“電力拖動自動控制系統”課程的教學模式研究

韓谷靜,吳雨川,秦 亮,胡 釙

(1.武漢紡織大學電子信息與工程學院,湖北武漢 430073;2.武漢大學電氣工程學院,湖北武漢 430072)

0 引言

“電力拖動自動控制系統”是本科電氣工程及其自動化專業的一門主干課程。一般安排在大學三年級下學期。其主要內容圍繞通過控制直流或交流電動機的轉矩、轉速、位移等機械量,達到使電機拖動的工作機械按照要求運行的目的。學生普遍反映該課程難度較大,不容易較好的掌握。鑒于該課程的重要性,有必要對更好的推進其教學進行深入研究。

1 課程難度剖析

“電力拖動自動控制系統”課程究竟“難”在什么地方?以課程中一個典型的單片機控制的雙閉環PWM可逆直流調速系統為例,如圖1所示。

從原理上講,該系統通過對直流電動機轉速及電樞回路電流的雙閉環反饋控制,以“準時間最優”實現電動機的可逆運行。在系統實現上,包括硬件和軟件兩大部分。硬件主要涉及三相不控整流、PWM雙向變換器,功率驅動電路,故障保護電路,單片機及外圍電路;軟件主要涉及數字控制PID算法,各檢測信號的接收、判斷及相應操作,上位機可視化編程等。

圖1 單片機控制的PWM可逆直流調速系統結構

在學習中,要在理論上理解上述系統,學生必須了解直流電動機的工作原理,知道直流電動機系統中電磁量(如電樞電流、電動勢)與機械量(轉矩、轉速)的相互關系;了解產生可控直流電源的方法;知曉自動控制系統中,根據控制對象實現某一控制量恒定的基本算法以及衡量控制系統性能的基本指標;還要掌握單片機相關原理等。而要實現上述系統,學生必須掌握電力電子技術中的整流、斬波、逆變電路及其保護和驅動電路;掌握電壓、電流、溫度傳感器,能夠應用一款單片機(包括硬件構建和軟件編程)等。

因此,“電力拖動自動控制系統”課程在原理和系統實現上綜合了自動控制理論、電機及拖動、電路、電力電子、計算機控制技術等多門專業基礎及專業課程的相關知識。其知識面寬,專業基礎背景要求高,綜合性及實用性強。而且,在這些專業基礎中諸如電機及拖動、電力電子技術等也是學生們頗感困難的課程。可以說“電力拖動自動控制系統”既“繁”且“難”。因此,要通過有限的學時,將這門“厚基礎”的課程教好、學好非常不易。

2 教學中存在的問題

圍繞該課程教學,專業教學者們展開了諸多探討和教改嘗試[1-6]。主要是逐步改變傳統的以理論講解為主的枯燥的“填鴨”教學方式,輔以多媒體手段并啟用仿真工具(如 Proteus、Pspice、Matlab/Simulink),使艱澀難懂的理論直觀化并具可操作性。同時,加強實踐教學環節,減少驗證性實驗,增加自主設計性實驗,等等。這些方式在一定程度上增強了學生們的學習興趣,改善了教學效果,但卻較多的強調“教”對“學”的單方面影響,而不太重視學生們個性化的專業發展。

所謂個性化的專業發展,是指學生經過前面兩年多的專業基礎學習,已經逐漸培養出自己在該專業中的愛好、特長及今后的發展方向。如:有的學生可能自動控制理論學得比較好,對古典及現代理論的改進和應用有較深入的思考,決定本科畢業后繼續深造,讀自動控制方向的研究生;有的學生可能對電力電子技術中開關電源技術、變頻技術等感興趣,喜歡嘗試做硬件電路,單片機也用比較好,參加過電子設計大賽,預備畢業后去企業工作;還有的學生擅長C語言高級程序設計,對計算機操作系統感興趣,準備畢業后轉到計算機方向,或工作,或讀研,等等。當這些具備不同專業興趣和特長的學生進入大三下學期,已經開始為今后發展作出選擇和側重的時候,“電力拖動自動控制系統”這種帶有大綜合性質的課程其實不再合適像前面的專業基礎課程那樣,要求學生們全面掌握,并以同樣的考核方式(如考試+實驗)決定不同學生的課程成績。

采用多媒體、仿真工具等是使課程教學直觀、生動,可激發學生的學習興趣,這種“激發的興趣”是被動的,與學生們基于自身的特長、愛好和今后的專業發展方向所產生的“自發的興趣”大不相同,后者更能夠產生持久的動力,是自主學習的源泉。

3 個性化整合教學模式的提出

整合教學模式的理論基礎源于遺傳算法創始人霍蘭教授提出的復雜適應系統理論。它將教學系統看作一個復雜適應系統,以培養適應社會發展需要的高素質人才作為最終目標,強調教師和學生主體在教與學交互過程中的作用和演化。交互過程包括學生與教師之間、學生與學生之間、學生與教學資源之間、學生與外界環境之間的交互。要求在教師指導下,學生能夠自主學習[7]。

其實,“電力拖動自動控制系統”課程的內容在客觀上通過一個具體的應用對象——電動機調速,為學生們提供了一個綜合性的專業舞臺。在教師的引導下,不同學生可以根據自身的專業特長與偏好自主選擇扮演喜愛的“角色”(電機及拖動,自動控制、電力電子,單片機應用等),并通過“角色”間相互合作,完成整個課程的學習。在這個過程中,學生完全自我調控,在興趣的驅動下自主學習,主動提出問題、分析問題、解決問題。并與課程中參與其它組成部分的同學資源共享,相互探討與協作,以把握全局、精通局部的方式,將理論與實踐結合起來,共同掌握該課程從原理到系統實現的整個體系。

這種教學思想注重鼓勵學生在專業上的個性發展,并以此作為學生自主學習的激發動力。在整個教學系統中,教師的角色由主導教學轉為引導教學,學生對知識獲取由既定內容的被動接收轉為興趣內容的自主探索。教師負責構建課程內容框架,整合背景基礎知識,制定課程要求。學生則根據課程要求,在課程內容框架下,選擇偏好的部分進行深入擴展。同時,教師與學生、學生與學生之間的交互將更加重要。教師要同步跟蹤不同學生的學習進展情況,在廣度和深度上作出指導,及時解決學生在探索過程中的疑問,并根據學生的實際學習情況合理地修改、補充、完善教學內容。而學生應具備全局觀念,清楚認識到所選方向是整個課程內容體系框架中的一部分,要完成整個課程的學習,必須與其它方向的同學相互交流,每個學生相對其它同學既是某一個方向的老師又是其它方向的學生。老師和學生的角色動態演化,相得益彰。

這種思想與整合教學模式的內涵形成統一。

4 實踐個性化整合教學模式方案探討

個性化整合教學模式不同于一般本科畢業設計環節。盡管兩者都具備鼓勵學生自主學習的特征,但前者本質是課程的教學,目的是通過個性化整合,將課程知識更好的傳授和擴展。而本科畢業設計更側重學生既得知識的綜合應用。實踐個性化整合教學模式對教師提出了較高的要求。以下從教學內容的組織,教學互動的實施以及課程考核三個方面對個性化整合教學模式在“電機拖動自動控制系統”課程中的實踐方案展開探討。

(1)教學內容的組織

“電機拖動自動控制系統”作為一門專業主干課程,在長期的教學實踐中已經建立起完整的課程體系,并形成了較為成熟的教學大綱和課程要求。在個性化整合教學模式中,為了激發和引導學生的個體興趣,要根據課程所需的專業基礎知識將教學內容切分、整合,以模塊化的專題形式進行課堂講授。如:圍繞課程主線“交直流電動機調速”,可將教學內容切分為“交直流電動機運行原理”、“計算機自動控制系統工程設計方法”、“現代電力電子變流電路”、“傳感器檢測”、“單片機應用”等。每個專題不同于專業基礎課程教學的廣而泛,無論是原理論述還是應用實例都要求緊密結合“電機拖動自動控制系統”課程所涉及的相關內容,高度凝練而有針對性。每個專題3～5學時。在專題講授之前應安排課程總論,使學生們首先從全局上把握該課程的體系構架、主要內容、實踐手段、應用場合。幫助他們在課程體系下進行興趣定位。課程總論可設置為2～3學時。無論是總論還是專題,都要求教師精心設計,有效利用多媒體手段、仿真軟件等,在有限的課時里,將最基本的原理和最新的應用技術傳達給學生。

(2)教學互動的實施

專題之后,學生可根據自己興趣按照專題分組,老師將結合本課程技術發展的現狀對每個專題組的學生給出有關學習計劃,參考書目和實驗操作的指南,引導學生自主學習。自主學習不占用課時,而課上時間將被用來安排討論和答疑,每次討論課與某個專題相關,但不受限制。答疑在教師和學生、學生與學生之間交互進行。最后,教師將布置一個綜合性較強的課程設計,在軟、硬件上能夠使各個專題組學生展現各自的專題才能和學習效果。在設計過程中,各專題組學生為共同的設計目標,必須相互切磋,資源共享,在協作中獲得綜合知識的提升。

(3)課程考核

課程考核以成果匯報的形式進行,每個分組的學生都將上講臺對本組在設計中所承擔的任務及設計成果進行匯報,要求其對教師和其它專題分組學生所提出的問題進行答辯。教師將對每個學生的答辯表現進行評分。

以上所述個性化整合教學模式的實踐方案糅合了理論教學,實驗教學,課程設計等多個環節,以充分調動學生自主學習積極性,發展專業興趣,彰顯專業特長為目的。同時引入團隊協作和競爭機制,將專業課程學習,基于個性的知識擴展和集體資源與成果共享統一起來。有利用增強教學趣味,提高教學效率和改善教學效果。

5 結語

如何有效激發學生的學習興趣和積極性,引導他們自主學習,使他們在教學系統的師生交互中自覺、主動,一直是專業教學長期探討的問題。本文所提出的個性化整合教學模式,結合“電力拖動自動控制系統”課程本身的特點以及開設該課程時學生所處的本科學習階段的特點,對不同學生按照專業興趣分類,在課程知識的傳授、教學互動以及課程考核環節都采用了區別于傳統專業教學的方式,鼓勵學生在興趣的驅動下,寓樂于學,并參與團隊協作與競爭,能夠有效改善教學效果。

[1]李新德,郝立,孟正大等.電力拖動與運動控制系統課程教學方法探討.電氣電子教學學報,31卷,6期,2009

[2]徐志佳.電力拖動自動控制系統中的仿真教學.時代教育,4期,2009

[3]高林,韓寧,劉文定等.運動控制系統課程多環節教學模式的探討.中國現代教育裝備,7期,2008

[4]韋壽祺.電力拖動自動控制系統課程的案例教學.大眾科技,108期,2008

[5]許玉格,羅飛.運動控制系統精品課程建設與雙語教學的探討.教育理論與實踐,27卷,專刊,2007

[6]洪乃剛.電力拖動自動控制系統課程建設的實踐.安徽工業大學學報(社會科學版),20卷,1期,2003

[7]閆俊榮.電機與拖動基礎課程教學改革的探索.電氣電子教學學報,31卷,6期,2009