打造真正「工程優先」的機電整合實驗室

去除硬體障礙，將學生的時間投入在設計與創新

作者：QUANSER 學術應用工程師 Lorena Gonzalez

作為 Quanser 應用解決方案團隊的一員，我投入大量時間思考工程系學生：什麼有助於學生學習、我們希望他們獲得什麼樣的經驗，以及如何讓專題式學習 (project-based learning) 變得既易於執行又有意義。回想我自己的工程教育歷程，我最喜歡的時刻總是動手操作的環節：每週的實驗課、為期一學期的建置，以及將想法轉化為實體系統的專題。

我曾能夠建構各種電路，從點亮 LED、用邏輯閘製作狀態機，到建置小型機械手臂和自駕車。每當看到完成的成果，我都感到無比驕傲。然而，這些經驗也伴隨著大量的挫折。

無數小時被消耗在那些並不有趣的部分：長時間「尋找損壞的電線」、「排解麵包板連接錯誤」、「解決因為兩個函式庫都想使用相同的 GPIO 而產生的腳位衝突」、「焊接與重新焊接連接」等等。

我熱愛工程學，但我希望自己能花更少的時間在除錯，而將更多的時間投入在我認為有趣的工程工作上：提出想法、設計演算法、選擇感測器、組裝元件並測試我的系統。這就是我們所說的「定義設計問題，然後解決它」。

這些問題正是我們希望透過 Quanser 機電整合設計實驗室 (Mechatronics Design Lab, MDL) 來解決的挑戰。

今日機電整合課堂的挑戰

走進現今大多數的機電整合教室，您會看到一個熟悉的模式：學生學習了一些基礎理論後，隨即被丟入專題模式，並期望他們邊做邊學。

結果如何？有些學生很快就撞牆。另一些人最終只能盲目地跟著網路上他們幾乎不理解的教學，只求讓東西動起來。學習體驗變得參差不齊、令人沮喪，且學生往往無法體驗真正能運作的工程和機電整合原理。

正如 MDL 專案經理 Crystal 在她的部落格中所述，當學生花更多時間在硬體故障排除，而非系統設計時，核心學習成果就會被稀釋。那些本應用來激發工程熱情的體驗，反而變成了對抗技術問題的耐力考驗。

但情況不必如此。

機電整合的基石

在開發機電整合設計實驗室時，我有機會參與形塑課程內容和產品規格。每一個決策都回歸到一個問題：我們希望學生獲得什麼樣的學習體驗？

答案形塑了所有的設計：

• 對於感測器： 學生應當能夠直接讀取任何感測器的資料。無需尋找晦澀的函式庫。無需解讀相互衝突的文件。只需隨插即用，並開始探索該感測器能告訴他們關於世界的資訊。

  
  

• 對於致動器： 學生應當能夠連接大多數馬達並立即使用它們。無需浪費時間去搞清楚要購買哪個 H 橋、哪塊板子支援他們的馬達，或需要哪種接頭。

  
  

• 對於學習進程： 學生需要一個自然地從基礎知識建構到複雜性的支架。首先，在基礎實驗中，學生應當理解單一感測器和致動器：它們如何運作、何時使用、如何選擇、它們的限制是什麼。然後在挑戰中，他們可以開始將元件組合為系統，並學習更多編程。最後，在專題中，他們可以應對開放式的設計挑戰，設計出完整的解決方案。

這種方法改變了學生參與機電整合的方式。

• 他們不再將數小時耗費在設定上，而是能比較感測器特性。

  
  

• 他們不再調試連接，而是能實驗控制演算法。

  
  

• 他們不再盲目跟隨教學，而是能做出有根據的推論和知情的決策。

當所有感測器都以相同的方式讀取，所有致動器都遵循一致的介面時，學生終於可以比較他們專題的不同選項。他們培養了設計直覺、工程素養、系統探索，以及與專題的真實連結。

實際驗證

我知道您可能在想：「這聽起來很理想，但實際運作起來真的可行嗎？」

本月初，我們對我們的課程內容進行了測試。來自 Tecnológico de Monterrey (蒙特雷科技大學) 的九名學生拜訪了我們的辦公室，他們只帶著想法和熱情。我們提供他們使用機電整合設計實驗室、Raspberry Pis、3D 列印機和各種工具。

在不到兩天的時間裡，他們從最初的概念進展到可運作的原型。

其中一組製作了兩代自平衡機器人。另一組則透過手勢，使用他們自己的類神經網路來控制一個機械手臂。

試想一下，短短兩天，就完成多個完整的專題。這些學生還是第一次接觸這些設備。

這並非因為這些學生多麼特別，儘管他們確實很有天賦。這是因為我們消除了通常會佔用專題時間 60-70% 的準備工作。我們的學生將時間花在了有意義的工程任務上：解釋感測器數據、調整控制演算法、迭代設計概念，以及解決實際問題。

這才是動手實作的工程教育應有的樣貌。

蒙特雷科大教授的看法

不只是學生注意到了差異，隨行的 Tecnológico de Monterrey 教授 Prof. Aline Drivet、Prof. David Alejandro Sotelo Molina 和 Prof. Carlos Gustavo Sotelo Molina 分享了機電整合設計實驗室如何有意義地提升他們的課程：

我們需要升級我們的感測器實驗室。學生目前使用較舊的類比感測器來教授理論，但他們將受益於 MDL 的現代數位感測器，這些感測器能與微控制器無縫整合。我喜歡感測器的多樣性也支援 AI 和機器學習專題，而且這個平台精確、便攜，並能用 Python 編程。

—— Prof. Aline Drivet

MDL 有助於學生理解程序動力學和設計控制系統，可以輕鬆比較已實作控制器的性能。

—— Prof. David Alejandro Sotelo Molina

MDL 對於專題式課程很有用。在一個實驗室中，您可以讓許多設備協同運作，學生表示這個平台完整、直觀且易於使用。

—— Prof. Carlos Gustavo Sotelo Molina

他們也指出，機電整合設計實驗室將適用於許多課程，包括感測器與儀表、致動器、工程設計概論、機電整合與機器人系統設計、控制與儀表、控制概論、機器人學概論、課程設計專題和創客空間培訓模組。

他們的迴饋證實了我們設計 MDL 的初衷：消除阻力、加速學習，並讓學生體驗工程學應有的方式——透過有目的的實驗和快速的迭代。

這對您的學生和學程意味著什麼

機電整合設計實驗室不僅僅是讓實驗室更容易管理。它是關於從根本上改變學生在您分配給他們的時間內可以完成的工作。同時，讓他們對自己設計完整系統的能力建立真正的信心。

這個平台支援廣泛的課程，從入門設計到進階機器人學再到畢業專題。同一個用於向一年級學生教授感測器的實驗室，可以成為高年級設計專題和研究所研究的基礎。

賦予下一代工程師力量

這是我的體會：當學生將更多時間用於設計、測試和迭代，而更少時間用於故障排除時，一些強大的事情發生了。他們勇於承擔風險。他們探索雄心勃勃的想法。他們建置出他們真正引以為傲的功能性系統。最重要的是，他們開始將自己視為工程師。

我們知道動手實作的經驗至關重要。問題是：這些時間是花在能建立工程信心的體驗上，還是花在會消耗信心的障礙上？

學生應該與工程權衡問題角力，而不是與函式庫問題角力。他們應該比較控制演算法，而不是調試麵包板連接。他們應該迭代設計，而不是迭代接線。

這就是機電整合設計實驗室的建立宗旨。它是一個平台，賦予學生力量，不僅能完成作業，更能設計出令他們引以為傲的解決方案。

如果您希望您的學生透過有目的的實驗、快速的迭代和有意義的設計來體驗工程學，我們誠摯邀請您探索機電整合設計實驗室能為您的學程帶來什麼。請聯繫我們的團隊或 Quanser 台灣代理商錫昌科技，探討當您為學生提供一個工程優先的即戰專題平台時，一切將有何可能。