“運動控制系統”教學模式改革與實踐探討—基于CDIO理念

尚 麗

(蘇州市職業大學 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104)

“運動控制系統”教學模式改革與實踐探討—基于CDIO理念

尚 麗

(蘇州市職業大學 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104)

針對“運動控制系統”實際教學中存在的問題,結合現有教學條件,引入CDIO教學理念,探討基于工程教育模式的“運動控制系統”教學改革方法和實踐過程,在學習中逐步培養學生的現代工程意識,促進學生素質教育的發展和建設.

工程教育模式；CDIO；教學改革

Abstract:Based on the problems in the teaching of motion control system and the current teaching conditions, the paper discusses its teaching reform and practice on the basis of engineering teaching model by introducing CDIO concept. The teaching aims to cultivate the students’ awareness of modern engineering and promote their all-round development.

Key words:engineering teaching model; CDIO; motion control system; teaching innovation

“運動控制系統”是電氣自動化技術、應用電子技術、電氣工程等專業的一門重要專業課程[1].該課程理論比較深奧，但是應用性和實踐性卻很強，對培養學生的科學思維能力、分析和動手能力有很重要的作用.隨著運動控制技術的發展，原有的課程結構、教學內容和方法已經不能適應現代工程教育的發展，雖然已有很多文獻討論了“運動控制系統”課程的理論教學和實踐教學模式改革，但是這些教學模式改革涉及的內容大多是關于教學思想、教材選擇、課程的內容整合及授課方法、實驗指導方法、課程設計方法、課程考核方法、學生興趣的激勵與培養方法等.這種教學模式的改革仍是以理論教學為主，學生仍然脫離了工程實踐的環境，其理論知識和實踐能力仍得不到統一和提升.

針對上述“運動控制系統”實際教學中存在的問題，結合當前國際流行的工程教育理念—CDIO理念，探討“運動控制系統”課程教學中基于CDIO標準的理論教學方法和實踐過程，著力于在學習中逐步培養學生的現代工程意識，以提高學生的綜合分析問題和解決問題的能力，激發學生的創新能力.

1 基于CDIO理念的課程教學組織內容和方法

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，是由美國麻省理工學院、瑞典皇家工學院、瑞典查爾摩斯工業大學和瑞典林雪平大學共同創立的工程教育改革模式[2-3].CDIO代表構思(conceive)、設計(design)、實現(implement)、運作(operate)，是“做中學”的一種模式，它以產品從研發到運行的生命周期為載體，使學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式進行學習[2-5].這種工程教育模式對學生的學習能力及對新技術的感知能力、理解和接受能力等提出了更高的要求.

“運動控制系統”課程的知識綜合性很強，覆蓋面較寬，課程依賴的基礎知識和課程內容更新速度較快，課程的理論和應用聯系較密切，工程實用性非常強[6-8].這就要求在該課程的教學中要體現出工程應用背景，要求教師在教學中對電路、電機、電力電子技術、計算機控制技術等前期學過的課程內容進行橫向和縱向的連貫設計，體現CDIO模式中的集成課程設計的理念[9].同時，結合工業界的新工具、新技術、新設計理念，編寫適合學生的校本教材，更新教學內容.

在CDIO理念下，為了突出學生的主體地位、教師的主導地位，教師在教學中要發揮正確的引導作用，要有計劃有步驟地將CDIO思想貫穿于整個教學過程之中.因此，將“運動控制系統”課程教學過程分成四個部分:課堂講授、個人作業、小組項目、個人項目.

1) 課堂講授.在課堂教學中，首先以教師主講形式進行，回顧基礎知識點、提領重點、提出問題、進行仿真分析、進行章節總結等，然后讓學生來主講，根據學生自己的理解，針對關鍵問題，回顧所學內容，對學習過的內容進行敘述，交流自己掌握的知識及學習體會.教師在聽取學生說課和回答問題的過程中，可以摸清學生對知識點的理解和掌握程度，對其中的錯誤概念和理解及時給予指導、糾正.

2) 個人作業.針對直流調速和交流調速的內容，按照教學知識順序和知識的鏈接性，設計個人作業題目，如直流電機開環調速系統，直流單閉環調速系統，轉速、電流雙閉環直流調速系統等.每次作業都是下一次作業的基礎，使學生認識到從產品到開發的連續性，不斷建立工程理念.學生個人作業主要是課外研究的內容，以調動其學習的主觀能動性和創造性等.

3) 小組項目.小組項目強調團隊協作意識、人際關系處理能力和綜合創新能力.教學過程中，在學完一些典型調速系統后，就給學生布置一些綜合性較強的主題，讓學生根據自己的興趣及能力自主選擇主題，然后自由組成小組.每組學生自己分解任務、安排進度，各盡所能地完成收集主題資料、設計方案、畫出電路圖或結構圖等任務，同時，還要與項目組的其他成員相互交流.到學期末，各小組進行整合，相互答辯，并在實驗室測試驗收，形成一個完整的產品.通過小組項目，不斷強化學生團隊價值觀、以產品為導向的學習習慣等CDIO的核心思想[9-10].

4) 個人項目.此項目主要針對理論知識掌握較好，知識接受能力極強的學生，在小組項目的基礎上，綜合應用所學專業知識，并能應用較新的專業技術對項目內容進行拓展，提升學生的工程實踐能力，鍛煉學生的創新能力.

2 CDIO理念下的教學項目模塊設計

最早的項目教學法是由德國聯邦職教所在2003年7月制定的，該方法以行動為導向，使項目成為學生學習的基本載體，將理論和實踐較好地結合在一起，對學生的專業知識、操作技能與職業能力的培養起到了較大作用[10].然而，我國目前對項目教學法的認識還存在一些誤區，使項目學習實際變為一種案例操作，注重技能訓練的熟練程度，雖然對職業能力的培養起到了一定的作用，但與教育部所提倡的可持續發展能力的要求相比，忽視了一個完整項目的工作過程，使學生主動完成任務與做成事的能力得不到發展，而它是“做中學”和“基于項目教育和學習”的集中概括和抽象表達，它以工程項目從研發到運行的生命周期為載體，使學生通過主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程，養成現代工程技術的職業素養.

基于對項目教學的反思和CDIO的認識，在“運動控制系統”課程中設計了典型調速系統的項目教學模塊，比如有靜差轉速單閉環直流調速系統、無靜差單閉環直流調速系統、轉速電流雙閉環直流調速系統、PWM直流調速系統，交流調壓調速系統、串級調速系統、異步電動機變壓變頻調速系統，單片機控制的數字直流單閉環和雙閉環調速系統等[6-8].從轉速單閉環直流調速系統開始，讓學生把硬件系統拆分，從調速需要的直流電源、轉速控制器、直流電機、發電機測速等環節逐步熟悉其硬件特性，在熟悉和掌握其基本原理后，再動手連接成一個完整的單閉環控制系統，對系統的閉環調速性能進行調試、分析、總結，在此過程中，對出現的調速問題要求學生自己動手解決，教師只是及時給予一些理論指導.在完成單閉環直流調速系統的項目訓練后，逐步讓學生熟悉更復雜的調速系統.

3 CDIO理念下的實踐環節教學方式

“運動控制系統”的實踐教學環節有實驗、課程設計和實訓等.傳統的實踐教學環節都是以硬件設備為主.由于該課程屬于強電實踐環節，對學生來說，有一定的人身安全隱患.另外，在教學中發現大多數學生對怎樣正確接線、怎樣調節參數、怎樣分析實測得到的數據、怎樣評判調速系統的性能等問題十分茫然.針對這種情況，結合目前計算機技術的發展，在該課程的教學中引入計算機仿真技術，為應用系統的研究提供強大的工具[1].目前,在運動控制系統中引入MATLAB/Simulink仿真技術已在教學中廣泛應用[8].通過仿真，學生可以對各模塊性能、電路連接情況有所了解并直觀地看到仿真結果，通過對仿真參數進行調整，可以使學生了解參數變化對系統性能的影響，在硬件實驗之前就能對系統電路有一定程度的了解，盡可能地避免因不熟悉實驗線路而導致的實驗設備的損壞和人身危險等情況的發生，同時大大減少實驗室工作人員的維護工作量，減少設備維修費用.在教學中設計典型調速系統的仿真模型，并同時使用GUI技術設計可視化的界面，操作方便、直觀.通過GUI界面，學生可以進入教師指定的實驗項目，鏈接Simulink仿真環境并打開實驗項目的仿真模型，設置和調整仿真參數，進行仿真試驗，或者任意進入感興趣的實驗項目，同時鏈接打開仿真實驗指導書和硬件實驗指導書，進行自學.同時，仿真實驗平臺還提供了對應實驗項目的仿真實例，學生可以通過仿真實驗結果進行比較分析，主動發現實驗中存在的問題，鍛煉獨立思考問題、分析問題的能力.

在熟悉仿真模型的建立過程、分析過程和仿真結果后，再讓學生進入模擬實驗室連接實際的電路.由于學生已經通過仿真對控制系統的組成結構和調速方法有了直觀的認識和理解，所以在電路連接、參數設置、調速性能等方面都有了一定的基礎，不容易出錯.同時以仿真數據為依據，學生可以自己查找一些故障，調整系統參數，最終實現硬件系統的調速過程.

除了正常的實踐教學環節外，這種仿真和模擬實驗相結合的一體化教學方式也可以進一步應用到學生的畢業設計環節.這種方式使得學生在課程學習過程中真正具有工程環境學習的意識，進一步促進學生現代工程意識的培養.

4 CDIO理念下的課程考核與評價

傳統的“運動控制系統”課程考核包括期末考試、期中考試、實驗和課堂作業四個部分，比例分配是60%∶20%∶15%∶5%.而在CDIO模式下，則是根據課程教學的四個部分:課堂講授、個人作業、小組項目、個人項目分別進行測試，然后再考慮權重加權求和，給出課程的綜合評價.將考核方式在課堂上公布后，讓學生提意見，然后再根據學生的意見進行適當調整，盡可能使考核公平、公正、靈活.其中，課程講授的理論部分仍然采用傳統的筆試測試，課堂作業根據學生完成情況打分;而個人作業要根據學生完成過程中體現出來的知識內容連續性、創新性和執行情況、完成情況等進行評判;小組項目則要根據學生的自我評價、同伴評價、口頭測試、自己負責部分的完成情況及整個產品的完成情況等綜合評價;個人項目則主要根據學生的設計方案、獨立分析能力、獨立解決問題能力、完成項目測試、獨立發表的研究論文情況等方面評價.另外，授課教師根據學生考核評價的反饋結果，再及時調整課程的教學內容，改進教學方法和教學手段.

5 結 論

根據“運動控制系統”課程的特點，在教學中引入CDIO教育理念以突出其工程應用背景.從課程的教學內容組織手段、教學項目模塊設計、實踐教學環節和課程的評價方法等幾個方面進行探討，為“運動控制系統”課程的建設和發展提供了新的途徑，同時對于提高課程教學質量和教學效果，培養學生的綜合實踐與創新能力，培養學生的現代工程意識均有積極意義.另外，CDIO的工程教育模式符合了當前高等教育改革的趨勢，隨著CDIO工程教育模式在國內的提倡和推廣，越來越多的高校教師已接受了CDIO理念，特別是高職院校的教師，自覺積累實際工程經驗，積極參與基于CDIO模式的教學建設.而且，由于“運動控制系統”是電力電子專業方向和自動化專業的必修課程，是一門把理論基礎和工具應用到工程實踐中去的典范課程，因此對該課程的CDIO教學模式的研究和探討不論是現在還是將來，都是需要關注的一個重要研究課題.

[1] 尚麗. 運動控制系統課程建設及發展構想[J]. 蘇州市職業大學學報,2007,18(4):96-98.

[2] 顧學雍. 聯結理論與實踐的CDIO—清華大學創新性工程教育的探索[J]. 高等工程教育研究,2009 (1):11-23.

[3] 查建中. 論“做中學”戰略下的CDIO模式[J]. 高等工程教育研究,2008(3):1-9.

[4] 高雪梅,孫子文,紀志成,等. CDIO方法與我國高等工程教育改革[J]. 江蘇高教,2008(5):69-71.

[5] 陶勇芳,商存慧. CDIO大綱對高等工科教育創新的啟示[J]. 中國高教研究,2006(11):81-83.

[6] 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[J]. 中國現代教育裝備,2008(7):78-79.

[7] 周亞麗. “運動控制系統”課程改革與實踐[J]. 科技信息,2007(5):113,108.

[8] 沈艷霞,趙芝璞,紀志成,等．Matlab/Simulink在運動控制系統教學中的應用[J]. 貴州大學學報:自然科學版,2005,22(4):435-438．

[9] 潘庭龍,沈艷霞. CDIO模式下“運動控制系統”課程教學體系研究[J]. 中國電力教育,2009(24):129-130.

[10] 張興強. CDIO高等工程教育模式的研究與應用[J]. 中國科技信息,2008(23):55-56.

(責任編輯: 時 新)

Teaching Innovation and Practice of Motion Control System Based on CDIO Concept

SHANG Li
(Department of Electronic Information Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China)

G642.0

A

1008-5475(2011)01-0061-04

2010-09-14;

2010-10-19

江蘇省青藍工程資助項目;蘇州市職業大學教改研究資助項目(SZDG4-09024)

尚 麗(1972－),女,安徽碭山人,副教授,高級工程師,博士,主要從事數字圖像處理、人工神經網絡和模式識別研究.