波鸿应用科技大学机电一体化工程教育20年(1993-2013)的经验和观点

R．Dudziak，R．Biesenbach，W．Caninenberg，H．-J．Frieske，F．Pautzke，M．Pohl，W．Roddeck

(德国北威州机电一体化中心、波鸿应用科技大学，德国波鸿 D-44801)

机电一体化技术对产品创新的作用是巨大的。在微电子领域方面，机电一体化技术的发展促进了硅芯片用于中央处理器、传感器或执行机构。而在机械工程领域方面，机电一体化技术促进了机械产品的创新。这些都需要机电一体化工程师来实施，工程师必须掌握机电一体化技术并能够成功地推动其发展。

1992年，德国工业部门提出社会对机电一体化工程师的迫切需求。北威州科技研究部要求波鸿应用科技大学开设新的专业。由卡伦(H Kahlen)教授负责，与鲁德克(W Roddeck)、康宁贝尔格(W Caninenberg)、诺伊豪斯(W Neuhaus)教授一起准备了新专业的教学计划和课程。在1993年的冬季学期，第一批25名机电一体化学生在波鸿应用科技大学开始了他们的学业。

1 第一套教学计划：学科交叉

在德国原工程学位“学位工程师(Diplom-Ingenieur)”的8学期的教学计划中，增加机械、电气和计算机工程这3个学科的课时，但要保证不超过8个学期的学习总时间。在讨论如何制定教学计划时，确定培养目标是学生要学完这3方面的基本知识，集成这些知识才能成为一名机电一体化工程师，如图1所示。

图1 机电一体化工程师

作为一种新的探索，教学计划的第六学期用于培养学生的工作经验。学生必须到相关公司实习，这是他们成为机电一体化工程师重要的一步。鉴于国外实习的重要性，教师通过各种渠道将学生们送到国外的公司。有很多学生在德国之外的欧洲公司实习，有些甚至在美国。在国外实习期间，学生的能力很快得到了的提高。同时，英语方面的能力也随之得到加强。

在1997年，第一届学生完成了学业，并在工业部门找到了很好的工作，也包括在美国的工业部门。市场对有实际工作经验的毕业生需求非常巨大。

2 第二套教学计划：“软技能”培养

在与工业部门讨论研究专业课程设置时，提出了设置非工程的“软技能”课程的要求，以便使学生在今后职业生涯中能够掌握基本创业知识。

从1998年开始，波鸿应用技术大学开设了有关提升学生社会和跨文化以及创建新公司的软技能(或称之为关键培训)专题讲座和研讨会。为此，学校成立了“面向未来的技能研究所”(IZK)。从此以后开设了一些必修课，如“演讲表达”和“团队合作”，并提供教学计划以外的其他选修课。此外，“机电一体化元件”和“机电一体化设计”课程则被列为必修课。通常，新生都不能自行选择他们的学习课程。第一年作为基础学习年。在这之后学生可以转到另一工程专业学习，而不需要额外的学期。在第一年讲授基础课程，如数学、物理学、材料学和计算机编程。

3 第三套教学计划：学士和硕士分开

1999年，欧洲联盟成员国的教育部长们发表了《博洛尼亚宣言》，其目标是10年内在欧洲建立工程学科的统一学位制度。结果，德国的大学不得不改变其原来的学位制度——从原来的一阶段的学位工程师(Diplom)培养计划改为两阶段的培养计划，即：工程学士或科学学士和工程硕士或科学硕士。为此，教育部制定了引进新方案的权限。在新的教育系统中，第三方认证机构分析课程设置并批准相应的教学计划。波鸿应用科技大学认证的有效期为5年，在这之后需要重新进行官方认证。

在机电一体化课程的重新建设过程中，引入了若干课程开发项目［1-3］。

波鸿应用科技大学于2004年通过第一次认证。在机电一体化领域波鸿应用科技大学能够提供学士学位(6个学期)和硕士学位(4个学期)的培养计划。2011年，又成功通过了新的官方认证。在这次官方认证时，波鸿应用科技大学调整了培养计划的时间：学士学位需要7个学期和1个找职业的学期，硕士学位需要3个学期。

结果显示本专业的学生不仅得到了很好的教育，同时有能力开始自己的职业生涯。历年来各专业的新生入学人数如图2所示。

图2 历年各专业的新生人数

4 新的学习模式

4.1 机电一体化双元制培养计划

在20世纪90年代工程类新生开始减少。因为工业发展需要更多新型工程师，需要建立新的专业学习模式。双元制模式(或称之为合作工程教育，KIA)为高中毕业生提供两个平行轨道：一个两年的实习期(而不是通常的三年)和两年的基础课程(而不是通常的一年)。在这学习期间，学生每周三天在公司实习，另两天在大学实习。在两年期末会考合格后，学生开始全日制学习。

例如欧宝(OPEL)(波鸿的一家汽车公司)，对参与这项计划的学生非常有兴趣。有了这项计划，他们能够吸引学生作为他们公司未来的工程师。在1996年，波鸿应用科技大学将双元制教育落实到机电一体化教学计划中，到目前为止已有30～40名学生同时在波鸿地区的26家公司和大学学习。

4.2 边工作边学习

在2004年，波鸿应用技术大学的公司和私立艾森经济管理应用科技大学(FOM Essen)签署了一份合作协议。具体内容是波鸿应用技术大学机电一体化、机械和电气工程专业的学生可以听取该校的讲座，讲座在晚上和周六举行，学生可以边工作边学习。一般来说，公司帮助学生缴纳学费。虽然学生同时肩负工作和学习的压力，但很多还是可以成功获得学士学位的。

4.3 机电一体化的在职学习

许多学生在学习的同时参与工作，以支付他们生活和学习费用。由于双重负荷，他们通常需要更多学期来完成学业。此外，还有学生需要花费很多时间照料他们的孩子或父母，所以有必要为机电一体化专业引入在职学习方案。这类课程从2012年冬学期开始，目前还不能提供这项新教学计划的结果。

4.4 在费尔伯特/海利根豪斯的新校园

2008年波鸿应用技术大学获得创新科学研究部的支持，在海利根豪斯建设了新校区，在新校区也设有机电一体化专业。从2009年冬季学期开始，第一批28名学生开始了他们的学习。他们参加了双元制培养计划，这些学生边工作边学习。在费尔伯特/海利根豪斯地区，许多公司生产汽车和房子的锁系统。他们需要更多的工程师，需要大学研发的帮助。

5 国际活动

1995年，第一批学生从第六学期开始在国外的公司进行他们的实习期，或者到国外的合作伙伴大学学习。波鸿应用技术大学为进行这些项目建立了广泛的国际联系网络。

5.1 法国

1997年，在克莱蒙费朗的帕斯卡大学(Université Blaise Pascal)是波鸿应用技术大学的第一个合作伙伴，双方同意进行一到两个学期的学生交换。由于德国学生不是普遍掌握法语，波鸿应用技术大学只有少数学生通过了学习并在法国写论文。同样，也只有少数法国学生来波鸿学习或者工作。所有学生在两所学校获得学位，这样他们中的每一位都获得了国际双学位。

5.2 英国

在1998年，波鸿应用技术大学同英国的伦敦南岸大学(London Southbank University)和考文垂大学(Coventry University)建立了联系。很多波鸿应用科技大学的学生作为交流生去英国学习一年，并获得双学位。双方都为学生安排一个学期来完成硕士论文的写作。与英国的学生交流项目非常成功。超过200名波鸿应用科技大学的学生获得了留学经验并提高了他们的英语水平。2011年赴伦敦参加毕业典礼的学生如图3所示。

第一批留学伦敦的学生回到德国后汇报了他们在英国逗留期间的经历和工作。为了促进交流，波鸿应用科技大学组织了3次“机电一体化日”的活动。1999年北威州议会议员波斯多夫(Posdorf)教授、2000年北威州经济部萨尔托(Schartau)部长、2001年费舍尔(Fischer)国务秘书参加了机电一体化日的活动。为了北威州工业和经济的发展，他们在发言中一致肯定了对工程师的需求，尤其是机电一体化工程师。

图3 在伦敦的波鸿毕业生

5.3 新加坡

1997年，由波鸿应用技术大学校长带队的代表团访问了新加坡，与义安理工大学和南洋理工大学建立了联系。波鸿应用科技大学同意与新加坡两所大学在实习学期交换学生。波鸿应用科技大学一些学生已经去了义安理工大学实习，并完成他们的毕业论文，有几个义安理工大学的学生来波鸿应用科技大学的实验室工作。义安理工大学每学期来两个学生参与波鸿应用科技大学的太阳能汽车项目。

波鸿应用科技大学也同意在实习学期与南洋理工大学交换学生。南洋理工大学在新加坡为波鸿应用科技大学的学生组织实习，相应的，波鸿应用科技大学在波鸿为南洋理工大学的学生安排工作。这项项目非常成功，在2007年，波鸿应用科技大学庆祝合作10周年。在那时，波鸿应用科技大学已经有140个学生参与了双边交换。两个学生是如此着迷于新加坡，他们在新加坡的公司开始了职业生活。3年之后他们才回到德国。

5.4 土耳其

在1999年土耳其大地震之后，波鸿应用科技大学开始与科贾埃利省大学(Kocaeli University)合作。大学在远离伊兹米特市山上的地震带重建。波鸿应用科技大学的一位教授帮助了土耳其同事为机电一体化新专业开设全部课程。为了方便该计划交换学生，科贾埃利省大学于2000年全部采用波鸿应用科技大学的课程。从2002年开始，每个学年有5～6位土耳其学生到波鸿应用科技大学开始他们的第三学年。4年后完成学业，除了土耳其科贾埃利省大学的文凭之外，他们还有波鸿应用技术大学的学位。2012年，波鸿应用科技大学与科贾埃利省大学庆祝了10周年合作。超过50名土耳其学生来波鸿应用科技大学学习过，德国一些学生也到科贾埃利省大学学习，并在实习学期在土耳其公司工作。

5.5 韩国

2001年，韩国的京畿道市技术研究所与波鸿科学技术大学联系，了解关于机电一体化专业教学计划和关于科技应用大学的德国教育系统。两国大学之间已经签署了谅解备忘录，一些波鸿应用科技大学学生能够在实习学期到韩国公司工作，一些韩国学生也能利用短途旅行到波鸿应用科技大学进行为期两周的训练。这种合作仍处于活跃状态。

5.6 中国

德国联邦教育和研究部与中国教育部决定，于2003年在中国建立一所大学，这所大学遵循德国波鸿应用科技大学的教育模式，在上海同济大学成立，名为中德工程学院。2004年，这所大学引进了机电一体化、汽车服务工程、楼宇设备工程与管理的教学计划，之后，又增加了经济工程专业。

波鸿应用科技大学参与德国财团资助的在中国开设机电一体化专业教育。中国学生在上海学习3年，并学习德语。德国教授用德语在上海讲授若干课程。中国学生通过TestDaF(德语作为外语)考试后，到德国的合作院校完成他们的第四学年。他们先参加一个学期用德语授课的课程，然后一个学期实习。在实习学期，他们在德国公司完成他们的学士学位论文，从而获得双学位［4-5］。

通过上述培养过程，中国的工程类学士毕业生可以很好地满足中德企业的要求。从2007年开始，25名中国学生在波鸿应用科技大学顺利地完成了他们的学习。他们中的很多人后来在德国的大学继续攻读工程硕士学位。

德国学生能够在上海逗留一年以获得同济大学的学士学位［6］。

5.7 约旦

2005年，根据约旦哈希姆王国与德国联邦高等教育和科学研究部达成的谅解备忘录，德国-约旦大学(German-Jordanian University)在约旦的安曼成立。波鸿应用科技大学负责筹建机电一体化专业。与中国的中德工程学院相似，学生第四学年到德国的某所合作院校学习。他们先学习一学期课程，然后在一家公司实习，同时完成学士论文。

5.8 意大利

意大利卡拉布里亚的戴拉大学(Università della Calabria)是欧洲学生交流计划(ERASMUS)的合作伙伴大学。从2001年开始，超过50名意大利学生在波鸿逗留一至两学期。相应的，15名德国学生在卡拉布里亚学习。

5.9 埃及

欧盟支持地中海地区的教育计划，称之为TEMPUS，在这个框架内，波鸿应用科技大学参与了两个项目。其中一个是开发与工业联系的机电一体化专业教师培训(DIMPTOT)，与埃及的三所大学和欧洲其他两所合作院校共同承担。在这个项目中，机电一体化学士课程，包括一些其他课题，已由这些大学共同开发完成。第二TEMPUS项目，称为机电一体化专业的国际硕士学位和终身学习框架(JIM2L)的开发，在三所埃及大学和两所约旦大学的机电一体化专业中引入硕士培养计划［7-8］。

5.10 印度

波鸿应用科技大学提出了一个“印度-德国工程教育计划”，该项目获得了德国联邦教育和研究部的支持。该方案在引入机械和电气工程专业后，印度-德国高等教育中心现在正考虑增加机电一体化专业课程。

5.11 跨国公司

通过在跨国公司工作的私人关系，波鸿应用科技大学使学生在实习学期能够到美国、中国、日本、印度、泰国和其他国家的学习。成功的例子有科隆的 TüV Rheinlandin、罗玛尔的 EMITEC、乌泊塔尔的Delphi以及其他公司。实践证明，私人关系可以帮助学生到国外实习。

6 研发项目

修订后的机电一体化教学计划的特点之一是加入研发项目。每个学生都要参加一个研发项目，用5个学分(ECTS)来完成它。大部分项目是由若干学生合作完成。学生可以自己决定他们想工作的领域。两个优秀项目值得人们注意：太阳能汽车项目以及与荷兰和比利时两所大学合作的国际机电一体化教育项目(IMEP)［9-20］。

6.1 太阳能汽车

在这个项目中，30～40名学生组成的团队为澳大利亚的两次比赛开发和建造了太阳能汽车。从1999年开始(首先是德国学生在伦敦南岸大学学习)，先后开发了5辆太阳能汽车并参加了比赛。学生团队因他们的汽车获得了不同的技术和设计奖项。在2011年10月比赛之后，学生团队展示了他们太阳能汽车在世界各地旅游的能力，在2012年11月顺利完成回国［21-22］。太阳能汽车的发展如图4所示。

6.2 国际机电一体化项目(IMEP)

图4 太阳能汽车的发展

一种新的合作形式正在进行：从2013年夏学期开始国际机电一体化教育项目(IMEP)。荷兰代尔夫特的海牙应用科技大学(The Hague University of Applied Sciences)、比利时梅赫伦的托马斯·莫尔大学(Thomas More)、德国波鸿应用科技大学3所学校的学生混合小组，承担发展机器视觉应用的任务。他们同时学习了关于机器人知识的课程。在启动会议之后，两组大学生利用互联网沟通和交流他们的研究结果。最终研究报告将在学期末举行。有了这个项目，教师们正在测试混合学生小组在国际项目中的合作能力。

详细内容可访问 www．Mechatronics-Project．eu［23］。

7 国际研讨会

1994年，美国斯坦福大学举办了第一届机电一体化教育研讨会［24］。波鸿应用科技大学于1999年在德国波鸿举办了第一届机电一体化国际教育研讨会(EM)，并在欧洲举办了一系列研讨会。感兴趣的大学教师非常多：共收到了来自20个国家的120名申请者。所以决定在欧洲大学每年举行一次这样的研讨会。支持机构是设有机电一体化专业的大学国际网络。2003年，改名为“机电一体化研究与教育国际研讨会(REM)”。2012年在法国巴黎的全体与会者照片如图5所示［25-26］。详细内容可访问 www．Mechatronics-Net．de。

图5 2012年REM参与者

8 德国工作组

1999年波鸿的国际研讨会之后，在德国的机电一体化领域建立了不同的网络。一个是1999年在比勒菲尔德应用科技大学建立的机电一体化工作组，另一个是在2004年于普福尔兹海姆应用科技大学成立的机电一体化学会。

8.1 德国机电一体化学会

先前存在的机电一体化工作组的大学成员看到需要构成一个法律实体才能开展实质性工作，因此2004年成立了机电一体化学会(最初名为机电一体化联盟)。凭借其帮助，工作组成员获得了若干德国部委和欧盟支持的研究项目。网址是www．DGMev．de。

学会每两年召开一次研讨会，供德国大学教师之间交换有关机电一体化学科的想法，发展和改善与工业部门的接触。

8.2 院长会议

在2007年，德国机电一体化协会工作组在卡尔斯鲁厄应用科技大学召开德国机电一体化院长会议。在大学政策领域，可以看到机电一体化专业需要开设新的学习课程。许多德国应用技术大学现在已经开设了这些课程。这个小组的主席是院长会议和德国校长会议的成员。详细内容可访问www．FBTMechatronik．de［27-28］。

工作成果之一是机电一体化教学计划和课程体系获得独立第三方认证机构、大学教育发展中心(Development of University Training，CHE)的认证。过去机电一体化专业是作为机械类或电气工程类专业进行评估的。德国工程师协会(VDI)周报报道，现在有15 000名以上的学生在学习机电一体化专业。CHE排名提供了新生对大学的信息选择。

9 研究和发展

波鸿应用科技大学的教授在机电一体化领域的研究和发展上非常活跃。通常在研发项目上，为了满足工业部门的具体要求，提出具体解决方案。例如在机器人领域［9］、机电一体化汽车［29-34］、太阳能汽车［21-22］、微系统公司［35］、医学工程［36-38］、机 器 视 觉 检 测［39-48］、电 动 车［49-55］、虚 拟 实 验室［19-20］、控制和可编程控制器［56-57］等。欧塞工厂的轮胎检测视觉系统如图6所示［45］。大量已发表的文献表明，许多问题和任务都已获得妥善解决。

10 结束语

图6 欧宝工厂的轮胎检测视觉系统

1993年在波鸿应用科技大学推行的机电一体化专业教学改革证明：一种新的工程科学必须与社会实践相结合，教师为提高教学质量开展的各种学术活动给学生有更多的机会参加社会实践创造了有利条件，成效是学习效果的稳步提高。这种经验不仅可以用于提升机电一体化专业的教学质量，同样也可用于可持续发展领域的专业课程［9，11，13，21］。

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［49］ Wunderlich H，May R，Pautzke F．Safety Concept of an Energy-Saving Sustainable Individual Mobility Car With x-by-wire Technology［C］//Proceedings 9th International Workshop on Research and Education in Mechatronics REM 2008，University of Bergamo，Bergamo，Italy，2008．

［50］ Wunderlich H，Behoussein I，Pautzke F．Control System With Decentralised Redundancy of a Sustainable Individual mobility Car With x-By-Wire Technology［C］//Proceedings 10th International Workshop on Research and Education in Mechatronics REM 2009，University of Strathclyde，Glasgow，UK，2009．

［51］ Greb J，Wunderlich H，Pautzke F，et al．Development of a Joystick for Controlling Electric Vehicles With x-by-wire Technology［C］//Proceedings 11th International Workshop on Research and Education in Mechatronics REM 2010，Technical University of Ostrava，Ostrava，Czech Republic，2010．

［52］ Skolik K，Hellwig M，Rohkamper S，et al．Hub Motors in Automotive Applications［C］//Proceedings 11th International Workshop on Research and Education in Mechatronics REM 2010，Technical University of Ostrava，Ostrava，Czech Republic，2010．

［53］ Pautzke F，Henneke S，Kolf C．Directions and Standards for E-lectric Vehicles［C］//Proceedings 12th International Workshop on Research and Education in Mechatronics REM 2011，Kocaeli University，Kocaeli，Turkey，2011．

［54］ Tjus M，Berg M，Stentenbach N．Impedance Spectroscopy as a Battery State of Health Indicator［C］//Proceedings 12th International Workshop on Research and Education in Mechatronics REM 2011，Kocaeli University，Kocaeli，Turkey，2011．

［55］ Stevens A，Stentenbach J．Field Oriented Sensorless Control of Traction Machines［C］//Proceedings 12th International Workshop on Research and Education in Mechatronics REM 2011，Kocaeli University，Kocaeli，Turkey，2011．

［56］ Caninenberg W．Real-time-simulation of a Logistic-system Including Drives and Sensors for Testing PLC-software by Software［C］//Proceedings 8th International Workshop on Research and Education in Mechatronics REM 2007，Tallinn Technical University，Tallinn，Estonia，2007．

［57］ Biesenbach R，Alfes S．A Transient Simulation Model of a Hard Coal-Fired Power Plant［C］//Proceedings 10th International Workshop on Research and Education in Mechatronics REM 2009，University of Strathclyde，Glasgow，UK，2009．

［58］ Dudziak R．Wohin Entwickelt Sich Die Mechatronik? ［C］//Lecture at Kontaktstudientag der Fakultat für Ingenieurwesen und Informatik，FH Osnabrück，2003．

［59］ Dudziak R．Ausbildung von Ingenieuren für Eine Mechatronische Produktentwicklung［J］．CADplus-Fachmagazin für Business+Engineering，2003(3)：54-56．

［60］ The Association of Engineers(VDI)．Design Methodology for Mechatronic Systems［C］//VDI 2206，VDI Guidelines，Beuth Verlag，2004．

［61］ Roddeck W．Object Oriented Modelling and Simulation of Mechatronic Systems Using Bond Graphs［C］//Proceedings 12th International Workshop on Research and Education in Mechatronics REM 2011，Kocaeli University，Kocaeli，Turkey，2011．

［62］ Dudziak R．Mechatronik in Forschung und Lehre-Chancen und Möglichkeiten für die Automobilindustrie［C］//Lecture at Mechatronik-Forum der Webasto AG，Stockdorf，2005．