项目教学法在机电控制系统设计教学中的应用

陆荣鑑

摘要 项目教学法是以实际的科研课题作为主线，来激发、强化学习者的积极性和创造性的一种教学方法，适用于研究生专业课程的教学。以项目为主线，把机电控制系统设计课程教学内容有机地融入各个项目当中，当项目完成后，学生具有很强的成就感，从而激发学生的学习兴趣和热情。

关键词 项目教学法 创新能力 实践能力

机电控制系统设计作为机电专业研究生的一门重要专业课程，该课程涉及机械学、电子学、控制理论、微机应用、软件编程等多方而知识，其内容丰富、信息含量大、理论性强等特点，内容比较枯燥，教学中很难引人入胜，现有的“板书式”教学已经无法适应教学的需要，因此要获得好的教学效果就必须对教学方法进行改革。笔者在机电控制系统设计教学中尝试采用了项目教学法，充分利用我们现有的科研条件，把专业的理论知识融入项目实践之中，使理论课程授课与项目实践结合在一起，提高了研究生的学习兴趣，教学效果显著。

1 开展项目教学的意义

1.1 培养学生创新思维，提高学生动手能力

项目教学就是以科研课题实例为主线，让学生围绕对工程实践的解决来学习知识、发展智力、培养创新精神和实践能力的一种先进的教学组织形式。项目教学法在软件培训中广泛使用。因此，培养研究生的创新能力，就需要引导学生在课程学习过程中不断地发现和解决实际问题。

1.2 项目教学是解决实际工程问题的基础

研究生的专业课需要很多本科所学的基础课程，通过项目教学，使学生不断发现问题，为解决这些工程问题，促使学生去学习新的知识和技术，提高分析、解决实际问题的能力。科研调动学生的学习兴趣，激发了学生的学习热情，能使学生始终保持主动的求知欲望。

1.3 提高教学质量

项目教学是基于实际课题进行的。每课题都能讲授、示范、技能训练同步进行，突出了现场示范，增强了直，观性，使学生能够用理论指导实践、在实践中消化理论。学生的知识和技能就在这样的过程中生成，学习能力得到有效的开发，教学收到事半功倍的效果。

2 目前机电控制系统设计课程教学存在的问题

机电专业是一个宽口径的，机械与电子共同支撑该专业。研究生在本科阶段有学机械的，也有学控制的，水平参差不齐，而机电控制系统设计课程同时需要机械和电子方面的知识。这样严重地影响了教学任务的顺利完成和教学目标的顺利实现。目前机电控制系统设计课程教学存在的主要问题如下。

（1）教学内容因知识点繁多，没有得到有效的梳理。机电控制系统设计课程涉及内容繁多，包括控制电机、气压和液压系统、检测装置、 自动控制理论、微机控制系统、PLC控制等内容，这些具体课程内容相互之间联系又相对较少，所以现有的课程体系没有从总体角度说明为什么课程内容要这样安排，势必就会大大降低学生的学习兴趣和积极性。因此，在课程内容体系上进行梳理性教学改革，是非常有必要的。

（2）课程教学理论较多，工程应用很少。课程的设置仍保留传统的“重理论，轻工程应用”的培养模式。如所设置的“控制工程基础”和“测试技术”两门课程均属于理论性较强的课程，不利于机械专业学生将学到的机电控制理论知识与现场的工程实际相结合，也就不能够很好地锻炼学生的动手能力，那么，培养应用型人才的目标也就无法很好地实现。因此，进行教学改革研究，也是非常有必要的。

（3）课程缺乏系统性和前瞻性。许多工程上已得到广泛应用的机电控制新技术在已设置的课程中没有体现，如现场总线技术、智能控制技术、ARM技术等。这样，我们培养出来的学生也就很难适应高新技术和现代化的要求，也就无法培养出大量的符合社会主义现代化建设要求的应用型人才。

存在上述问题的课程体系，使得学生难以将所学的机电控制知识灵活运用到机械设计与制造中去解决机械行业越来越多的先进制造设备或系统的控制技术问题，难以胜任机电产品或系统的设计工作，可见，在机电控制系统设计课程教学中引项目教学已势在必行。

3 机电控制系统设计课程项目教学实践

3.1 项目教学内容

机电控制系统设计课程的主要内容包括：机电系统控制电路设计、检测系统设计、微机控制系统设计、机械系统的选择与设计、PLC应用系统设计、伺服控制技术等。根据课程要求设计以下3个项目，每个项目下设若干子项目。这3个项目涵盖了课程的大部分内容。

项目一：变频真空泵恒压控制系统设计。

该系统是由一台三相交流电机带动真空负压泵抽真空，三相交流电机由变频器驱动。负压传感器测量负压，使压力稳定在4Kpa到6Kpa的某一设定值上。系统的组成如图1所示。单片机完成压力设定及实际值的显示、压力调整等功能。当压力小于设定值时，通过RS485总线驱动变频器，使变频增加，电机转速加快，提高压力，使其接近于设定值。项目所涉及的知识点有：单片机应用、RS485总线、汇编语言编程、传感器、放大器、变频器应用、控制算法等。

项目二：某污水处理控制系统设计。

该系统有A、B、C三个水池。每个水池都有电动进水阀、出水阀、曝气风机、排泥泵等，还有水位传感器、浓度传感器反馈元件。用西门子S-200PLC来控制系统按一定的工艺路径运行。采用PLC加触摸屏控制，有手动和自动控制方式。系统框图如图2。项目涉及的知识点有：PLC应用、梯形图编程、传感器样本、电机及阀门控制等。

项目三：基于ARM的交流伺服电机位置控制系统设计

项目内容及要求：该系统由ARM9263作为控制器，驱动两台伺服电机，伺服电机通过连轴器带动滚珠丝杠作X-Y向直线运动。伺服电机由编码器作为位置反馈，系统结构如图3。

通过触摸屏可以控制X、Y向的独立加减速运动，通过直线插补算法让系统在第一象限直线运动。所有软件是在WinCE操作系统下，由EVC编程环境下完成的。项目所涉及的知识点有：VC系统编程、伺服电机及驱动器的使用、位置反馈编码器、直线插补算法、滚珠丝杠的使用、ARM系统的使用等。

每个项目都有较详细的设计任务书给学生，介绍项目所需的知识点，再将每个知识点做简单说明。对于一些较难的部分就直接给出图纸。最后推荐一些相关的参考书，要求在规定的时间内将相关章节学完。所有项目都要完成设计文件和设计图纸，并提交电子文档。

3.2 教学方法与手段

机电控制系统设计课程共有40学时，只留10学时讲课，其余30学时全部采用实训教学，课本知识要求学生自主完成通过学习，学生应该掌握机电控制系统设计的基本方法和理论。研究生在本科阶段所学知识水平参差不齐，还需要求同学根据自身情况，补学模电、数电、单片机、微机原理、VC编程等课程，为项目教学打下基础。

以上的三个项目全是笔者的实际科研项目，并且已经完成交给企业了，有做好的实物。提供开放实验室和创新实验室，带学生到企业观看实际的系统，让学生有更多的动手动脑机会，可以对课堂上的内容进行加深与巩固，还可以促进项目的完成，使学生可以有更多的时间进行实践训练，进一步提高学生的实践能力和创新能力。

以项目为基础，激发研究生潜在的学习动力，围绕完成任务中出现的问题、难题进行理论知识的学习，引导学生综合运用所学的知识和技能，进行工作任务的策划与设计、实施和评价，训练学生有序的工作方法，培养学生的工作能力。项目实施过程中鼓励学生有一部分的创新和发挥，通过分析和解决完成任务中的创新要求，培养学生创新思维和创新能力。

定期开展讨论交流，把实际中遇到的问题拿出来，大家一起提出解决方案，教师可以直接或间接给予提示，也可以让不同的学生使用不一样的方案，最后讨论各种方案的优缺点。要求学生独立完成项目最后，在学生间进行互帮评价，让教师进行指导性评价，还可以请企业方工程技术人员给予评价以集思广益、促进交流和鼓励探究。

3.3 项目教学评估考核

项目教学法在于过程而不是结果，过程性考核在学生按计划完成每个项目时进行，每个项目完成后要进行一个阶段性考核，教师根据项目的要点对学生完成的项目进行考核。本课程着重点是应用，所以不安排在期末考试。平时表现如课堂表现、项目实践过程、讨论交流情况、课外项目任务等占40%；根据每一个项目完成情况、文档的完整性、图纸的规范性、软件编写和说明文件、最终项目能否使用等，由教师给出项目成绩，每个项目占20%。最后算出综合成绩。改变仅以几次考试分数来评价学生的传统做法。着重考核研究生的实际动手能力和创新能力。

4 结束语

综上所述，项目化教学是通过实际工程项目，来创设“情景”，通过“协作学习”的方式开展学习，通过完成“工程项目”来达到完成教学，是一种比较有效的教学方法。可以在教学过程中培养学生创造性思维，鼓励学生积极思考，敢于发表与大家不同的观点，敢于向老师、向教材内容提出疑问，创造种良好的教学气氛，引导学生从实践中开拓思维，为学生今后走向社会，适应工作岗位需要打下扎实的基础。