基于培養“一專多能”工程師為導向的“機電控制系統設計”課程教學探索

熊皚 付克昌 楊鳴凱 張婷

摘?要：本文旨在研究如何將項目指標驗收的工程思維融合到機電控制系統課程教學中，以提高學生的工程實踐能力和綜合素質。通過文獻調研和實驗研究，探討了工程思維在機電控制系統課程教學中的應用，并設計了相應的教學方法和實踐項目。本文的研究表明將項目指標驗收的工程思維融入到機電控制系統課程教學中具有重要意義。通過教學實踐和學生反饋，我們驗證了這種教學方法的有效性，并提出了相應的改進措施。希望這項研究能夠為機電控制系統課程教學的改進和創新提供參考和借鑒。

關鍵詞：新工科領域；工程項目輸出；運動控制

中圖分類號：G642????文獻標識碼：A

近年來，隨著社會和科技的不斷發展，機電控制系統的應用越來越廣泛。機電控制系統工程技術是機械、電子、計算機等多種技術交叉的產物，它的發展不僅需要各種專業知識的融合，更需要工程思維的支撐。然而，在目前的機電控制系統課程教學中，仍然存在一些問題，如當前的教育模式仍然停留在傳統的理論教學和課堂演示階段，缺乏足夠的實踐環節和創新元素，難以滿足學生對實踐能力和綜合素質的要求[1][2]。當前，我們應該著重培養學生如何以最終的輸出來進行前面的設計選型、工程設計的能力，而學生一直以來只是習慣定性或者是一定程度的定量去進行前導工程設計，并沒有從一個系統的角度來理解指標，這就限制了學生的綜合素質的提升和就業競爭力的增強。

從工程應用的角度來看，指標的檢測方法是一個產品質量的最重要環節，如果方法不正確或者是方法落后，就不可能有最好的產品。只有基于嚴格的檢測方法，才能激勵前面的設計和工藝的改進。而這恰恰是當前工程教育里面的薄弱環節，學生難以接觸到這樣的思想，盡管現在學校都能開設綜合性的實驗課程，但是對于學生在其中的能力評估和綜合素質的評估并沒有深入研究，缺乏系統的評價體系和培養思路[3]。同時具備這樣的工程經驗的老師也少，從而忽略了相關的教育。

因此，本文旨在探討如何將項目指標驗收的工程思維融合到機電控制系統課程教學中，以提高學生的工程實踐能力和綜合素質。同時探索機電控制系統教育的新思路，創新課程設計，提高學生綜合能力，培養應用型人才。此外，本文的研究將有助于培養更多的應用型人才，為國家的工業發展和經濟建設做出貢獻。

1課程體系建設

1.1課堂教學

如何采用由系統的工程項目輸出倒推到整個系統，再由系統指標分拆到子系統指標的指標驗證法進行指標的分拆，如何讓學生認識到從復雜系統拆分到簡單系統進行分析的科學性，如何讓學生樹立成為為國家奉獻的優秀工程師的理想。

課程體系是以教師引導，學生通過反轉課堂主動學習綜合知識，并通過后期的課程、課程設計、比賽等不斷去嘗試綜合性能力，做到一專多能，至少要實現一專的能力，從而能夠有效地有針對性的培養學生。

在進行任何一項工程項目時，首先都需要確定研究目標和研究問題。例如，在這篇論文中，你的研究目標是探索如何將工程思維融入機電控制系統課程教學中，那你的研究問題則包括實踐應用、項目案例教學、實驗教學、交叉學科教學等方面。

1.2“一專多能”地實踐動手能力

• 項目案例教學：利用實際的工程項目案例進行教學，讓學生通過分析、設計、測試和驗證等環節，深入了解項目驗收過程中的各個環節和指標要求，從而培養工程思維能力。
• 實驗教學：通過實驗教學，讓學生親身體驗機電控制系統的各個環節，深入了解不同項目驗收要求的實際操作方法和技能，培養實踐能力。
• 交叉學科教學：在教學中引入其他交叉學科的知識，如質量管理、項目管理、標準化等，讓學生了解項目驗收的全過程和相關標準要求，從而增強工程思維能力。

綜上所述，將工程思維融入機電控制系統課程教學中，可以幫助學生更好地掌握實際工程項目的驗收要求和實踐技能，從而培養他們的工程思維和實踐能力[4]。

2教學改革

2.1?教育思想和教育理念

工程思維的培養應該是培養學生以工程穩定性、可靠性為要素。要做到實驗過程中失敗一次，總結一次的習慣，而不能以成功一次，錯誤全覆蓋的思想。教學方法應該包括以下幾個方面：

• 問卷調查：可以通過問卷調查了解學生對機電控制工程課程教學中融入項目指標驗收的工程思維的認知和態度。設計問題時可以包括課程效果評價、學習習慣和學習動機等方面的問題。
• 案例分析：可以選取一些具有代表性的機電控制工程項目進行案例分析，探討項目指標驗收的工程思維在項目管理、技術實現等方面的應用效果。從實際案例中總結出一些有啟示性的經驗和教訓，為教學提供借鑒。
• 實驗教學：可以通過設置機電控制工程的實驗項目，讓學生親身體驗項目指標驗收的工程思維在實際應用中的作用，培養學生的實踐能力和創新能力。同時可以通過實驗數據的分析和處理，讓學生掌握一些數據分析和處理的方法和技能。
• 翻轉課堂：可以采用翻轉課堂的教學方法，讓學生在課堂上進行案例分析、實驗和討論，讓教師在課堂上進行指導和輔導。翻轉課堂可以有效地提高學生的學習效果和參與度，促進學生的思維和交流。
• 質性研究：可以采用質性研究的方法，深入了解學生在機電控制工程課程中融入項目指標驗收的工程思維的體驗和感受，探討教學方法和效果。可以采用深度訪談、焦點小組等方法，對學生進行詳細的訪談和觀察，從而獲取更加深入和具體的數據。

通過整合機電控制系統設計的前導專業基礎課程，以工程應用型人才為培養目標，建立機電控制系統設計課程平臺，探索培養學生的專業個性化發展的培養方式[5]。在工業運動控制領域中，企業對于員工的能力水平主要通過“一專多能”來評價。“一專”指的是人才在工業運動控制系統中任一細分專業的水平，而“多能”則指人才對于系統中所有細分領域整體把握程度。通過評估員工的“一專多能”的評估，能夠安排員工合理的崗位，并對于具備“多能”水平的人重點培養，儲備人才，提升企業的競爭力。為了給企業輸送所需人才，需要建立更為合理課程平臺，讓學生在整個學習過程中能夠認清自己的能力和潛在發展空間，合理有效的規劃自己未來的職業生涯，避免在運動控制系統領域的課程學習中片面的追求知識數量，而忽略了與自身特點相結合，從而導致了既無法做到“一專”的深度，也無法做到“多能”的高度。因此，通過將企業的需求以及未來工業領域發展的需求相結合，建立不斷優化的機電控制系統設計課程平臺教學體系，選擇合理的教學內容、教學方式與教學方法，培養學生在工業運動控制領域的個性化發展，最大限度的開發學生的潛力，為學生今后適應社會發展的需要和終身發展奠定堅定的基礎。

2.2?不斷更新教學內容

教學內容的更新從工程上是更新各子系統部分的精度、性能等。

可以從更新實驗裝置、實驗教案和新工藝等入手。這里給出運動控制標準的教學平臺，以這個為模板，可以針對不同的控制器部分、驅動器部分、電機部分（含反饋部分），總線部分等。可以選擇不同公司品牌的產品進行更新替代，同時也可以測試不同的總線。

以下是一些可能的教學實驗方案，可以根據具體的教學目標和課程要求進行適當的調整和修改。在設計實驗方案時，需要考慮實驗的難度和安全性，保證學生的學習效果和實驗安全[6-7]。

• 機電控制系統參數測量實驗：在該實驗中，學生可以使用傳感器和數據采集系統對機電控制系統的參數進行測量，并通過數據分析和處理了解參數對系統性能的影響。通過這個實驗，學生可以了解到如何進行實驗設計和數據分析，掌握實驗技能，并了解如何將項目指標驗收的工程思維融入到機電控制系統的實驗中。
• 機械臂控制實驗：在該實驗中，學生可以學習如何設計機械臂的控制系統，并通過控制機械臂的運動來完成特定的任務。通過這個實驗，學生可以了解到如何將項目指標驗收的工程思維融入到機械臂控制系統的設計中，并掌握機械臂控制系統的設計和實現技能。
• PLC控制實驗：在該實驗中，學生可以學習如何設計和編程可編程邏輯控制器（PLC）系統，并通過控制機電控制系統的運動來完成特定的任務。通過這個實驗，學生可以了解到如何將項目指標驗收的工程思維融入到PLC控制系統的設計和實現中，并掌握PLC編程和控制技能。
• 機器視覺控制實驗：在該實驗中，學生可以學習如何設計和實現機器視覺控制系統，并通過控制機電控制系統的運動來完成特定的任務。通過這個實驗，學生可以了解到如何將項目指標驗收的工程思維融入到機器視覺控制系統的設計和實現中，并掌握機器視覺控制技能。
• 開設涵蓋多課程內容的綜合性實驗：為了加強各課程實踐環節之間的聯系，在機電控制系統設計課程實驗中開設了涵蓋多課程內容的綜合性實驗，以此加強各課程實踐環節之間的聯系，如直流電機PID速度控制課程設計，需要學生綜合運用自動控制原理與運動控制系統兩門課程的知識，自行選擇實驗方法和步驟，選用合適的儀器設備，提出實驗預案，完成參數設計，獨立操作完成。這樣實施課程設計學生才能真正的將課堂講授的課本知識轉化成自己的知識。同時開發基于?Matlab?的課程平臺虛擬實驗平臺。包含了“電機與拖動”、“電力電子技術”、“自動控制理論”以及“運動控制系統”等課程的部分實踐內容。通過該平臺學生可以方便地設置相關實驗參數，查看實驗結果，該平臺可以輔助授課教師教學，以及學生課下的作業驗證、實驗驗證，學生也可利用該平臺進行課程設計的實驗仿真，增強了學生對知識點的理解，同時提高了實踐環節的設計效率。
• 開設復雜系統工程系統綜合性實驗：通過一個實際復雜工程項目案例，建立學生對于“一專多能”培養機制的理解，找準自己在實際工程中的角色定位，將前序課程中的知識運用到系統設計中，加深理解各前序課程專業知識。

以一個實際復雜工程為例，下圖為一個實際的高精度運動控制系統。

圖?1??某型高精度三維測試轉臺系統

該系統中既有整體方案要求，也有各子系統詳細設計要求，以及最終的系統聯調測試中所出現問題的分析和解決。通過學生自行組合3?～7人的團隊，采取組長負責制，明確各個成員的分工，并要求每周匯報一次或兩次項目進度。參考系統原有的設計方案，各團隊選擇模仿完成整體方案的設計，或者是完成子系統的設計。通過在課堂上對自己任務部分的課后資料調研和方案撰寫，課堂上的方案講解和討論溝通，并由其他小組同學提供問題并進行討論。通過各個小組的“一專”能力的培養深入，能夠從中挖掘出具備“多能”的同學，有助于學生自我完成能力定位和未來職業發展的語氣規劃。通過該培養模式的教學，發現學生對于學習內容理解更為深入，同時興趣也大大提高，能夠在后續畢業設計中有效地和指導老師進行溝通，并能夠準確地規劃任務時間。

結語

本文介紹了將項目指標驗收的工程思維融入到機電控制系統課程教學中的方法和實踐。首先，我們對相關文獻進行了搜集和評估，分析了當前教學中存在的問題和挑戰。其次，我們提出了將項目指標驗收的工程思維融入到教學中的方法和策略，并設計了一些具體的實驗方案。最后，我們通過教學實踐和學生反饋對該方法進行了評估和總結。

本文提出的將項目指標驗收的工程思維融入到機電控制系統課程教學中的方法和實踐是可行的，并能夠有效地提高學生的學習興趣和能力。通過實驗和調查，我們發現該方法能夠激發學生的創造性思維和實踐能力，提高他們的綜合素質和就業競爭力。因此，我們建議在今后的機電控制系統課程教學中廣泛采用該方法，并對其進行進一步的研究和改進。

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基金項目：2021，四川省教育廳省級一流本科課程-線上線下混合式（2021YLKC17）；2022年成都信息工程大學本科教育教學研究與改革項目暨本科教學工程項目（JYJG2022068）；2022年成都信息工程大學本科教育教學研究與改革項目暨本科教學工程項目（JYJG2022018）

作者簡介：熊皚（1980—??），男，漢族，重慶忠縣人，博士，副教授，研究方向：伺服控制；付克昌（1970—??），男，漢族，重慶萬州人，博士，副教授，研究方向：人工智能；楊鳴凱（1990—??），男，漢族，四川成都人，博士，講師，研究方向：電力電子與控制；張婷（1981—??），女，漢族，浙江杭州人，碩士，講師，研究方向：非線性系統分析與控制以及生物電工學應用研究。