新工科背景下“DSP數字控制技術”課程四位一體教學模式探索

陳榮 康偉 趙仁德

摘 ? ?要：“DSP數字控制技術”是電氣工程及其自動化專業的一門重要專業課，其課程內容多且分散、學時少，教學內容及方法難于把握和學生不重視等影響了教學效果與學生能力的提高。為了提高教學質量，提高學生的動手能力，培養 “新工科”人才，文章提出“課堂教學+編程實踐+實驗驗證+工程訓練”四位一體教學模式。教學實踐表明，四位一體教學模式可以有效改善教學質量，提升學生應用所學知識解決實際問題的能力，進而提高學生的專業素養。

關鍵詞：新工科;教學模式;DSP數字控制技術

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2019）09-0038-03

近年來，國內工科院校的教學改革工作如火如荼，特別是“教育部關于中央部門所屬高校深化教育教學改革的指導意見”的提出，明確到2020年，中央部門所屬高校人才培養中心地位和本科教學基礎地位得到進一步鞏固和加強，學科專業結構和人才培養類型結構更加適應國家和區域經濟社會發展需要，以支撐新工科背景下，創新驅動發展戰略和服務經濟社會發展導向[1-3]，使得各工科院校不斷推進教學改革，有效提高了人才培養質量，但也存在部分專業課程教學理念相對滯后，課程內容陳舊，教學方法單一，實踐教學比較薄弱的問題[4-5]。

數字信號處理器（Digital signal processor，簡稱DSP），與之相關的“DSP數字控制技術”是中國石油大學（華東）電氣工程及其自動化專業的一門重要專業課，是“電力電子技術”“電機學”和“電力拖動自動控制系統”等課程的后續課程，又是“風力發電技術”“太陽能發電技術”“微電網技術”和“柔性輸變電技術”等課程的先修課程。“DSP數字控制技術”的課程特點使得原有的“教師傳授模式”，以教材、教師和教室為中心，教師在教室講教材，學生在實驗室做實驗，已不能滿足新工科背景下，課程學時減少，重學生能力培養的要求[6-9];必須轉變已有“課堂教學+實驗驗證”的傳統教學模式，引入“課堂教學+編程實踐+實驗驗證+工程訓練”四位一體教學模式[10]，既有助于學生更好地掌握“DSP數字控制技術”基礎知識，“帶著問題學”又有利于學生將所學知識融會貫通，真正實現由“教會、會學”向“想學、享學”的轉變。

一、“DSP數字控制技術”教學現狀

相較于電氣工程及其自動化專業的其他專業課程，“DSP數字控制技術”有其獨特特點，比如內容多且松散、內容擴展性強和強調應用等，使得課程教學過程中會遇到諸多問題，解決不好將影響課程教學效果和學生能力的提升。

（一）課程內容多且分散，學時少

該課程包含DSP和數字控制兩部分內容，特別是DSP部分，主要包含以下內容：DSP的基本工作原理、系統時鐘及定時器、統一尋址的數據/程序存儲器、集成化開發環境、輸入/輸出端口、中斷系統、A/D變換器、PWM單元、正交編碼模塊和其他外擴接口等，其中A/D變換器、PWM單元和正交編碼模塊在電氣工程領域應用十分廣泛，需要作為重點內容進行講授;作為基礎的工作原理、系統時鐘及定時器、統一尋址的數據/程序存儲器、輸入/輸出端口和中斷系統等也需要進行講解。基于DSP的數字控制系統實現，尤其是系統控制算法的應用，需要結合具體電氣工程領域應用進行闡述。對電氣工程及其自動化專業的學生而言，該課程內容多且分散、學習內容難記;對講授該課程的教師而言，教學學時少且學生水平參差不齊，很難合理安排教學內容，重基礎輕應用，對電氣工程領域應用內容很少涉及，不利于學生所學知識的融會貫通。

（二）教師對課程內容與教學方法的把握不到位

課程教學內容多，學生的學習基礎不一樣，同時教學學時少，教學內容與規劃必須合理，這樣對教師提出了更高要求。整個課程體系，既要涉及先修課程的教學內容，比如“C語言”“微機原理”“電力電子技術”和“自動控制原理”等，又要涉及DSP的知識和數字控制內容，還要求學生將所學知識融會貫通，這些都要求教師能很好地把握教學內容及進度并設計合理可行的課程設計任務。一旦教師對先修課程講授內容掌握得不夠好，對課程教學內容安排及教學要求把握不到位，未能將本課程內容與前后課程內容融會貫通，不能將所學知識與專業應用有機結合，都將影響課程教學質量和學生學習效果。

（三）學生不夠重視

1.近幾年電氣工程及其自動化專業畢業生就業壓力較小，尤其是中國石油大學的電氣工程及其自動化專業畢業生，三分之一以上去了電業公司，同時其他行業對電氣工程及其自動化專業畢業生的需求也較大，只要能畢業就能找到不錯的工作，直接導致學生的學習積極性變差，上課睡覺、玩手機的現象時有發生，缺乏學習的動力。

2.部分課程的教學內容老化、各課程教學內容條塊分割，使得學生只知“所以然”，不知“如何用”，喪失了學習的動機。學習動力的欠缺和學習動機的喪失，更是直接影響了學生對課程知識的掌握水平。

二、“課堂教學+編程實踐+實驗驗證+工程訓練”四位一體教學模式的構建

針對“DSP數字控制技術”課程內容多且分散、教學課時較少、教學內容難于把握和學生重視度不夠的現狀，在教學過程中，教師必須把握教學大綱要求、理解教學目的，改變傳統的“教學內容老化、條塊分割”教學模式，結合學生情況和課程教學要求，優化教學內容，設計適合“教中學、實踐中學”的新教學方法，有的放矢，充分利用現有的教學學時，有效提高學生對該課程內容的掌握水平，提升電氣工程及其自動化專業學生理論聯系實際、解決實際問題的能力，推動學生由被動學習向主動學習的轉變。基于上述考慮，本文提出“課堂教學+編程實踐+實驗驗證+工程訓練”四位一體教學模式。

（一）任務驅動的模塊化內容教學

1.考慮到“DSP數字控制技術”課程課堂教學內容多且分散，易忘不易記，不利于學生對其掌握的實際，結合DSP功能模塊化、編程寄存器化的特點，發揮功能模塊寄存器操作便于標準化的優勢，講授DSP功能時，重點講授其中一種或幾種功能的實現過程，由點及面，快速擴展，真正實現教學內容的模塊化。

2.結合電氣技術及其自動化專業的三個培養方向

（電力拖動、電力系統和新能源）的需求，選擇四個典型的項目作為設計目標，由學生自主選擇完成其中的一個，分別是電流控制單相并網逆變器設計、電壓空間矢量控制三相逆變器程序設計、三相電網多功能（電壓、電流、功率等）參數測量儀設計和矢量控制高性能三相逆變器設計等，每個項目又可分解為若干小任務，課堂教學過程中穿插進行講解，再配合課下小組討論完善設計內容。在教學實施過程中，需實驗室提供基礎硬件，學生自行設計外圍電路，以提高學生的設計能力。

（二）重基礎和應用的編程實踐

任務驅動的模塊化內容教學部分，前文提出了四個典型項目，通過對項目設計任務的分析可知，涉及輸入輸出、系統時鐘、中斷控制、A/D變換、PWM變換、正交編碼等功能，故將上述內容作為教學的核心內容并設計相應的實驗內容，要求學生編寫相應的程序并設計驗證用硬件電路。在課堂講授、編程實踐和設計驗證用硬件電路過程中，學生可深入理解DSP的程序設計思路、外圍電路設計方法和實驗過程，進而提高學生理解知識、掌握知識和應用知識解決實際問題的能力。

（三）基于專業需求的實驗驗證

結合電氣工程及其自動化專業背景，前文提出的四個典型設計項目，從新能源[11]、電力拖動[12]和電力系統的應用角度，規劃設計內容，并提出設計要求。編程實踐部分主要完成基本功能，如輸入輸出、簡單A/D變換、單一PWM變換和頻率測量等，并未將相關內容與電氣行業應用有機結合，因而有必要將所學知識與電氣行業應用結合起來。實驗驗證部分，需將編程實踐部分的內容進行組合，功能重新設計。以電壓空間矢量控制三相逆變器程序設計為例，主要包含逆變器啟停控制、逆變器輸出控制、逆變器保護和逆變器人機接口等功能模塊，其中逆變器輸出控制又分為輸出頻率控制和PWM調制輸出兩部分，上述功能的實現，需要實時監測輸入端口和控制輸出端口狀態，實時測量逆變器輸入、輸出端電壓和電流，均是編程實踐部分功能的深入應用，在學時有限的情況下，需要學生選擇實現部分功能。

（四）新工科背景下的工程實踐

科技發展日新月異，新技術、新產業、新業態和新模式對電氣工程及其自動化專業人才的培養提出了更高要求，需要教師根據需要，對教學過程進行實時調整，以滿足“新工科”人才培養的需要。結合前文提出的四個設計目標，緊扣行業應用設計實踐環節，引導學生從硬件和軟件兩個角度，設計實現方案，優化設計方案，鼓勵學生借助軟件仿真、自行搭建控制電路或利用實驗室已有實驗平臺驗證設計方案的可行性，在“課堂教學+編程實踐+實驗驗證”的基礎上，完成應用背景下的工程訓練，使得學生可以從專業背景的角度審視所學知識，學會用所學知識解決實際問題，進而提高自身專業素養。

三、新能源綜合實踐環節

在前文提出的四個典型設計任務之一的“電流控制單相并網逆變器” 基礎上，“DSP數字控制技術”課程組教師，結合新能源發展趨勢，補充實驗內容，將其升格為必修環節，即新能源綜合實踐環節。與原有的實驗內容相比，（1）調整了DSP型號，將課程中講授的TMS320F28335調整為TMS320F28377S，選擇同系列的更新型號，以強化訓練學生學習新知識的能力;（2）從太陽能光伏并網發電的角度，利用實驗室現有條件，引導學生模擬太陽能發電場景，提高學生解決問題的能力，培養解決問題的“工程思維”。光伏并網發電模擬裝置結構框圖如圖1所示，主要由光伏電池模擬環節、并網逆變器（DC/AC）、并網模擬環節和控制環節等四部分組成。（1）光伏電池模擬環節，通過實時采集可編程直流電源的輸出電壓和電流，編寫程序實時控制可編程直流電源輸出，從而模擬太陽能電池陣列的輸出特性[13];（2）并網模擬環節，主要模擬電網變換，利用LC濾波環節，濾除并網逆變器（DC/AC）輸出的高頻干擾，確保流過負載電流按照電網規律變化，并可根據負載變化進行控制;（3）控制環節以TMS320F28377S為控制核心，主要實現并網逆變器（DC/AC）輸入電壓、電流采集，電網電壓采集和負載電流、電壓采集，控制負載電流按照預期規律變化。

借助新能源綜合實踐環節，既可以提高學生對“DSP數字控制技術”課程相關知識的掌握水平，又可以將所學知識，如電壓、電流閉環控制和光伏發電最大功率跟蹤控制等相結合，實現所學知識的融會貫通;DSP數字控制技術的應用，承上啟下，從專業角度“帶著問題學”，實現由“教會、會學”向“想學、享學”的轉變，有利于學生專業素養的進一步提高。

“課堂教學+編程實踐+實驗驗證+工程訓練” 四位一體教學模式，是電氣工程及其自動化專業課程教學的一種嘗試，是在既有教學模式基礎上，結合當前發展趨勢，在學習目的、動機和方法方面的一種探索，其核心是從單純理論教學到項目驅動式教學的轉變，實現“被動學”到“主動學”的范式轉變。電氣工程及其自動化專業學生還處在打基礎階段，所以“課堂教學+編程實踐”可有效夯實基礎，而“實驗驗證+工程訓練”又可以完成專業技能訓練，克服理論教學脫離實踐的不足，在理論、實踐再理論、實踐的過程中，不斷提升學生的專業素養。

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