運動控制系統課程研究性教學方法的改革與探索

沈艷霞　紀志成

摘要 工程創新能力的培養是提升工程教育水平的重要手段。以運動控制系統課程為載體，分析該課程的特點，探索基于小班授課的創新人才培養的研究性教學模式，從課程的教學內容、教學組織形式及考核方式等方面進行了改革與實施，并取得了較好的教學效果。該模式對于激發學生的創新意識、提升學生的工程創新能力具有較好的推廣價值。

關鍵詞 工程創新 研究性教學 教學方法 運動控制系統

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.02.053

工程教育在我國高等教育中占有重要地位。我國工程教育的整體規模已經達到世界第一，工科專業點及工科在校生幾乎都占到了總數的三分之一。①創新高校人才培養機制，提升工科人才培養質量，對高等教育質量整體提升將起到舉足輕重的作用，也是黨的十八屆三中全會對高等教育改革發展提出的最直接、最明確的要求。教育部先后組織實施的“拔尖計劃”、 “卓越計劃”、科教結合協同育人行動計劃、試點學院改革等措施，②在創新人才培養機制方面進行了積極探索。

然而這些計劃的落腳點始終都離不開課程這個基本教育單元。在人才培養體系中，課程是完成教育任務，提升教育質量的最基本而又最重要的載體，③教育理念必須通過課程的規劃、實施得以落實。因此，本文以自動化、電氣工程及其自動化專業的核心專業課程——運動控制系統為例，探索并實施研究性教學方法，寓研于教，將先進的技術發展引入課堂，更新教學內容，改進教學組織形式，推進小班授課，開展多元化的教學方法，改革考核方式，切實推進教育創新，提高學生自主學習能力，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，從而激發其創新意識，促進學生知識、能力、素質全面協調發展。

1 運動控制系統課程介紹

運動控制系統是自動化和電氣工程及其自動化專業的專業核心課程。它是以電動機作為被控對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構，在自動控制原理的指導下組成的自動控制系統，主要介紹運動控制系統的概念、結構及原理，系統的分析與設計方法、新型控制器的設計思路、系統性能仿真手段以及工業變頻器的結構及控制原理等。

該課程綜合學生先修的自動控制原理、電力電子技術、電機及其拖動基礎、計算機控制系統等課程的知識與技能，直接面向工程應用，始終強調從提高系統性能的角度來分析、設計控制器，使學生從系統的角度培養學生綜合應用知識進行系統分析與綜合的能力，提高學生的工程創新能力。該課程綜合了學生大學中所學的專業知識與方法，是大學學習與工業界的結合點，因此它具有綜合性、系統性和工程性三大特點，可作為培養學生工程創新能力的典型載體。

2 課程改革措施

2.1 更新并拓展教學內容

為實現工程教育的目的，在教學內容上強調先進性、科學性和經典性相結合，除教學大綱中要求的直流調速、交流調速的基本原理、結構和方法外，注重結合教師的科研項目及企業界的最新需求，將反映本學科領域最新科技成果引入到課堂中。（1）在授課內容上增加提高運動控制系統系統性能的參數辨識技術、無速度傳感器技術及多電機協同控制技術、基于dSPACE平臺的半實物仿真技術等，以擴展學生的專業視野；（2）為滿足學生在學習過程中的不同需求，增加文獻檢索的知識介紹，補充對在國際專業刊物上刊登的最新研究成果的介紹與分析等，為學生推薦國外相關原版教材，引導學生充分利用學校的數字圖書館、網絡資源，體現了社會經濟發展對人才培養提出的新要求。（3）注重專業英語的提高，課堂上大量補充英文專業術語，安排學生利用課后時間閱讀發表在IEEE 的相關學術期刊上的論文，或者課堂布置課外學習內容，要求學生課余時間查閱并學習，如安排學生自學電力電子技術領域由美國著名學者K.M，Smedley提出的單周期控制英文原文，學習并仿真，然后開展課堂的討論，在提高學生英文資料的查閱能力的同時，提高了學生的自主學習意識，更加培養了學生在解決問題時的團隊合作意識。實際效果顯示，學生對內容的把握與理解遠遠超出預期。

2.2 采用多樣化的教學組織形式

依托學校的卓越課程建設，采用小班授課的方式，學生人數在30人左右，精煉課堂內容，突出重點，精講多練，增加課外學習訓練任務，為學生提供更多自主思考和探索的空間，學生課外訓練時間與課堂學習時間比例為2：1。課堂討論時間為課程總學時的30%，即21學時；加大課外輔導，課外輔導時數與課堂教學時數比例為1：1，課外輔導由研究生助教協助承擔。課程的教學過程主要采用課堂授課、課堂討論、仿真實驗、實踐教學及項目教學等組織形式。

（1）課堂授課：以理論講授為主，圍繞工程案例，將復雜的問題可視化、工程化，采用問題啟發式教學方法，力求遵循學生認知規律，利用生活中的常識，啟發學生，介紹所涉及的關鍵理論、技術，循序漸進，激發學生的探究興趣，力求理論闡述通俗易懂，幫助學生理解和消化抽象的理論。比如授課時用騎車帶人這一常見的生活現象，來比喻單閉環調速系統，沒有帶人則為空載運行，帶人后則為負載突增，此為若要維持原來速度，必須增加力氣（相當于增大電壓），這樣可把單閉環調速系統的工作原理、抗干擾特性通俗易懂的展現在學生面前，使得學生很快掌握并理解了閉環系統的相關原理及分析方法。

（2）討論式教學：根據教學需要及內容安排，確定討論主題，課程授課中共安排8個主題，有課內教學內容，如無靜差調速、制動過程分析等，也有課外的自學任務，如模糊控制器的設計、基于OCC的BUCK控制、基于最小二乘法的參數辨識技術等。圍繞這些主題，學生進行分組調研及課外學習。討論課上，采用啟發式、討論式、互動式等教學方法，通過小組合作、同學互動、教師引導的形式，突出學生的主體地位，將討論課堂交給學生，通過學生的PPT講解、互動討論、課堂提問等各種手段完成教學任務的討論，充分調動了學生自主學習的積極性，激發了創新性的思維。

（3）仿真實驗：采用仿真實驗與實踐實驗相結合的方式，仿真實驗利用專業仿真軟件如MATLAB，布置學生根據課堂內容進行相關控制器或控制系統的設計并進行仿真，如雙閉環調速系統的設計、雙閉環模糊控制器的設計與系統仿真、市場各大品牌變頻器主流的矢量控制和直接轉矩控制系統的仿真等，并分析控制器參數對系統性能的影響及在不同擾動的作用下性能的變化，提出改進措施，大大提高了學生應用計算機手段分析和解決專業問題的能力，促使其對從事科學研究的方法的認識。

（4）實踐教學：16學時的實驗室實踐教學將課堂知識、仿真分析付諸實踐，采用驗證型、設計型與綜合型實驗，對理論知識進行綜合應用，在實際系統中將大學中學習的專業理論抽象的概念形象化、具體化，加深了學生對調速系統特性的直觀了解和對理論的認識，在增加實踐經驗的同時，提升了學生在專業理論指導下綜合設計工程系統的能力與水平，培養了學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，從而激發其創新意識。

（5）項目式教學：在課程授課的同時，鼓勵學生參與相關課題研究、課外科技活動等創新活動，培養和提高學生的動手能力與創新能力。在課程起始，布置課外實踐項目的任務要求，學生根據課程內容自主選題，如學生所設計的項目有：具有自循跡功能的智能小車、智能窗簾的設計、簡易機械手臂的控制、直流電機調速體統等共8個項目。學生利用課余時間，依托物聯網工程學院的開放實驗室及大學生創新基地，通過分工合作、小組討論、項目開發，自主進行方案的構思、調研、開發與實施，學期末進行項目的答辯、演示與驗收，體驗科學研究的整個過程。充分調動了學生的積極性，營造了一個開放、協作、自主的學習氛圍和批判性的學習環境，在綜合運用知識的能力考核與創新能力的培養，以及從事科學研究的思路和精神的培養上都起到了積極有效的促進作用。

3 多元化的考核方式

對運動控制系統課程的考核，重在理論基礎的掌握、學習參與的主動性、實驗能力的體現和自主創新的思路與能力，并由此體現出的綜合運用專業理論分析和解決問題的能力。因此課程采取靈活多樣的課程考核方式，全面評價學生對知識的掌握程度和運用能力，考核內容主要包括課堂表現、課后作業、小組討論、實驗及操作、期末考試等環節。理論授課考核主要從學生出勤及課堂自律能力、按時按質獨立完成課后作業的情況等方面開展，討論課則強調課后調研的準備、課堂討論的組織及主動交流；仿真及實驗中考察學生實驗預習、實驗操作、實驗結果以及學生在實驗過程中展現出的創新能力；項目考核考察學生在接受項目后所設計方案的合理性，解決問題的方法的先進性以及從中所體現的學生的創新能力等；期末考試則重點考核學生對本課程基本理論、基本概念、基本方法和基本技術的學習理解和掌握情況等。采用學生互評，主講教師和助教考評等方式，進行綜合成績評定，對學生全面考核，使得考核結果更加公平、合理、有效。

4 結語

為促進工科學生工程創新能力的培養，提高學生培養質量，滿足社會發展需求，依托自動化、電氣工程及其自動化兩個專業的專業核心課程——運動控制系統，進行了研究性教學方法的改革與探索，通過創新教學模式、更新教學內容、改革教學方法、拓寬考核方式等措施的實施，在基本理論、分析解決問題能力、工程實踐、創新意識等方面對學生進行全面的培養，取得了較好的教學效果。學生不僅較好地掌握了課程的基本內容，并且對該課程所涉及的專業學科有了更加深刻的了解，尤其是對工業領域與專業知識的結合上有了新的感知，并對進一步深造學習有了明確的方向。據初步統計，班上有60%以上的同學希望在相關學科包括控制科學與工程、電氣工程及車輛工程等繼續學習和深造。

基金項目：2013年江蘇省高等教育教改立項研究課題（2013JSJG134）；2014年江南大學《運動控制系統》卓越課程建設項目資助

注釋

① 朱高峰.中國工程教育的現狀和展望[J].清華大學教育研究，2015.36（1）：13-20.

② 教育部高教司網站http：//www.moe.edu.cn/s78/A08/.

③ 林建.面向“卓越工程師”培養的課程體系和教學內容改革[J].高等工程教育研究，2011（5）：1-9.