新工科背景下機器人方向“機電傳動控制”課程教學(xué)改革

廖高華，廖錢生，萬盛斌

（南昌工程學(xué)院機械工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

0 引言

“機電傳動控制”是機械電子工程專業(yè)及相關(guān)機電專業(yè)的重要核心課程，主要研究和解決生產(chǎn)機械和電驅(qū)動控制相關(guān)問題。在新工程背景下，傳統(tǒng)的教學(xué)模式會出現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容重疊、知識點分散、實踐環(huán)節(jié)少、創(chuàng)新性差、教學(xué)模式落后、考核評級方式不合理等問題[1]。作為專業(yè)基礎(chǔ)課，重基礎(chǔ)，輕案例分析；忽略內(nèi)容重疊，重理論，突出先進性，輕工程應(yīng)用，這會引起學(xué)生理解課程內(nèi)容困難，學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果打折扣、難以提高他們的實踐能力及創(chuàng)新能力[2]。因此，有必要對課程教學(xué)進行全面改革和創(chuàng)新實踐。

1 適應(yīng)新工科背景，優(yōu)化教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在課程教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容中要注重工程應(yīng)用和創(chuàng)新設(shè)計能力的培養(yǎng)[3]。因此，在收集我校師生意見的基礎(chǔ)上，在新工程建設(shè)和工程認證的具體指導(dǎo)下，課程做了以下具體改進：明確內(nèi)容與其他相關(guān)課程的關(guān)系，優(yōu)化課程內(nèi)容的結(jié)構(gòu)和順序，增加對科技前沿新裝備、新技術(shù)和工程應(yīng)用實例的分析。針對課程內(nèi)容進行優(yōu)化后，課程知識點體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 課程知識點體系結(jié)構(gòu)圖

（1）課程在保留現(xiàn)有教材主要部分的基礎(chǔ)上，增加一些新的機電傳動控制的方法，比如，液壓與氣壓驅(qū)動控制、智能材料驅(qū)動控制等。在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)知識講授中，考慮知識點關(guān)聯(lián)性，重點講述基本的控制電路；而對于復(fù)雜的電子控制線路內(nèi)容，學(xué)生通過課后學(xué)習(xí)；對于不懂的內(nèi)容及問題，可以進行課后答疑輔導(dǎo)。對于PLC控制器章節(jié)的內(nèi)容可以有針對性講解，并在同一個學(xué)期，單獨設(shè)置PLC控制章節(jié)新課講課的重點是知識的應(yīng)用，從而節(jié)約課時。

（2）課程每章知識點基于項目任務(wù)驅(qū)動，讓學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)高效獲取最需要的實際應(yīng)用知識。例如，PLC章節(jié)部分直接創(chuàng)建PLC的實際控制案例，將前沿的機電一體化學(xué)術(shù)成果引入課堂，并根據(jù)我院的特點添加PLC和工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線的設(shè)計內(nèi)容。在本課程的后期安排了“機械傳動控制”實踐訓(xùn)練，以便更好地了解這些設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理。

（3）課程實踐教學(xué)增加了項目設(shè)計、制作等實踐環(huán)節(jié)，同時提高設(shè)計性實驗和綜合性實驗的比例。實驗教學(xué)分為必修實驗和多選開放實驗。課程開設(shè)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(zhuǎn)控制、繼電器-接觸器控制直流電機旋轉(zhuǎn)、直流調(diào)速系統(tǒng)控制四個必修實驗，必修實驗涉及本課程的核心內(nèi)容。選實驗包含設(shè)計性和創(chuàng)新性，開設(shè)了交流伺服控制、直流伺服控制、步進伺服控制等，學(xué)生們根據(jù)目前最新的技術(shù)前沿，獨立展開創(chuàng)新設(shè)計，積極發(fā)揮自己的能動性。

2 教學(xué)模式與教學(xué)方法改革

2.1 教學(xué)改革的思路

為了解決課程課時少、知識點多、學(xué)習(xí)無用的問題，建立“任務(wù)驅(qū)動、行動指導(dǎo)、課程與慕課一體化”的線上與線下結(jié)合的多元立體化教學(xué)模式。

學(xué)習(xí)包括線上課前預(yù)習(xí)、線下課中授課和多種方式課后復(fù)習(xí)。課前通過在線教育平臺發(fā)布任務(wù)，學(xué)生通過該課教學(xué)資源庫進行預(yù)習(xí)，完成課前測試。根據(jù)課程內(nèi)容的要求，整理和篩選在線信息化教學(xué)資源，如中國大學(xué)MOOC平臺。將基礎(chǔ)知識錄制在微課上，將微課、學(xué)習(xí)資料、PPT等素材資料放在“學(xué)習(xí)通”APP上，建設(shè)課程在線教育資源庫。根據(jù)課前預(yù)習(xí)情況，線下梳理課程知識點并針對性地講解重點內(nèi)容。在線下教學(xué)中，通過穿插思政、討論、報告環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。對于課程中實踐性較強的環(huán)節(jié)采用虛擬仿真教學(xué)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果。課后通過線上線下的多種方式鞏固學(xué)生所學(xué)的知識，提高學(xué)生的應(yīng)用能力。

2.2 教學(xué)改革實施

本著“以項目為驅(qū)動、以問題為導(dǎo)向”的設(shè)計理念，結(jié)合理論和實踐內(nèi)容，將“課程思政”貫徹教育教學(xué)的全過程。

（1）以案例導(dǎo)入，將課堂內(nèi)容和實際生產(chǎn)相結(jié)合。在課堂上教師深入講解，對不同的教學(xué)內(nèi)容采用不同的演示方式，聯(lián)系生產(chǎn)實習(xí)，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?qū)W生展示其系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，比較各自的不同，能夠被學(xué)生能夠更直接地了解。

（2）引入虛擬仿真技術(shù)，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(chǎn)線，利用虛擬化復(fù)雜的機電系統(tǒng)，學(xué)生可以自行學(xué)習(xí)編寫順序控制和PLC計數(shù)命令程序代碼等。在理解比較困難的章節(jié)中采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，從學(xué)生能聽懂到講課，提高學(xué)生分析、解決工程實際問題的能力。下課后通過教學(xué)平臺發(fā)表作業(yè)，學(xué)生們通過平臺反復(fù)練習(xí)。

（3）采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法，提高學(xué)生興趣和參與度。本課程對實踐能力、總體上分析問題及設(shè)計系統(tǒng)要求比較高，每個班級學(xué)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(diào)速及制動方法、步進電機驅(qū)動電路、步進電機步距細分、電機驅(qū)動及調(diào)速電路等典型問題中選題，并確定每個成員的具體任務(wù)。根據(jù)選擇的題目，學(xué)生對系統(tǒng)進行機電系統(tǒng)分析，按照要求設(shè)計，繪制特性或電氣電子圖，編寫相應(yīng)程序，進行課堂匯報并回答教師和同學(xué)提出的問題。在完成任務(wù)的過程中，學(xué)生對課程內(nèi)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(xué)中，將班級分成若干個組，設(shè)置1名組長，每個組由2～3人組成，實驗教學(xué)組織。學(xué)生詳細查閱相關(guān)資料，分析和設(shè)計實驗的實施方案，教師全程跟蹤組織實驗課程。學(xué)生在網(wǎng)上簽到，現(xiàn)場簽退，課程結(jié)束前每組需要進行答辯考核。課程結(jié)束后，提交實踐總結(jié)和實驗報告。這種方式可培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、設(shè)計能力和團隊協(xié)作能力，有利于加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解。

（5）思政元素?zé)o痕融入專業(yè)知識講解過程中。例如，緒論部分讓學(xué)生了解機電控制的發(fā)展經(jīng)歷的同時，以國家發(fā)展戰(zhàn)略為依托樹立家國情懷。在三相交流電機章節(jié)，融入電磁學(xué)的成就，培養(yǎng)學(xué)生樹立民族精神和民族自信心的人文素養(yǎng)；以機電控制系統(tǒng)行業(yè)的正能量培養(yǎng)良好職業(yè)素養(yǎng)；在實踐課程環(huán)節(jié)以一線基層優(yōu)秀人物事跡的方式，培養(yǎng)愛崗敬業(yè)精神、工匠精神。

3 完善考核評價方式

課程評價以O(shè)BE理念為基礎(chǔ)，引入動態(tài)過程評價機制，通過提交網(wǎng)上課題、學(xué)生互評課題等多種方式考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，著重討論課堂討論、閱讀筆記、自主學(xué)習(xí)報告、課堂互動、回答問題、小組討論等。提高制作作品、大作業(yè)、報告的審查比重，貫徹以學(xué)生為中心的理念，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情?？己顺煽冇烧n堂表現(xiàn)20%、平時測試10%、項目設(shè)計10%、實驗教學(xué)10%、期末考試50%等5個部分組成。課程教學(xué)目標(biāo)與考核方式對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 課程教學(xué)目標(biāo)與考核方式對應(yīng)關(guān)系表

新考核方式加大了平時表現(xiàn)和綜合實踐能力的比例，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極主動性及實踐的創(chuàng)新能動性，避免了學(xué)生期末集中突擊的弊端。

4 積極拓展實踐資源，創(chuàng)新實踐途徑

以案例或真實任務(wù)為實踐項目，利用慕課平臺、現(xiàn)場實踐等為手段，將實踐環(huán)節(jié)與技術(shù)服務(wù)緊密結(jié)合起來，由技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)提煉核心理論，充分體現(xiàn)行業(yè)的發(fā)展特點，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維和創(chuàng)新的能力。整合校內(nèi)教學(xué)資源，積極開展校企合作，建立校企相結(jié)合的實踐教育教學(xué)資源平臺，以競賽促進學(xué)生學(xué)習(xí)，以競賽促進教師教學(xué)。

組織學(xué)生維護和改造現(xiàn)有的培訓(xùn)設(shè)備，激活舊的培訓(xùn)設(shè)備，學(xué)生可以接受傳感器檢查、電機維修等相關(guān)知識的擴展。結(jié)合虛擬平臺和現(xiàn)有的教學(xué)資源，進行供應(yīng)設(shè)備、機器人搬運模塊、變頻器輸送控制等模塊化教學(xué)，充分發(fā)揮學(xué)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(xué)生們合作完成構(gòu)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(yè)體驗、參觀、項目實習(xí)和運營的新實驗室，推進實踐教學(xué)能力與服務(wù)創(chuàng)新能力的融合。鼓勵學(xué)生參加與各種專業(yè)相關(guān)的比賽，在參賽過程中，學(xué)生了解社會生產(chǎn)發(fā)展趨勢和先進技術(shù)，完善自己的整體知識結(jié)構(gòu)，提高實踐能力，提高學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。

5 教學(xué)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(xué)活動。具體從以下幾點入手：

（1）圍繞教學(xué)重點，合理整合、篩選教學(xué)內(nèi)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(guān)的知識較為復(fù)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(qū)動電源對步進電機教學(xué)內(nèi)容的重組，該部分講授需要6學(xué)時。同時，整合動畫、微課視頻等學(xué)習(xí)內(nèi)容并進行簡化，將這些內(nèi)容上傳到課程網(wǎng)站，詳略合理地進行規(guī)劃，使課程內(nèi)容和節(jié)奏設(shè)計更加能夠被學(xué)生接受。

（2）課前：在超星學(xué)習(xí)通上發(fā)布課程的問題導(dǎo)入與討論、教學(xué)PPT、5 min知識講解短視頻、基礎(chǔ)知識測驗題、學(xué)習(xí)目標(biāo)及要求。學(xué)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(chǔ)知識測驗題，并進行難點投票。在系統(tǒng)中，筆者查看和統(tǒng)計每位學(xué)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(xué)習(xí)結(jié)果，將學(xué)生預(yù)習(xí)存在的學(xué)習(xí)難點進行整合，以便之后教學(xué)活動更有針對性。導(dǎo)出學(xué)生個人學(xué)習(xí)檔案數(shù)據(jù)，作為形成性評價數(shù)據(jù)使用。

（3）課中：首先在學(xué)習(xí)通發(fā)布線上簽到活動，并對學(xué)生課前學(xué)習(xí)統(tǒng)計情況進行反饋，找到他們學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的問題，引入任務(wù)驅(qū)動法、項目式教學(xué)法等開展有效教學(xué)活動。同時，為使教學(xué)活動體現(xiàn)學(xué)生的主體性，為此教學(xué)活動中安排項目設(shè)計答辯、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)環(huán)節(jié)，并在線上平臺采用教師打分、學(xué)生自評和學(xué)生互評的方式對主講學(xué)生進行打分，提高學(xué)生的主體性，并記錄保存學(xué)生成績數(shù)據(jù)。在實驗教學(xué)中，將班級分成20個組。學(xué)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(shè)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(fā)布作業(yè)，對學(xué)生的知識、技能掌握程度進行課后考察，及時有效的促使學(xué)生主動復(fù)習(xí)。布置小組項目設(shè)計（步進驅(qū)動控制電路設(shè)計、步進電機環(huán)形分配器軟件設(shè)計）、翻轉(zhuǎn)課堂等任務(wù)，完成項目設(shè)計任務(wù)、翻轉(zhuǎn)課堂準(zhǔn)備和實驗報告結(jié)果分析等。通過項目設(shè)計成果和實驗報告成績、小組團隊合作環(huán)節(jié)進行學(xué)生互評成績，考查各學(xué)生在團隊合作中的表現(xiàn)情況，提高學(xué)生團隊合作、溝通表達等綜合應(yīng)用及設(shè)計能力。在此之后，圍繞學(xué)生線上線下成績，以及他們在課堂中的表現(xiàn)，通過形成性評價和終結(jié)性評價對其進行綜合性評價。

通過課程實施教學(xué)改革，與上輪課程教學(xué)成果相比，試卷卷面成績低于60分的學(xué)生從30.6%下降到了5%，實驗成績優(yōu)良率從18.3%上升到了52.4%。通過平臺數(shù)據(jù)和學(xué)生反饋可知，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性都大幅提升，對課程必需的基礎(chǔ)理論知識有了更深入的理解，學(xué)習(xí)更加高效化。學(xué)生能更好地掌握機電傳動控制的設(shè)計方法，同時對其在工業(yè)自動化及其機器人領(lǐng)域的實際應(yīng)用也有了更新的了解。學(xué)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(xué)習(xí)能力、職業(yè)素養(yǎng)得以提升。

6 結(jié)語

通過對教學(xué)內(nèi)容重組，學(xué)習(xí)過程變成工作過程，學(xué)生能夠很好地接受課程進度和課堂節(jié)奏?！叭蝿?wù)驅(qū)動、行動導(dǎo)向、課堂與慕課一體化”的線上線下相結(jié)合的多元立體化教學(xué)模式，使學(xué)習(xí)更加高效，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)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(yǎng)實踐動手和靈活應(yīng)用的能力，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。將實踐環(huán)節(jié)與技術(shù)服務(wù)緊密結(jié)合起來，由技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)提煉核心理論，充分體現(xiàn)行業(yè)的發(fā)展特點，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維和創(chuàng)新的能力。