“機(jī)電傳動(dòng)控制”課程的研究型教學(xué)模式

吳 濤，尹志宏

(昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明650093)

0 引 言

“機(jī)電傳動(dòng)控制”是機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課。它主要是研究解決與生產(chǎn)機(jī)械的電氣傳動(dòng)控制有關(guān)的問(wèn)題，介紹常用的各種不同類型的電機(jī)及其控制系統(tǒng)等?！皺C(jī)電傳動(dòng)控制”課程是電工電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和機(jī)械傳動(dòng)的有機(jī)結(jié)合體，是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。

美國(guó)卡耐基教育促進(jìn)會(huì)于1998 年發(fā)表的《重構(gòu)大學(xué)本科教育—美國(guó)研究型大學(xué)藍(lán)圖》中較系統(tǒng)地闡述了一種新的教學(xué)模式—基于研究的教學(xué)模式［1］。這份著名的報(bào)告指出，研究型大學(xué)應(yīng)充分利用其科研優(yōu)勢(shì)，吸收本科生參與科研，努力建立以研究為基礎(chǔ)的教學(xué)模式。研究型教學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為，學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程與科學(xué)家的研究過(guò)程在本質(zhì)上是一致的。所以研究型教學(xué)倡導(dǎo)以教學(xué)和研究相結(jié)合為基本原則，以提高學(xué)生綜合素質(zhì)和自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力為宗旨，以逐步培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為重點(diǎn)的教學(xué)活動(dòng)過(guò)程，在教學(xué)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)教師的主導(dǎo)地位和學(xué)生的主體地位，在教學(xué)過(guò)程中達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的目的［2］。目前，研究型教學(xué)已成為國(guó)內(nèi)外高校課程改革的熱點(diǎn)，研究型教學(xué)在世界范圍內(nèi)得到廣泛的推廣和實(shí)施。我們依托昆明理工大學(xué)的機(jī)械工程國(guó)家特色專業(yè)平臺(tái)，以本校機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的本科生為授課對(duì)象，對(duì)“機(jī)電傳動(dòng)控制”課程的研究型教學(xué)進(jìn)行了探索，提出了一些創(chuàng)新手段，總結(jié)了一些成功經(jīng)驗(yàn)。以下介紹“機(jī)電傳動(dòng)控制”研究型教學(xué)模式的探索實(shí)踐情況。

1 “機(jī)電傳動(dòng)控制”課程開(kāi)展研究型教學(xué)的方案與學(xué)習(xí)方法

“機(jī)電傳動(dòng)控制”是一門(mén)綜合性課程，所涉及的知識(shí)面較廣、學(xué)習(xí)起點(diǎn)較高，難度較大，學(xué)生要在學(xué)完前期先修課程“電工電子學(xué)”、“控制工程基礎(chǔ)”、“微機(jī)原理”等課程的基礎(chǔ)上，才能較好地掌握“機(jī)電傳動(dòng)控制”所要求的內(nèi)容。我們首先根據(jù)課程要求和學(xué)時(shí)安排，制定適合于研究型教學(xué)的教學(xué)大綱。以研究問(wèn)題為線索，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)踐性環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)［3］。同時(shí)將Matlab、Proteus、Keil c、Protel、LabVIEW等軟件融入到機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用中。我們擬定的在“機(jī)電傳動(dòng)控制”課程教學(xué)中采用研究型教學(xué)的教學(xué)方案如圖1 所示。

圖1 “機(jī)電傳動(dòng)控制”開(kāi)展研究型教學(xué)的教學(xué)方案

2 “機(jī)電傳動(dòng)控制”課程研究型教學(xué)的探討

2.1 應(yīng)用多媒體和實(shí)物教學(xué)手段

多媒體課件不僅要能夠簡(jiǎn)單明了地概括出各章節(jié)的知識(shí)要點(diǎn)，還能大量應(yīng)用現(xiàn)代教育資源，將電機(jī)及控制發(fā)展的新技術(shù)、新應(yīng)用以及具有代表性的視頻等搬進(jìn)課堂，創(chuàng)造出一個(gè)圖文并茂、有聲有色、生動(dòng)逼真的教學(xué)環(huán)境。為了制作好優(yōu)質(zhì)課件，我們到電機(jī)廠實(shí)地拍攝了電機(jī)制造的整個(gè)生產(chǎn)工藝流程，將實(shí)際電機(jī)制造裝配的視頻利用多媒體資源呈現(xiàn)在課堂上，使學(xué)生對(duì)電機(jī)制造抽象的想象變成了直觀的場(chǎng)景，熟悉了完整的電機(jī)制造裝配過(guò)程。對(duì)于Matlab、Proteus、Keil c、Protel、LabVIEW 等軟件的使用僅采用多媒體課件講授是不夠的，我們將這些軟件的編程環(huán)境、程序編寫(xiě)和流程調(diào)試進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示，使學(xué)生直觀了解如何從工程上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過(guò)程。同時(shí)我們將單片機(jī)的開(kāi)發(fā)板帶到課堂上，現(xiàn)場(chǎng)演示直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程。授課時(shí)教師要激發(fā)學(xué)生的求知欲，教師應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，了解本學(xué)科發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，并把它傳授給學(xué)生，只有這樣才能激發(fā)學(xué)生的求知欲，真正把課教好。如在介紹電機(jī)中，用高速磁懸浮列車的例子結(jié)合磁懸浮電機(jī)進(jìn)行講解，從而大大提高了學(xué)生的興趣、求知欲。

2.2 研究問(wèn)題設(shè)計(jì)與提出

研究型教學(xué)認(rèn)為教育者應(yīng)激勵(lì)、引導(dǎo)學(xué)生去主動(dòng)開(kāi)展基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)，從中獲取基礎(chǔ)技能、專業(yè)技能和綜合技能，尤其是培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力［3］。相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)模式，研究型教學(xué)更能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，挑戰(zhàn)學(xué)生進(jìn)行更深層次的思考，促使學(xué)生將多學(xué)科的知識(shí)融會(huì)貫通。

研究型課程教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是提出好的研究問(wèn)題，研究問(wèn)題通常是課程教學(xué)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。以前上課過(guò)程中學(xué)生常常是被動(dòng)聽(tīng)講，大部分均依賴教師的授課，嚴(yán)重影響學(xué)生思考能力的培養(yǎng)。為此，首先我們?cè)诎才沤虒W(xué)進(jìn)度時(shí)，安排課堂討論，老師根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解可以適當(dāng)調(diào)整進(jìn)度。根據(jù)各章的特點(diǎn)、重點(diǎn)和難點(diǎn)提出研究問(wèn)題，組織學(xué)生進(jìn)行課堂討論，啟發(fā)思維，充分的調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)老師所講知識(shí)提出自己的看法。比如，講完交流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)電氣控制線路，我們可以問(wèn)學(xué)生:如何設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制線路?提問(wèn)有助于學(xué)生思考問(wèn)題，啟發(fā)思維。其次，采用團(tuán)隊(duì)合作學(xué)習(xí)，針對(duì)某個(gè)問(wèn)題，課堂提問(wèn)中如果某個(gè)學(xué)生回答不上，他可以申請(qǐng)“外援”幫助，共同探討解決問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)不僅可以用于課堂中充分調(diào)動(dòng)課堂氣氛，也可以用于課后復(fù)習(xí)和探討中。通過(guò)相互學(xué)習(xí)，有利于增進(jìn)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，取得共同進(jìn)步。第三，對(duì)學(xué)生回答問(wèn)題進(jìn)行合理點(diǎn)評(píng)，點(diǎn)評(píng)時(shí)，除了給出正確的解答思路外，應(yīng)當(dāng)對(duì)學(xué)生的互動(dòng)熱情與探討精神給予鼓勵(lì)和贊許。啟發(fā)思維的主要目的不僅在于學(xué)生觀點(diǎn)的正確與錯(cuò)誤，而在于其是否付出了思考、是否用心［4］。這樣可以保證提高教學(xué)質(zhì)量。

例如:我們?cè)谥v授步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一章時(shí)，首先我們分別拿了一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和一個(gè)普通的直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)物，讓同學(xué)們從外觀上進(jìn)行比較，提問(wèn)能否從外觀上比較區(qū)分它們?如果不能又該怎樣區(qū)分呢?這樣調(diào)動(dòng)了學(xué)生的好奇心。在看不出它們有何區(qū)別時(shí)，這時(shí)告訴同學(xué)只能從銘牌上面區(qū)分。課堂上我們介紹了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理，對(duì)于它的軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器的介紹，由于同學(xué)們已經(jīng)有了“先驗(yàn)知識(shí)”:“電工電子學(xué)”和“微機(jī)原理”，我們讓學(xué)生根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的真值表和“電工電子學(xué)”中所講授的JK 觸發(fā)器結(jié)合在一起自行設(shè)計(jì)硬件環(huán)分，再讓學(xué)生結(jié)合“微機(jī)原理”所學(xué)的編程技巧，編寫(xiě)軟件環(huán)分程序，這樣加強(qiáng)了同學(xué)對(duì)已學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用。課后我們要求學(xué)生查找步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型［5-7］，利用Matlab、Proteus［8］等仿真軟件進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)仿真，可以6 ～8 人自由組合進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作，嚴(yán)禁抄襲和拷貝，在上下一次課的時(shí)候，每組派一個(gè)代表上來(lái)演示，根據(jù)完成質(zhì)量合理評(píng)分。

2.3 實(shí)行課堂討論記分制，完善教學(xué)評(píng)價(jià)考核機(jī)制

在課堂上，對(duì)回答問(wèn)題以記分的形式來(lái)掌控課堂的氣氛與靈活性，回答問(wèn)題對(duì)的要加分，不對(duì)的，但確實(shí)也有一定道理的要適當(dāng)加分，用以鼓勵(lì)學(xué)生思考的積極性，對(duì)于不經(jīng)過(guò)思考的回答，要給予一定的減分及適當(dāng)批評(píng)。通過(guò)提問(wèn)，提醒學(xué)生哪些知識(shí)內(nèi)容是重點(diǎn)，是必須掌握的，通過(guò)學(xué)生的思考、討論加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握，同時(shí)也加強(qiáng)了學(xué)生思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。學(xué)生在課堂上認(rèn)真思考，積極的課堂氛圍就不難掌握了［9］。

以前，成績(jī)的評(píng)定由兩部分組成:期末考試(80%)+平時(shí)成績(jī)(20%)。這種評(píng)價(jià)把課程最后的考試作為整個(gè)課程評(píng)價(jià)的重點(diǎn)，忽略了學(xué)生學(xué)習(xí)和思考的過(guò)程，忽略了學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)與課堂學(xué)習(xí)部分，弱化了實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。然而“機(jī)電傳動(dòng)控制”是一門(mén)理論與實(shí)踐結(jié)合相當(dāng)緊密的課程，課程考試固然重要，但缺少對(duì)實(shí)際動(dòng)手與學(xué)習(xí)積極性的評(píng)價(jià)，考核結(jié)果不能反映學(xué)生的綜合能力。因此，對(duì)課程成績(jī)的評(píng)定修訂為期末考試(60%)+實(shí)驗(yàn)成績(jī)(10%)+課堂出勤與回答問(wèn)題(20%)+課程作業(yè)(10%)。

3 課程實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

研究型的實(shí)驗(yàn)題目往往是從科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐或?qū)嶒?yàn)室建設(shè)等項(xiàng)目中提煉出來(lái)的子課題或子系統(tǒng)。學(xué)生通過(guò)查閱資料、設(shè)計(jì)實(shí)施方案、組織實(shí)驗(yàn)、撰寫(xiě)總結(jié)報(bào)告等過(guò)程，獲取新的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，得到全面的鍛煉，從而培養(yǎng)從事科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)的素質(zhì)和能力。研究型實(shí)驗(yàn)伴隨了整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，是學(xué)生認(rèn)識(shí)、實(shí)踐和提高的過(guò)程。由于研究型實(shí)驗(yàn)涉及了很多新知識(shí)，要獨(dú)立完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)有一定的難度，所以我們對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組和選題，每組6 ～8 人，設(shè)立組長(zhǎng)。在此期間，任課教師輪流在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行答疑并與學(xué)生進(jìn)行交流。在最后一周安排一次課程進(jìn)行研究型教學(xué)總結(jié)，組長(zhǎng)總結(jié)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題、解決的方法和取得的成果。同時(shí)我們將實(shí)踐性環(huán)節(jié)劃分為3 個(gè)層次:

(1)基本實(shí)驗(yàn)。這其中包括仿真實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)Matlab［10-12］、LabVIEW 編寫(xiě)電機(jī)的仿真程序［13-15］，在電腦上模擬仿真結(jié)果。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)通過(guò)原有的實(shí)驗(yàn)箱，將利用匯編編寫(xiě)的程序?qū)雴纹瑱C(jī)中，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析是否一致。

(2)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。提出一個(gè)研究問(wèn)題，例如:直流電動(dòng)機(jī)的PID 控制，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，要求學(xué)生利用Proteus 設(shè)計(jì)仿真電路，用Keil c 語(yǔ)言編寫(xiě)程序并導(dǎo)入單片機(jī)，程序仿真調(diào)試通過(guò)后，再導(dǎo)入實(shí)際的單片機(jī)系統(tǒng)。

(3)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在熟練掌握上述能力的基礎(chǔ)上，可以自行提出新電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)利用Protel 軟件制板，生成印刷電路板，焊接上相關(guān)元件。

4 結(jié) 語(yǔ)

高等學(xué)校應(yīng)培養(yǎng)能夠更好地適應(yīng)新世紀(jì)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)需要的全面發(fā)展，且具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的“機(jī)電復(fù)合型”人才［16］。在教學(xué)中，我們始終堅(jiān)持“授人以魚(yú)”，不如“授人以漁”的理念，努力使學(xué)生從知識(shí)的接受者變?yōu)橹R(shí)的探究者。我們將研究型教學(xué)的教育理念應(yīng)用于“機(jī)電傳動(dòng)控制”課程的教學(xué)中，總結(jié)了以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn):①本文對(duì)研究型教學(xué)進(jìn)行了探討，在教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)形式、考核方式等方面都進(jìn)行了較為深入的嘗試。②實(shí)行靈活的課堂討論記分制的考核方式，目的是加強(qiáng)學(xué)生的課堂紀(jì)律、增強(qiáng)學(xué)生思考問(wèn)題的積極性、主動(dòng)性，加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，對(duì)科技發(fā)展的了解。③在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革上著重提高學(xué)生的動(dòng)手能力，分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。④以上教學(xué)改革在本校機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)2009 ～2012 屆學(xué)生中進(jìn)行試驗(yàn)，取得了較好的教學(xué)效果，改善了學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索意識(shí)。

［1］ 龔 新.基于研究型教學(xué)的高校本科教學(xué)管理研究［J］. 哈爾濱學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31(8):113-115.

［2］ 耿俊霞.試論大學(xué)研究型教學(xué)［J］.教育教學(xué)論壇，2010，20:21-23.

［3］ 孫成立，王希敏. DSP 技術(shù)課程研究型教學(xué)模式探索［J］. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(11):306-308.

［4］ 熊 新，馬如宏.《機(jī)電傳動(dòng)控制》教學(xué)方法探討［J］. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2009，8(7):194-195.

［5］ 段英宏，楊 碩. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的模糊PID 控制［J］. 計(jì)算機(jī)仿真，2006，23(2):290-293.

［6］ 李錫文，姜德美. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加速運(yùn)行控制研究［J］. 微電機(jī)，2007，40(10):45-47.

［7］ 趙顯紅，孫立功. 一種數(shù)字式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 微電機(jī)，2008，41(8):90-92.

［8］ 朱清慧，張鳳蕊. Proteus 教程［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2008:235-241.

［9］ 李海燕，趙汗青. 基于創(chuàng)新思維的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂改革［J］. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(11):309-311.

［10］ Wu T，Zhao L. Simulation of Vector Control Frequency Converter of Induction Motor Based on Matlab/Simulink［C］//Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation(ICMTMA2011)，265-268.

［11］ 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:175-182.

［12］ 潘曉晟，郝世勇. Matlab 電機(jī)仿真精華50 例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:66-78.

［13］ LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2005:250-252.

［14］ Wu T，Chi Y L. Simulation of FOC Vector Control of Induction Motor Based on LabVIEW［C］//2009 International Conference on Information Engineering and Computer Science (ICIECS2009)，2102-2104.

［15］ Wu T，F(xiàn)u K G. Simulation of the Control System of Step Motor Based on LabVIEW［J］. Advanced Materials Research，2011，225:1000-1003.

［16］ 鄧星鐘. 機(jī)電傳動(dòng)控制［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2007:1-3.