運動控制類課程群立體化實踐教學體系改革與實踐

林 健 汪木蘭 盛黨紅

南京工程學院 江蘇南京 211167

自動化專業(yè)培養(yǎng)內(nèi)容主要包括兩大方向，即運動控制與過程控制，因此運動控制類課程群是自動化專業(yè)核心課程群，包括電機與電力拖動基礎、自動控制原理、電力電子技術(shù)、控制系統(tǒng)Matlab仿真實習、單片機原理及應用和運動控制系統(tǒng)等專業(yè)主干課程，其實踐教學環(huán)節(jié)尤其重要，教學效果直接影響到學生能否建立最基本的工程素質(zhì)和技能，能否樹立專業(yè)意識和是否形成學習興趣[1]。而對于目前的運動控制類課程，學生的實踐能力培養(yǎng)是依附于理論教學的，實踐教學模式單一、被動，實踐資源難以獲得有效的開發(fā)與利用，學生也無法獲得系統(tǒng)的工程開發(fā)經(jīng)驗，主要表現(xiàn)在：

(1)理論課程之間缺乏聯(lián)系。課程設置延續(xù)基礎課、專業(yè)基礎課、專業(yè)課的三段式課程模式，缺少以培養(yǎng)學生應用能力為導向的模塊化整合。課程教學過程中忽視同系列課程之間和教師之間的承接與相互聯(lián)系，缺乏通過項目式的應用和開發(fā)案例講述知識點的教學方法。

(2)實踐環(huán)節(jié)之間缺乏聯(lián)系。運動控制類課程的實踐教學以課程為單位，實行的是“課程實驗→課程設計”的模式，只完成對某一特定課程知識的驗證和鞏固，各課程實踐環(huán)節(jié)之間缺乏聯(lián)系，缺少以相關(guān)能力為導向的綜合實踐能力環(huán)節(jié)，造成學生掌握知識零散，與工程實際偏離較大，實踐教學安排不能反映現(xiàn)代控制系統(tǒng)設計的系統(tǒng)化設計思想。在此模式下，學生雖然完成了每門課程的實踐任務，但是依舊難以建立起工程系統(tǒng)的概念，這對自動化專業(yè)的學生來說，是一個軟肋。

(3)理論課程與實踐環(huán)節(jié)之間缺乏聯(lián)系。課程理論教學與實踐教學脫節(jié)，理論課授課教師不參與實踐教學，實驗教師也不參與理論教學環(huán)節(jié)，造成學生無法將實驗內(nèi)容與理論知識聯(lián)系。以實驗為例，學生按照實驗指導書的步驟進行實驗，得到正確結(jié)果后即宣告實驗結(jié)束，關(guān)于實驗系統(tǒng)的原理、現(xiàn)象與理論知識點之間的聯(lián)系不予講授。實踐教學模式單一，教學手段及內(nèi)容陳舊，學生可參與的互動極少，對知識的被動接受導致學生創(chuàng)新能力受限。

(4)學生的工程素質(zhì)和技能不能得到有效培養(yǎng)和訓練。由于缺乏理論與實踐的關(guān)聯(lián)，學生頭腦中零散的知識無法系統(tǒng)化，最直接的例子就是學生不知如何選擇器件去搭建一個完整的運動控制系統(tǒng)，更不知道如何進行電磁兼容設計和成本控制。

1 立體化實踐教學體系的內(nèi)涵

立體化實踐教學模式，從“學以致用”人才培養(yǎng)理念出發(fā)，即以學生興趣和能力培養(yǎng)為核心，以課程群為教學單元組織實踐教學，實施以學生為主體，教師為引導的自主學習模式，建立多途徑、多層次的立體化實踐教學體系，其目標是在興趣中培養(yǎng)能力，同時配合教學目標對不同層次的學生進行立體化培養(yǎng)。為此，需要根據(jù)運動類課程的特點，整合課程資源，按照“應用性”原則，對傳統(tǒng)實踐教學內(nèi)容進行改造與創(chuàng)新[2]。

立體化實踐教學模式的出發(fā)點是師生互動，切入點是邊學邊做，落腳點是調(diào)動學生的學習積極性、創(chuàng)造性，尤為強調(diào)個性的發(fā)揮，強調(diào)不同層次學生的個性化教育，注重理論教學與實踐教學的相互滲透，遵循教育認知規(guī)律，構(gòu)建由低到高的遞進式教學層級，教學過程體現(xiàn)了實踐環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性、層次性、自主性、開放性等特點。

2 改革措施

為了克服當前運動控制類課程實踐教學分散的缺陷，在對原實踐教學體系分析研究的基礎上，我們將運動控制類課程群的教學內(nèi)容與體系進行立體化重組和改造，注重各種實踐教學環(huán)節(jié)的有機銜接、緊密配合，建立以提升實踐能力為核心，理論與實驗教學融合、虛擬與現(xiàn)實融合、課內(nèi)與課外融合的立體化實踐教學模式。同時建立從專業(yè)實驗室、實習基地到校企共建實驗室，從大學生創(chuàng)新實驗室到學科重點實驗室及功能配套齊全的立體化實踐教學平臺，形成完整、科學的實踐教學體系，實現(xiàn)大學生工程應用能力的立體化培養(yǎng)。

2.1 運動控制類課程群的構(gòu)建

我們打破傳統(tǒng)的課程體系，按照本專業(yè)現(xiàn)場工程師培養(yǎng)目標要求，有針對性地構(gòu)建模塊化的課程體系，提高學生在行業(yè)中的競爭力[3]。運動控制類課程群中的電機與電力拖動基礎屬于控制對象的范疇，自動控制原理屬于控制方法的范疇，電力電子技術(shù)和單片機原理及應用則屬于控制工具的范疇，這4門專業(yè)基礎課共同構(gòu)成運動控制的基礎。在此基礎上，控制系統(tǒng)Matlab仿真實習實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)的虛擬設計，運動控制系統(tǒng)則實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)的實際設計，這2門課綜合各專業(yè)基礎課程內(nèi)容并將其提升為系統(tǒng)化的應用。

為了構(gòu)建一個符合認知規(guī)律、具有層次的模塊化課程體系，我們采取了以下措施：首先，精簡各門課程中重復的內(nèi)容，如運動控制系統(tǒng)中電力電子器件內(nèi)容在電力電子技術(shù)中已有詳細介紹，通過重組可避免重復講授；自動控制原中關(guān)于運動控制系統(tǒng)仿真的內(nèi)容可在控制系統(tǒng)Matlab仿真實習中教授。其次，強化各專業(yè)基礎課程中與運動控制有關(guān)的知識點，如在電力電子技術(shù)中介紹PWM整流電路控制方法時可以舉直流電機PWM調(diào)速的實例，在自動控制原理課程中介紹自動控制系統(tǒng)設計方法時可以運動控制系統(tǒng)為例。優(yōu)化后的運動控制類課程群具有整體性、連續(xù)性，可有效解決各理論課程的銜接與綜合問題。

為了加強各課程實踐環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，在運動控制系統(tǒng)實驗中，開設涵蓋多課程內(nèi)容的設計性實驗，譬如直流電機PID速度控制實驗，綜合了自動控制原理與運動控制系統(tǒng)兩門課程的知識，學生可自行選擇實驗方法和步驟，選用儀器設備，提出實驗預案，完成參數(shù)選擇，經(jīng)教師同意后獨立操作完成。

2.2 理論與實驗教學融合

根據(jù)理論聯(lián)系實際的教學原則，將理論教學滲透到實踐教學中去，使學生在動手實驗中理解與接受理論，同時訓練技能，手腦并用，有利于對知識的理解與記憶，從而形成“實踐—理論—能力”的教學模式，是“學以致用”思想的體現(xiàn)。

對于理論與實踐并重的電機與電力拖動基礎、運動控制系統(tǒng)、電力電子技術(shù)等課程，將部分實踐性強的章節(jié)安排在相應的專業(yè)實驗室講授。學生先動手實踐，獲得一定的感性認識，再配合教師有計劃的引申教學，在興趣中消化理解抽象的理論知識。例如：運動控制系統(tǒng)課程無刷直流電機電子換向的教學可在無刷直流電機實驗裝置上開展，學生可在示波器上實時觀察到霍爾波形與控制信號，換向邏輯一目了然，同時可以直觀地掌握無刷直流電機的控制方法，在有限的課時中獲得技能與理論的雙豐收。

對于實踐性強的控制系統(tǒng)Matlab仿真實習課程可直接在實驗室教學，在理論講授的同時進行運動控制系統(tǒng)的仿真與驗證，學生通過直觀的實驗結(jié)果將理性知識快速強化。

2.3 虛擬與現(xiàn)實融合

如果學完所有運動控制課程后，馬上讓學生設計一個實際的運動控制系統(tǒng)，跳躍性太大，學生會因頻繁失誤而失去信心，此時，若采用“虛實結(jié)合”的方法讓學生掌握運動控制系統(tǒng)設計的流程和方法，則效果更好。

虛擬仿真在運動控制系統(tǒng)設計中有重要作用，它可使學生從枯燥的理論分析計算中解脫出來，形象直觀地認知系統(tǒng)中的抽象知識，同時仿真軟件提供了優(yōu)化設計的功能，可以觀察系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)變化對輸出的影響，培養(yǎng)學生有效利用仿真手段解決設計問題的能力[4,5]。但如果因此認為仿真技術(shù)可以代替實際設計，也是不可取的，學生要具備扎實的運動控制設計的經(jīng)驗和能力，仍需要實際設計與動手操作。因此，將仿真與實際操作相結(jié)合，能更有效地達到實踐教學的目標。

倒立擺實驗裝置為實現(xiàn)這一教學改革提供了很好的實驗平臺。學生通過虛擬的Matlab仿真實習掌握運動控制系統(tǒng)建模、設計與校正的一般方法，向工程實際靠近了一步。在此基礎上，將倒立擺控制與Matlab仿真軟件相結(jié)合(即虛實結(jié)合)，學生在Matlab環(huán)境中建立倒立擺運動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，然后設計控制系統(tǒng)各項參數(shù)，使其達到控制要求，經(jīng)仿真驗證成功的控制參數(shù)可直接下載到驅(qū)動器中控制倒立擺的平衡。學生在這種虛實結(jié)合的教學模式中，掌握各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，進一步學會運動控制系統(tǒng)的設計過程及分析方法，同時充分理解仿真在實際控制系統(tǒng)設計中的輔助與驗證作用，明白仿真成功與實際控制成功之間的聯(lián)系與區(qū)別，啟發(fā)學生多向思維和設計思路，激發(fā)學生的創(chuàng)造靈感和創(chuàng)新欲望。

2.4 課內(nèi)與課外融合

學生要真正掌握實際運動控制系統(tǒng)設計的要領和實際項目開發(fā)經(jīng)驗，僅靠課內(nèi)教學是遠遠不夠的，還需要課外大量“真刀實槍”的實踐。為了實現(xiàn)課內(nèi)與課外的融合，我們主要采取了三種途徑：

(1)充分利用大學生創(chuàng)新實驗室的開放和研發(fā)條件。我校自動化專業(yè)實驗室根據(jù)不同培養(yǎng)目標的特點制訂不同的開放模式。實驗室開放后，學生可以靈活地選擇實踐內(nèi)容和時間。實驗室為學生提供場地、實驗設備、經(jīng)費，授課教師圍繞課程主題精心設計課外創(chuàng)新項目，如電動自行車控制器、數(shù)控伺服控制器等，分析任務并給出完成該任務的思路、方法、步驟。設計任務在課程理論教學開始4周內(nèi)以項目的形式下達，學生在進行理論知識學習的同時，可以同步進行自己所選擇項目的方案規(guī)劃，同時有針對性地進行相關(guān)知識點的深入研究，然后借助Proteus仿真環(huán)境進行硬件設計和軟件編寫，并對其調(diào)試，在調(diào)試成功后，進行元器件的購買和電路板的制作，最終完成硬件與軟件系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。

(2)依靠運動控制技術(shù)重點實驗室的教師科研隊伍，建立優(yōu)秀生滾動選拔機制。優(yōu)秀生通過雙向選擇確定導師，制訂個性化培養(yǎng)計劃，進入導師科研項目組，在導師的指導下圍繞先進運動控制方向接受科研訓練，有目的、有方向、有計劃地開展創(chuàng)新實踐活動。由于依托學科優(yōu)勢，項目起點高，可以極大提高學生在運動控制系統(tǒng)軟硬件設計等方面的綜合能力。

(3)圍繞校企共建的各類先進運動控制實驗室，我們在運動控制類課程群中大量采用工業(yè)項目實例進行實踐教學。校工程實訓中心包含以下與運動控制相關(guān)的校企共建實驗室：Fanuc數(shù)控系統(tǒng)應用中心、三菱自動化實驗室、GE-Fanuc自動化系統(tǒng)集成實驗室、西門子自動化技術(shù)聯(lián)合示范實驗中心、博世力士樂機電一體化實驗中心等，我校充分利用這些世界一流公司的產(chǎn)品和技術(shù)開展項目教學、現(xiàn)場教學和案例教學，使學生在相關(guān)領域具有扎實的實踐能力與寬闊的視野。學生在共建實驗室集中培訓一段時間后，如果達到企業(yè)的認證要求，可以獲得企業(yè)不同層次的職業(yè)資格證書，提高了學生的就業(yè)競爭力。

3 改革成效

運動控制類課程群實踐教學體系運用立體化教學模式，突破了傳統(tǒng)單向死板的以知識傳授為主的教學模式，為學生提供了一個親自參與、形象直觀的交互環(huán)境，尊重學生的主體意識，為學生思考、探索和創(chuàng)造提供了巨大的空間。該教學法是以學生為中心，以學生自主活動為基礎，學生在活動和實踐中，變被動學習為主動且有創(chuàng)造性的學習，并能在學習中與他人相互協(xié)作。該教學法充分體現(xiàn)了在實踐中學習，在探索中學習，在協(xié)作中學習的人才培養(yǎng)目的。學生的運動控制實踐與創(chuàng)新能力得到大幅提高。

在近三年自動化專業(yè)省級與校級優(yōu)秀畢業(yè)設計作品中，運動控制類選題占2/3以上。同時，在各類機器人大賽中我校自動化專業(yè)學生頻頻獲獎。2011年，我校自動化專業(yè)學生獲得中國水中機器人大賽暨首屆水中機器人國際邀請賽一等獎1項；獲中國機器人大賽暨RoboCup公開賽一等獎1項，二等獎9項，三等獎5項；獲第五屆“三菱電機自動化杯”大學生自動化大賽暨自動化創(chuàng)新設計競賽特等獎1項。2012年，自動化專業(yè)學生獲得中國水中機器人大賽暨首屆水中機器人國際邀請賽一等獎1項，二等獎4項，三等獎4項；獲全國電老鼠走迷宮競賽華東賽區(qū)一等獎1項；獲第七屆飛思卡爾智能車大賽華東賽區(qū)二等獎1項，三等獎2項。

[1]陳躍東,郎朗.《電力拖動控制系統(tǒng)》教學改革研究與實踐[J].寧波大學學報,2010,32(3):98-101.

[2]周合兵,沈文淮.構(gòu)建全方位、多層次、立體化創(chuàng)新教育體系的實踐與探索[J].中國大學教學,2010(9):66-68.

[3]龍勝春,沈永增,何通能.高校電子信息專業(yè)特色課程群建設與探索[J].高等理科教育,2010(1):45-48.

[4]張敬南.“電力拖動自動控制系統(tǒng)”中的仿真教學[J].電氣電子教學學報,2010,32(4):110-112.

[5]錢曉耀,陳衛(wèi)民,蔡慧.“電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程教學改革探討[J].中國電力教育,2009(7):61-63.