虚实结合、项目驱动的机电传动与控制课程改革

一、课程现状与改革动因

机电传动与控制作为机械电子工程等专业的核心课程，其重要性不言而喻，但近年来学生及格率较低，课程亟待改革。分析原因，发现原课程体系面临三重矛盾：

1. 资源瓶颈突出：理论课（48 学时）实验仅占 8 课时，实践环节依赖 6 台试验台，5-6 人 / 组，设备利用率饱和（覆盖机电、机械工程等多专业）。综合实践课程集中安排在期末（17-20 周），与考试周冲突，学生忙于期末复习，极度压缩有效实践时间。

2. 学习模式被动：传统“课堂讲授 + 分组实验”易导致学生依赖教师指令与模仿操作，缺乏深度探究。部分学生对复杂技术理论兴趣不足，存在“应付任务”现象。

3. 能力培养脱节：教学内容偏重经典理论，对主流工业技术（如PLC 编程、工业虚拟调试）覆盖不足。实践环节与后续“机电系统综合设计”衔接松散，工程思维培养断层。

以上问题的存在极大地影响了课程的教与学。近年来学生思维更活跃，但学习自主性及自律性相对下降，而课程还是按传统方式进行教学，这是近年教学效果下降的主要原因。所以本课程改革核心命题就是：如何以有限资源激发无限潜能？如何吸引学生把精力放在课程学习上？

二、改革路径：构建“双线并行”教学体系

（一）理论课改革：聚焦实用性与自主性

1. 内容重构：破解原来传统的知识结构，淘汰一些相对落后的知识。精选课程中对于应用更需要的基础理论和知识作为重点。技术主流化：压缩过时理论，强化 PLC 控制（西门子 S7-1200）、电机驱动技术等工业应用核心。知识前置化：提前引入博途软件基础操作，为虚拟实践铺垫。理论课的教学顺序为：机电控制基础 - 电机结构及原理- 低压电器- 继电器控制线路- 可编程控制器基础。其中，重点是继电器控制线路和可编程控制器基础，其他章节都围绕它们而讲述。

2. 模式创新：线上 + 线下融合：建立课程 QQ 群实时答疑，共享PLC 编程案例、Factory I/O 仿真教程等资源。课内 + 课外联动：设置“机电系统控制方案设计”大作业，要求学生自主调研工业场景并提出优化策略。为了激发学生兴趣，并尽量防止大量学生抄袭，可以利用 Factory I/O 仿真软件设计多个大作业题目，让学生按规定方式选择题目，并对过程进行辅导和监督。常用大作业题目有：基于机械手的输送带间工件转运控制系统设计；平行滚轴输送机间工件转运控制系统设计；基于工件高度检测的分拣控制系统设计。

（二）实践课突破：虚拟仿真赋能真实工程

1. 搭建“虚实结合”平台，从纯软件的全虚拟层到全硬件的实训设备。

全虚拟层：Factory I/O+ 博途软件，功能定位：一人一项目，自由构建工业场景并完成编程调试。

半实物层：硬件 S7-1200 PLC+Factory I/O，功能定位：虚实联调验证控制逻辑就，熟悉实际plc 设备的调试。

实体设备层：机电传动实验台，功能定位：最终方案物理验证，熟悉硬件线路及传感、执行器件。

2. 项目化任务驱动：项目由简单到复杂，控制程序从最简单的启停控制到复杂的顺序控制，从单机控制到复杂的较大规模生产加工、物流分拣、仓储入库的车间层级控制。

基础项目：在 Factory I/O 中复现试验台功能（如传送带启停控制），掌握标准流程。最常见的项目是以两段输送带控制场景为例：要求学生能根据实际场景的生产需要，加装必要的传感器，编写程序并完成调试，使得工件可以完成接力输送，同时拓展任务要求学生考

虑节能和故障报警等附加功能。

创新项目：自拟主题（如智能分拣系统），设计控制逻辑并完成虚实调试。在学生熟悉 Factory I/O 的常用操作、常用部件后，可以根据自己对工厂的认识，先进行场景搭建，要求具有完整而且合理的功能。第二步再完成控制程序编写及调试。拓展任务要求学生尝试进行人机界面的组态及编程。

3. 分散集中制：在学生理论课学过了 plc 基础后，引导学生安装相关软件，进行基础项目的练习，熟悉软件功能。从学期的 13 周起每周固定4 个下午开放实验室，学生按进度自主预约。

4. 过程检查制：每次集中实践提交阶段成果，教师现场指导 + 在线答疑结合。

课程改革理念：以任务为锚点、兴趣为引擎，让学生从“被推动”转向“自驱动”学习。

三、创新点：破解资源与动力的双重困局

1. 虚拟仿真：打破硬件枷锁。Factory I/O 实现“一人一机”，实验容量提升 60% （原 S≅H⟶36+ 人并行），且支持复杂场景搭建（如多电机协同）。学生可反复调试高风险逻辑，避免实体设备损耗，降低试错成本。

2. 角色代入：重构学习关系。甲方（教师）：发布任务书，明确技术指标。乙方（学生）：自主设计方案、调试优化、参与答辩，强化责任意识。案例：22 级机电学生设计“柔性装配线仿真系统”，在虚拟环境中实现故障自诊断功能。

3. 兴趣孵化机制。自由选题：允许在技术框架内自定项目主题；成果可视化：虚拟场景实时展示控制效果，增强成就感；竞争协作：组间互评答辩，激发“比学赶超”氛围。

4. 从“被动接受”到“主动创造”。能力提升多维化，基础技能：100% 学生独立完成 PLC 编程与虚拟调试。创新能力： 37% 的项目提出原创性优化方案（如能耗降低算法）。学习状态显著分化，学生及格率大幅提升。

5. 资源利用高效化。试验台使用周期从 4 周压缩至 2 周，缓解多班级冲突。虚拟层承担 70% 调试工作，实体设备故障率下降 45% 。

四、结论与展望

本改革通过“虚实结合的资源重构”与“项目驱动的内驱激发”，实现了三方面突破：资源扩容：虚拟仿真破解设备与时空限制，使个性化深度实践成为可能；能力进阶：任务分级设计（基础→创新）适配不同学生水平，避免“简单模仿”；动力转化：角色扮演与自由选题将外部压力转化为内在探索欲。课程改革的核心不仅是技术或模式的更新，更是学习生态的重塑——当虚拟世界成为创新的沙盘，当项目任务转化为成长的挑战，教育便能真正唤醒每个机电学子心中的“破壳之力”。

参考文献：

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