隋修武+牛雪娟+杜玉紅+桑宏強(qiáng)

摘 要 為了解決機(jī)械工程學(xué)科的研究生學(xué)科基礎(chǔ)知識差別大，研究領(lǐng)域分散，電子技術(shù)基礎(chǔ)薄弱的問題，本文結(jié)合天津工業(yè)大學(xué)的“機(jī)械電子工程”優(yōu)秀課程和教學(xué)改革項(xiàng)目建設(shè)，在研究生的教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行重新規(guī)劃，以機(jī)電一體化設(shè)計(jì)思想為主線，實(shí)行模塊化教學(xué)，對傳感檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、伺服傳動技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)分別進(jìn)行了基礎(chǔ)要求模塊、較高要求模塊、高要求模塊的三層次設(shè)計(jì)。多年來的教學(xué)實(shí)踐表明，模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自身?xiàng)l件及科研需要有針對性地選擇要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，因需施教，因材施教，取得了非常好的效果。

關(guān)鍵詞 機(jī)械電子工程 研究生培養(yǎng) 教學(xué)改革 模塊化教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)械電子工程教學(xué)內(nèi)容的總體規(guī)劃

機(jī)械工程學(xué)科的研究生，大多數(shù)來自機(jī)械工程及自動化本科專業(yè)，一般具有較扎實(shí)的機(jī)械專業(yè)的基礎(chǔ)，在“機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造”領(lǐng)域具備一定的專業(yè)知識，但是電子方面的基礎(chǔ)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(lǐng)域一無所知。因此需對其在電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)集成技術(shù)等方面進(jìn)行專業(yè)培養(yǎng)。

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

圖1 機(jī)械電子系統(tǒng)的構(gòu)成要素

因此，機(jī)械電子工程的教學(xué)將以機(jī)械電子工程的原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主線，在上述各關(guān)鍵技術(shù)為主要模塊深入展開，而在每一關(guān)鍵技術(shù)中，又分別設(shè)置三個(gè)層次的教學(xué)內(nèi)容：基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)。模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)很好地實(shí)現(xiàn)了引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自身?xiàng)l件及科研需要有針對性地選擇要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，做到因需施教，因材施教。

2 “一縱三橫”的模塊化教學(xué)

“一縱”是指按機(jī)械電子工程原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主線的縱向結(jié)構(gòu)，具體包括：傳感檢測技術(shù)模塊、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)模塊、自動控制技術(shù)模塊、伺服傳動技術(shù)模塊、系統(tǒng)集成技術(shù)模塊?！叭龣M”是指在每個(gè)技術(shù)模塊中又細(xì)分為三個(gè)層次的教學(xué)內(nèi)容：基礎(chǔ)要求模塊、較高要求模塊、高要求模塊。具體內(nèi)容如下：

傳感檢測技術(shù)模塊：基礎(chǔ)要求模塊包括傳感與測試技術(shù)基礎(chǔ)知識（傳感器的基本構(gòu)成、傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型及其靜態(tài)特性指標(biāo)、傳感器的選用），機(jī)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(xué)量檢測（應(yīng)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(biāo)定，觸覺傳感器（指端應(yīng)變式觸覺傳感器、多功能觸覺傳感器）。高要求模塊包括機(jī)電測試新技術(shù)，現(xiàn)場總線系統(tǒng)，虛擬儀器技術(shù)，多傳感器數(shù)據(jù)融合等。endprint

計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)模塊：基礎(chǔ)要求模塊包括計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成、分類，及常用控制器（工控機(jī)、 PLC、單片機(jī)），軟件方面要求測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理，數(shù)字濾波，線性化處理，標(biāo)度變換。較高要求模塊包括PLC、單片機(jī)的應(yīng)用高級技巧。高要求模塊包括PMAC原理及應(yīng)用，基于DSP的運(yùn)動控制及DSP運(yùn)動控制卡。

自動控制技術(shù)模塊：基礎(chǔ)要求模塊包括PID控制算法的基本原理，標(biāo)準(zhǔn)PID算法的改進(jìn)，數(shù)字PID參數(shù)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(diǎn)，模糊控制系統(tǒng)的組成，模糊控制系統(tǒng)的基本原理，應(yīng)用模糊控制算法解決實(shí)際問題。高要求模塊包括其它先進(jìn)控制方法，如智能控制、自適應(yīng)控制、模型預(yù)測控制、神經(jīng)控制等。

伺服傳動技術(shù)模塊：主要講解直流電動機(jī)、交流電動機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及其控制。基礎(chǔ)要求模塊講解三種電機(jī)的基本原理、機(jī)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(jī)的電樞電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩，交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場和定轉(zhuǎn)子的電路分析，變頻控制的原理及實(shí)現(xiàn)方法，步進(jìn)電機(jī)的磁阻最小原理等。高要求模塊講解三種電機(jī)的先進(jìn)控制技術(shù)，如直流電機(jī)的雙閉環(huán)控制、交流電機(jī)的矢量控制等。

系統(tǒng)集成技術(shù)模塊：基礎(chǔ)要求模塊主講機(jī)電系統(tǒng)各模塊之間的級聯(lián)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)講解模塊之間的電氣性能的相互匹配、信號耦合、時(shí)序配合、電平轉(zhuǎn)換接口。較高要求模塊主講機(jī)電系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)，重點(diǎn)講解接地技術(shù)、屏蔽技術(shù)、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(diǎn)講解軟件抗干擾技術(shù)，如軟件冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)、“看門狗”技術(shù)等。

3 以案例為載體，推進(jìn)模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)

針對上述的模塊化教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了針對不同教學(xué)內(nèi)容相應(yīng)的數(shù)字化資源，建設(shè)了課程網(wǎng)站，開發(fā)了多媒體課件，設(shè)計(jì)了多個(gè)教學(xué)案例。在典型的機(jī)電一體化的應(yīng)用領(lǐng)域，將“加工中心”、“工業(yè)機(jī)器人”、“自動導(dǎo)引車”、“汽車防抱死剎車系統(tǒng)”制作了教學(xué)案例，并對一些復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行了分解設(shè)計(jì)。采用單片機(jī)進(jìn)行直流電機(jī)控制、采用PLC對交流電機(jī)進(jìn)行變頻控制，基于MATLAB的模糊控制仿真等案例模塊在教學(xué)中起到了很好的效果。通過這些案例，是將機(jī)械電子工程領(lǐng)域的科研成果及前沿技術(shù)引入教學(xué)，最大程度地吸引了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了研究生的學(xué)習(xí)動力。

4 結(jié)語

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

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

參考文獻(xiàn)

[1] 隋修武.機(jī)械電子工程原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014.

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

[3] 武自芳，虞鶴松，王秋才.微機(jī)控制系統(tǒng)及其應(yīng)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(jī)及其應(yīng)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(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[6] 隋修武，焦曉光，葛輝等.以創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃引領(lǐng)測控專業(yè)新型人才培養(yǎng)[J].科教導(dǎo)刊，2012.9：177-178.endprint

計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)模塊：基礎(chǔ)要求模塊包括計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成、分類，及常用控制器（工控機(jī)、 PLC、單片機(jī)），軟件方面要求測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理，數(shù)字濾波，線性化處理，標(biāo)度變換。較高要求模塊包括PLC、單片機(jī)的應(yīng)用高級技巧。高要求模塊包括PMAC原理及應(yīng)用，基于DSP的運(yùn)動控制及DSP運(yùn)動控制卡。

自動控制技術(shù)模塊：基礎(chǔ)要求模塊包括PID控制算法的基本原理，標(biāo)準(zhǔn)PID算法的改進(jìn)，數(shù)字PID參數(shù)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(diǎn)，模糊控制系統(tǒng)的組成，模糊控制系統(tǒng)的基本原理，應(yīng)用模糊控制算法解決實(shí)際問題。高要求模塊包括其它先進(jìn)控制方法，如智能控制、自適應(yīng)控制、模型預(yù)測控制、神經(jīng)控制等。

伺服傳動技術(shù)模塊：主要講解直流電動機(jī)、交流電動機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及其控制?；A(chǔ)要求模塊講解三種電機(jī)的基本原理、機(jī)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(jī)的電樞電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩，交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場和定轉(zhuǎn)子的電路分析，變頻控制的原理及實(shí)現(xiàn)方法，步進(jìn)電機(jī)的磁阻最小原理等。高要求模塊講解三種電機(jī)的先進(jìn)控制技術(shù)，如直流電機(jī)的雙閉環(huán)控制、交流電機(jī)的矢量控制等。

系統(tǒng)集成技術(shù)模塊：基礎(chǔ)要求模塊主講機(jī)電系統(tǒng)各模塊之間的級聯(lián)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)講解模塊之間的電氣性能的相互匹配、信號耦合、時(shí)序配合、電平轉(zhuǎn)換接口。較高要求模塊主講機(jī)電系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)，重點(diǎn)講解接地技術(shù)、屏蔽技術(shù)、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(diǎn)講解軟件抗干擾技術(shù)，如軟件冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)、“看門狗”技術(shù)等。

3 以案例為載體，推進(jìn)模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)

針對上述的模塊化教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了針對不同教學(xué)內(nèi)容相應(yīng)的數(shù)字化資源，建設(shè)了課程網(wǎng)站，開發(fā)了多媒體課件，設(shè)計(jì)了多個(gè)教學(xué)案例。在典型的機(jī)電一體化的應(yīng)用領(lǐng)域，將“加工中心”、“工業(yè)機(jī)器人”、“自動導(dǎo)引車”、“汽車防抱死剎車系統(tǒng)”制作了教學(xué)案例，并對一些復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行了分解設(shè)計(jì)。采用單片機(jī)進(jìn)行直流電機(jī)控制、采用PLC對交流電機(jī)進(jìn)行變頻控制，基于MATLAB的模糊控制仿真等案例模塊在教學(xué)中起到了很好的效果。通過這些案例，是將機(jī)械電子工程領(lǐng)域的科研成果及前沿技術(shù)引入教學(xué)，最大程度地吸引了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了研究生的學(xué)習(xí)動力。

4 結(jié)語

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

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

參考文獻(xiàn)

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[4] 王耕，王曉雷等.控制電機(jī)及其應(yīng)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(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[6] 隋修武，焦曉光，葛輝等.以創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃引領(lǐng)測控專業(yè)新型人才培養(yǎng)[J].科教導(dǎo)刊，2012.9：177-178.endprint

計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)模塊：基礎(chǔ)要求模塊包括計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成、分類，及常用控制器（工控機(jī)、 PLC、單片機(jī)），軟件方面要求測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理，數(shù)字濾波，線性化處理，標(biāo)度變換。較高要求模塊包括PLC、單片機(jī)的應(yīng)用高級技巧。高要求模塊包括PMAC原理及應(yīng)用，基于DSP的運(yùn)動控制及DSP運(yùn)動控制卡。

自動控制技術(shù)模塊：基礎(chǔ)要求模塊包括PID控制算法的基本原理，標(biāo)準(zhǔn)PID算法的改進(jìn)，數(shù)字PID參數(shù)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(diǎn)，模糊控制系統(tǒng)的組成，模糊控制系統(tǒng)的基本原理，應(yīng)用模糊控制算法解決實(shí)際問題。高要求模塊包括其它先進(jìn)控制方法，如智能控制、自適應(yīng)控制、模型預(yù)測控制、神經(jīng)控制等。

伺服傳動技術(shù)模塊：主要講解直流電動機(jī)、交流電動機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及其控制?；A(chǔ)要求模塊講解三種電機(jī)的基本原理、機(jī)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(jī)的電樞電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩，交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場和定轉(zhuǎn)子的電路分析，變頻控制的原理及實(shí)現(xiàn)方法，步進(jìn)電機(jī)的磁阻最小原理等。高要求模塊講解三種電機(jī)的先進(jìn)控制技術(shù)，如直流電機(jī)的雙閉環(huán)控制、交流電機(jī)的矢量控制等。

系統(tǒng)集成技術(shù)模塊：基礎(chǔ)要求模塊主講機(jī)電系統(tǒng)各模塊之間的級聯(lián)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)講解模塊之間的電氣性能的相互匹配、信號耦合、時(shí)序配合、電平轉(zhuǎn)換接口。較高要求模塊主講機(jī)電系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)，重點(diǎn)講解接地技術(shù)、屏蔽技術(shù)、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(diǎn)講解軟件抗干擾技術(shù)，如軟件冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)、“看門狗”技術(shù)等。

3 以案例為載體，推進(jìn)模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)

針對上述的模塊化教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了針對不同教學(xué)內(nèi)容相應(yīng)的數(shù)字化資源，建設(shè)了課程網(wǎng)站，開發(fā)了多媒體課件，設(shè)計(jì)了多個(gè)教學(xué)案例。在典型的機(jī)電一體化的應(yīng)用領(lǐng)域，將“加工中心”、“工業(yè)機(jī)器人”、“自動導(dǎo)引車”、“汽車防抱死剎車系統(tǒng)”制作了教學(xué)案例，并對一些復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行了分解設(shè)計(jì)。采用單片機(jī)進(jìn)行直流電機(jī)控制、采用PLC對交流電機(jī)進(jìn)行變頻控制，基于MATLAB的模糊控制仿真等案例模塊在教學(xué)中起到了很好的效果。通過這些案例，是將機(jī)械電子工程領(lǐng)域的科研成果及前沿技術(shù)引入教學(xué)，最大程度地吸引了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了研究生的學(xué)習(xí)動力。

4 結(jié)語

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

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

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

[6] 隋修武，焦曉光，葛輝等.以創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃引領(lǐng)測控專業(yè)新型人才培養(yǎng)[J].科教導(dǎo)刊，2012.9：177-178.endprint