠被學生能夠更直接地了解。

（2）引入虛擬仿真技術，利用虛擬仿真對綜合性項目進行示范講解和分析。例如，綜合性的啤酒灌裝生產線，利用虛擬化復雜的機電系統，學生可以自行學習編寫順序控制和PLC計數命令程序代碼等。在理解比較困難的章節中采用翻轉課堂教學，從學生能聽懂到講課，提高學生分析、解決工程實際問題的能力。下課后通過教學平臺發表作業，學生們通過平臺反復練習。

（3）采用任務驅動教學法，提高學生興趣和參與度。本課程對實踐能力、總體上分析問題及設計系統要求比較高，每個班級學生以3～4人分成多個課題小組。每個課題小組從教師給出的直流電機特性、交流電機特性、控制電機特性、異步電機調速及制動方法、步進電機驅動電路、步進電機步距細分、電機驅動及調速電路等典型問題中選題，并確定每個成員的具體任務。根據選擇的題目，學生對系統進行機電系統分析，按照要求設計，繪制特性或電氣電子圖，編寫相應程序，進行課堂匯報并回答教師和同學提出的問題。在完成任務的過程中，學生對課程內容會有更加深入的認識，讓自己忙碌期來，提高了自己的參與度和信心。

（4）在實驗教學中，將班級分成若干個組，設置1名組長，每個組由2～3人組成，實驗教學組織。學生詳細查閱相關資料，分析和設計實驗的實施方案，教師全程跟蹤組織實驗課程。學生在網上簽到，現場簽退，課程結束前每組需要進行答辯考核。課程結束后，提交實踐總結和實驗報告。這種方式可培養學生的綜合應用能力、設計能力和團隊協作能力，有利于加深學生對所學知識的理解。

（5）思政元素無痕融入專業知識講解過程中。例如，緒論部分讓學生了解機電控制的發展經歷的同時，以國家發展戰略為依托樹立家國情懷。在三相交流電機章節，融入電磁學的成就，培養學生樹立民族精神和民族自信心的人文素養；以機電控制系統行業的正能量培養良好職業素養；在實踐課程環節以一線基層優秀人物事跡的方式，培養愛崗敬業精神、工匠精神。

3 完善考核評價方式

課程評價以OBE理念為基礎，引入動態過程評價機制，通過提交網上課題、學生互評課題等多種方式考察學生的學習效果，著重討論課堂討論、閱讀筆記、自主學習報告、課堂互動、回答問題、小組討論等。提高制作作品、大作業、報告的審查比重，貫徹以學生為中心的理念，激發學生學習的熱情。考核成績由課堂表現20%、平時測試10%、項目設計10%、實驗教學10%、期末考試50%等5個部分組成。課程教學目標與考核方式對應關系見表1。

表1 課程教學目標與考核方式對應關系表

新考核方式加大了平時表現和綜合實踐能力的比例，提高了學生學習積極主動性及實踐的創新能動性，避免了學生期末集中突擊的弊端。

4 積極拓展實踐資源，創新實踐途徑

以案例或真實任務為實踐項目，利用慕課平臺、現場實踐等為手段，將實踐環節與技術服務緊密結合起來，由技術發展脈絡提煉核心理論，充分體現行業的發展特點，培養學生科學的思維和創新的能力。整合校內教學資源，積極開展校企合作，建立校企相結合的實踐教育教學資源平臺，以競賽促進學生學習，以競賽促進教師教學。

組織學生維護和改造現有的培訓設備，激活舊的培訓設備，學生可以接受傳感器檢查、電機維修等相關知識的擴展。結合虛擬平臺和現有的教學資源，進行供應設備、機器人搬運模塊、變頻器輸送控制等模塊化教學，充分發揮學生的自主能動性。引入主題小制作課程，教師們提出思考要求，學生們合作完成構思、選擇性購買、制作編程、展示報告各部分，下課后可以形成比較完整的小制作。建立能進行行業體驗、參觀、項目實習和運營的新實驗室，推進實踐教學能力與服務創新能力的融合。鼓勵學生參加與各種專業相關的比賽，在參賽過程中，學生了解社會生產發展趨勢和先進技術，完善自己的整體知識結構，提高實踐能力，提高學生的職業素養。

5 教學改革實施案例及效果

針對第五章控制電機的“步進電動機”，筆者開展了具有針對性的教學活動。具體從以下幾點入手：

（1）圍繞教學重點，合理整合、篩選教學內容。步進伺服控制需要掌握步進電機原理、特性及伺服控制，相關的知識較為復雜，為此通過教材中第五章控制電動機中的步進電機與第11章步進電動機的驅動電源對步進電機教學內容的重組，該部分講授需要6學時。同時，整合動畫、微課視頻等學習內容并進行簡化，將這些內容上傳到課程網站，詳略合理地進行規劃，使課程內容和節奏設計更加能夠被學生接受。

（2）課前：在超星學習通上發布課程的問題導入與討論、教學PPT、5 min知識講解短視頻、基礎知識測驗題、學習目標及要求。學生針對步進電機工作原理和過程進行討論，完成本次課程的基礎知識測驗題，并進行難點投票。在系統中，筆者查看和統計每位學生的話題討論參與情況、視頻觀看時長、測驗得分和難點投票等學習結果，將學生預習存在的學習難點進行整合，以便之后教學活動更有針對性。導出學生個人學習檔案數據，作為形成性評價數據使用。

（3）課中：首先在學習通發布線上簽到活動，并對學生課前學習統計情況進行反饋，找到他們學習中出現的問題，引入任務驅動法、項目式教學法等開展有效教學活動。同時，為使教學活動體現學生的主體性，為此教學活動中安排項目設計答辯、翻轉課堂等教學環節，并在線上平臺采用教師打分、學生自評和學生互評的方式對主講學生進行打分，提高學生的主體性，并記錄保存學生成績數據。在實驗教學中，將班級分成20個組。學生查閱步進電機伺服控制機械手資料，分析機械手運動方案，設計運動控制程序，課中每組需要進行答辯考核，課后提交實驗報告。

（4）課后：通過發布作業，對學生的知識、技能掌握程度進行課后考察，及時有效的促使學生主動復習。布置小組項目設計（步進驅動控制電路設計、步進電機環形分配器軟件設計）、翻轉課堂等任務，完成項目設計任務、翻轉課堂準備和實驗報告結果分析等。通過項目設計成果和實驗報告成績、小組團隊合作環節進行學生互評成績，考查各學生在團隊合作中的表現情況，提高學生團隊合作、溝通表達等綜合應用及設計能力。在此之后，圍繞學生線上線下成績，以及他們在課堂中的表現，通過形成性評價和終結性評價對其進行綜合性評價。

通過課程實施教學改革，與上輪課程教學成果相比，試卷卷面成績低于60分的學生從30.6%下降到了5%，實驗成績優良率從18.3%上升到了52.4%。通過平臺數據和學生反饋可知，學生學習興趣和學習主動性都大幅提升，對課程必需的基礎理論知識有了更深入的理解，學習更加高效化。學生能更好地掌握機電傳動控制的設計方法，同時對其在工業自動化及其機器人領域的實際應用也有了更新的了解。學生實踐動手能力、團隊合作能力得到增強，知識運用、分析和解決問題自主學習能力、職業素養得以提升。

6 結語

通過對教學內容重組，學習過程變成工作過程，學生能夠很好地接受課程進度和課堂節奏。“任務驅動、行動導向、課堂與慕課一體化”的線上線下相結合的多元立體化教學模式，使學習更加高效，激發了學生的學習興趣。學生更容易地融入課堂，提高課堂參與度，提高教育的直觀性，培養實踐動手和靈活應用的能力，提升學生的工程素養。將實踐環節與技術服務緊密結合起來，由技術發展脈絡提煉核心理論，充分體現行業的發展特點，培養學生科學的思維和創新的能力。