新工科背景下《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)內(nèi)容改革探索

劉圣波 吳健 胡雪楊 趙燕東

摘? 要：結(jié)合新工科對(duì)學(xué)生能力的要求，本文探索了“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法的改革，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上將Matlab環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)仿真，通過將現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，降低驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)所占比重，加大設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)比例，強(qiáng)化創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，嘗試新的教學(xué)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在新工科背景下的“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容改革探索對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)與實(shí)踐能力具有重要作用。

關(guān)鍵詞：新工科? 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)? 仿真實(shí)驗(yàn)? 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G420? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）10（c）-0211-03

Abstract： Combining with the requirements of the new engineering for students' abilities， this paper discusses the reform of the "motion control system" experimental teaching content and teaching methods. On the basis of traditional experiments， the motion simulation in the Matlab environment is combined by combining the existing experiments with the simulation experiments. To reduce the proportion of verification experiments， increase the proportion of design experiments， strengthen innovative experiments， and try new teaching methods. The experimental results show that under the new engineering background， the reform of the teaching content of the "Motion Control System Experiment" plays an important role in cultivating students' innovative literacy and practical ability.

Key Words： New engineering course; Motion control system Enperiment; Simulation experiment; Reform in education

2017年，教育部發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，并啟動(dòng)“新工科研究與實(shí)踐”項(xiàng)目。在國家推進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展大背景下，“中國制造2025”、“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”等重大戰(zhàn)略以及部署，推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，這都要求工科人才具備更高的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，加快新工科建設(shè)，助力經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)和自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)必修課。課程綜合了《電力電子技術(shù)》《電機(jī)學(xué)》《自動(dòng)控制原理》《模擬電子技術(shù)》《數(shù)字電子技術(shù)》等多學(xué)科的知識(shí)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和實(shí)用性。北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)》原有8學(xué)時(shí)，教授對(duì)象為自動(dòng)化和電氣工程專業(yè)四年級(jí)學(xué)生。原有課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生遵循實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的操作，就可完成實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程機(jī)械呆板，部分學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理無法透徹理解，與工程實(shí)際嚴(yán)重脫節(jié)，甚至有的學(xué)生認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)就是插線拔線，不符合“新工科”的要求。本課程學(xué)習(xí)需要深入理論分析，了解運(yùn)動(dòng)控制的工程實(shí)際問題，結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作和計(jì)算機(jī)仿真，提升分析和解決工程實(shí)際問題的能力。鑒于此，學(xué)院組織相關(guān)教師從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)方法改進(jìn)兩方面著手，形成適應(yīng)新工科發(fā)展需要的實(shí)踐教學(xué)模式。

1? 《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)內(nèi)容的改革

實(shí)驗(yàn)操作是《運(yùn)控控制系統(tǒng)》課程教學(xué)環(huán)節(jié)中非常重要的一部分。改革前《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要配合理論課程，使用DJDK-1型電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1。

隨著教育部課程改革工作的推進(jìn)及“新工科”專業(yè)建設(shè)的深入要求，各高校都不斷加強(qiáng)實(shí)踐類課程建設(shè)。以工程教育認(rèn)證為基準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)得到了擴(kuò)充，從原先8個(gè)學(xué)時(shí)拓展到了16個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課程從理論課程中獨(dú)立出來，這就對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了更高的要求。

調(diào)研最新技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)與雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)逐漸被引入PWM數(shù)字控制器的調(diào)速控制系統(tǒng)取代。在《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)中，適當(dāng)增加當(dāng)下技術(shù)內(nèi)容，對(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行擴(kuò)充，不僅能夠幫助學(xué)生更好了解技術(shù)走向，還能加深學(xué)生對(duì)專業(yè)的全面認(rèn)識(shí)。

同時(shí)，結(jié)合EDA仿真技術(shù)，將Matlab設(shè)計(jì)仿真融入課程中來，是現(xiàn)今《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》教學(xué)的趨勢。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求學(xué)生自主選題、自行整定進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真，以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力為重點(diǎn)，注重激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維。

綜上改革要求，內(nèi)容改革后的課程增加安排學(xué)時(shí)。

2? 《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)方法改革

2.1 有機(jī)結(jié)合“仿”與“實(shí)”

原來實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生2～3人為一組，依照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作過程以模塊和模塊之間接線為主，單純的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)限制了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，學(xué)生往往重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程，不能與理論知識(shí)聯(lián)系起來。

為了提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，讓學(xué)生在實(shí)操中能做到既能“動(dòng)手”更能“動(dòng)腦”，實(shí)踐教學(xué)過程中突出強(qiáng)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制仿真與實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合。仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要本著“以學(xué)生為中心”原則，著重鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，在理論課與實(shí)驗(yàn)課的基礎(chǔ)上自主選題。課程對(duì)應(yīng)的《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》理論課也做出相應(yīng)的調(diào)整，增加了仿真部分的講解內(nèi)容（見圖1）。

實(shí)驗(yàn)前期通過較少的學(xué)時(shí)（1～2學(xué)時(shí)）進(jìn)行基本工具（Matlab）的集中講解，后期主要由學(xué)生自己進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，學(xué)生可以擴(kuò)展基本控制電路。課后學(xué)生可以隨時(shí)開展仿真實(shí)驗(yàn)操作學(xué)習(xí)，通過資料查閱，仿真感興趣的運(yùn)動(dòng)測試等環(huán)節(jié)，并且在課上具備實(shí)驗(yàn)條件的，可以在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建（見表2）。

實(shí)驗(yàn)的部分可以分為3個(gè)階段（見表3）。

通過此教學(xué)方法實(shí)踐，學(xué)生能夠?qū)碚撚懈玫睦斫猓梢园凑展こ虒?shí)際設(shè)計(jì)自主設(shè)計(jì)，并能充分參與到具體項(xiàng)目的全部過程：包括選題、立項(xiàng)以及分析，同時(shí)也為學(xué)生日后的工作和科研實(shí)踐提供了扎實(shí)的技能基礎(chǔ)。

2.2 有機(jī)結(jié)合“新”與“舊”

“新工科”理念推出以來，一直都是工程教育的研究熱點(diǎn)，其主要研究內(nèi)容可被歸納為五個(gè)“新”：工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容往往都是課程中最為關(guān)鍵的理論驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)得出與課本理論一致的結(jié)論，雖為“舊”知識(shí)，但缺少與當(dāng)今最新技術(shù)成果的銜接。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有機(jī)地將這個(gè)“新”與“舊”結(jié)合起來，經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)控制理論賦予新時(shí)代意義。例如：在實(shí)驗(yàn)教學(xué)會(huì)講解電機(jī)反向制動(dòng)原理，分析新能源汽車中的E檔以及D檔的關(guān)聯(lián)關(guān)系。以新入手，鞏固舊知識(shí)，可以大大提高學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)積極性和對(duì)理論知識(shí)的消化。

3? 結(jié)語

本文在通過優(yōu)化《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，運(yùn)用Matlab平臺(tái)下仿真手段，在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)等相關(guān)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力。實(shí)踐教學(xué)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容和教學(xué)方法的改革使得理論教學(xué)與實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)一步緊密結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生思維創(chuàng)新能力，跟上了新時(shí)代發(fā)展需求，符合社會(huì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求，為學(xué)生未來工作和科研深造提供了鍛煉機(jī)會(huì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 周海銀.高等教育如何適應(yīng)“中國制造2025”[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)：人文社會(huì)科學(xué)版，2015（4）：119.

[2] 焦靈俠.《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》教學(xué)改革的研究[J].電子測試，2019（16）：117-118.

[3] 林健.深入扎實(shí)推進(jìn)新工科建設(shè)——新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的組織和實(shí)施[J].高等工程教育研究，2017（5）：18-31.

[4] 倪镕升.中職學(xué)校機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)課程教學(xué)改革[D].長春：長春師范大學(xué)，2019.

[5] 曾梅.中職電工電子技術(shù)課程改革研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2017.

[6] 孫金萍，劉軍芳.《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)改革探索[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2020，20（2）：123-125.