《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程教學改革探索

毛玲　陳肯　劉敏　劉婷婷　聶菁

摘 要：基于《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程性質(zhì)和學生的學習現(xiàn)狀，為提高學生的學習興趣和積極性，提高教學質(zhì)量，落實立德樹人的根本任務(wù)，進行《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程教學改革探索。立足于專業(yè)知識點，充分挖掘其中的思政元素，探索各知識點的人文和應(yīng)用屬性，不僅可以拓展教學內(nèi)容的思政維度，還可以有效地提升學生的學習興趣和積極性。利用MATLAB軟件中的GUI 界面開發(fā)《電力拖動與控制系統(tǒng)》虛擬仿真平臺，將仿真演示融入到課堂教學中，比較直觀的講述控制理論，充分體現(xiàn)理論教學和實踐教學相結(jié)合的思想，讓學生一邊學習理論知識，一邊通過實踐進行鞏固，達到學以致用和提高教學質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：電力拖動與控制系統(tǒng) 思政 GUI 虛擬仿真

Exploration on Teaching Reform of "Electric Drive and Control System"

Mao Ling Chen Ken Liu Min Liu Tingting Nie Jing

Abstract：Based on the nature of the course "Electric Drive and Control System" and the learning status of students， in order to improve students' interest and enthusiasm in learning， improve the quality of teaching， and implement the fundamental task of morality and education， exploration on teaching reform of "Electric Drive and Control System" is carried out. Based on professional knowledge， political elements are fully explored， and the humanistic and applied attributes contained in each knowledge point are explored. While expanding the political dimensions of teaching content， it can effectively enhance students' interest and enthusiasm in learning. The GUI interface in MATLAB software is used to develop the virtual simulation platform of " Electric Drive and Control System "， simulation demonstration is integrated into classroom teaching， control theory is described more intuitively， the idea of combining theoretical teaching and practical teaching is fully reflected， and students can learn theoretical knowledge while consolidating it through practice， so as to achieve the purpose of applying what they have learned and improving the quality of teaching.

Key words：Electric Drive and Control System， political education， GUI， virtual simulation

1 引言

習近平總書記強調(diào)了要把立德樹人作為教育的根本任務(wù)，把思想政治教育貫穿教育教學全過程。這就要求專業(yè)課教師要在教學過程中融入思想政治教育的內(nèi)容，將馬克思主義思想價值觀貫穿到專業(yè)課教學的全過程和各個環(huán)節(jié)，這就是所謂的“課程思政”。[1]

《電力拖動與控制系統(tǒng)》是電氣類應(yīng)用型本科專業(yè)的專業(yè)核心課程，包含了很多的專業(yè)理論概念和復(fù)雜的公式，因此在傳統(tǒng)的教學過程中，專業(yè)課教師只針對理論知識進行講解，而忽略了該課程中的思想教育[1]。此外，該課程包含了電機學、電力電子學、電子技術(shù)基礎(chǔ)及自動控制原理等內(nèi)容，且各內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系連接非常緊密，傳統(tǒng)的教學方法是教師向?qū)W生單向灌輸理論知識，而忽視了學生的感受，使課堂氛圍不活躍，學生對課程不感興趣，對學習缺乏積極性，因此需要探索新的教學方式。[2]

立足于專業(yè)知識點，充分挖掘其中的思政元素，探索各知識點的人文和應(yīng)用屬性，不僅可以拓展教學內(nèi)容的思政維度，還可以有效地提升學生的學習興趣和積極性[2]。將MATLAB/SIMULINK的仿真演示融入到課堂教學中，比較直觀的講述控制理論，充分體現(xiàn)理論教學和實踐教學相結(jié)合的思想，讓學生邊學習理論知識，邊通過實踐進行鞏固，學以致用，提高教學質(zhì)量。而如何在《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程教學過程中合理地融入思政元素，融入仿真教學，就需要對《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程思政建設(shè)與仿真教學進行研究，找到一條適合電氣類應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的道路，為工科應(yīng)用類專業(yè)課程提供一定的實踐參考。[3]

2 《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程思政建設(shè)研究

基于《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程思政建設(shè)現(xiàn)狀，提出具體的《電力拖動與控制系統(tǒng)》思政建設(shè)方案，并對課程中所蘊含的一些思政元素進行挖掘。

2.1 課程思政建設(shè)現(xiàn)狀

一是部分專業(yè)課教師認為學生的思想政治教育應(yīng)該是思想政治課教師和輔導(dǎo)員的事情，自己僅需負責專業(yè)課知識的講授。他們認為如果在上課的過程中加入思政元素，會轉(zhuǎn)移學生的注意力，導(dǎo)致學生不能專心學習專業(yè)課知識。這些教師的潛意識里覺得學生學好本專業(yè)的知識才能找到好工作，才能有更好的發(fā)展，而思政內(nèi)容在思想政治課上會講，少講甚至不講沒關(guān)系。

二是目前還沒有《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程思政的一體化方案，教學大綱中只有知識和能力目標，沒有思政目標;章節(jié)內(nèi)容的思政元素沒有充分地挖掘出來;沒有專業(yè)知識與思政相結(jié)合的教學設(shè)計。這就需要專業(yè)課教師在長期的教學過程中進行探索和不斷改進。

三是由于部分教師在將專業(yè)知識與思政元素進行融合的時候比較生硬，導(dǎo)致學生沒有積極性。專業(yè)課的考核內(nèi)容仍然是專業(yè)知識，沒有思政方面的題目，導(dǎo)致學生認為思政聽不聽都無所謂，反正考試又不考，不聽也不會影響考試成績。因此，在進行《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程思政建設(shè)時，需要制定具體的評價方式，才能起到督促學生的作用。[3]

2.2 思政建設(shè)方案

《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程思政建設(shè)方案應(yīng)該包括教學大綱、素材整理、教學設(shè)計、課堂實踐、課后實驗、評價反饋、總結(jié)反思和推廣八個方面。

基于專業(yè)課課程思政的要求，明確《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程所隱藏的思政元素，制定科學可行的教學大綱，在教學目標中除了體現(xiàn)知識目標和能力目標之外，還要體現(xiàn)思政目標，在教學內(nèi)容中要找到各章節(jié)知識點所蘊含的思政元素;結(jié)合《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程的特點和優(yōu)勢，找到切入點，充分挖掘其中的思政元素，比如家國情懷、民族自信心、社會主義核心價值觀、節(jié)能環(huán)保和職業(yè)道德規(guī)范等;然后將思政元素巧妙的融入到課程教學過程中，形成具有特色的課程思政教學設(shè)計;建立健全的教學管理制度，不斷改進課堂教學的方式，加強思想政治教育在課堂教學中所起的作用;通過課后實驗去培養(yǎng)學生的團隊合作、探索精神、創(chuàng)新意識以及工匠精神等;建立合理的評價體系，課程評價體系中不僅僅只考核學生對專業(yè)知識的掌握情況，還要將“思政元素”作為一個考核點，通過課程思政綜合考核后，客觀地去評價學生綜合素質(zhì)的變化情況;最后通過總結(jié)和反思，相應(yīng)地去改善思政教學，最終達到預(yù)先制定的教學目標。

2.3 挖掘思政元素

進行課程思政時，通常圍繞價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授三位一體的課程建設(shè)目標，在課程內(nèi)容中探尋與社會主義價值觀、家國情懷、專業(yè)倫理、學習倫理、國際視野、創(chuàng)新思維、工匠精神和人文情懷等相關(guān)的德育元素，通過設(shè)計并運用典型的案例等教學素材，以“潤物細無聲”的方式將正確的價值追求和理想信念有效地輸送給學生。

教師在進行課程教學設(shè)計時，首先要準確把握專業(yè)對課程的科學精神、價值取向以及倫理規(guī)范的要求，才能將課程的價值性和思想性體現(xiàn)出來，在學習過程中潛移默化的去提高學生的政治覺悟、思想水平、道德素質(zhì)和文化素養(yǎng)，從而實現(xiàn)學生的全面發(fā)展。教師可以從課程的知識點、課程的研究方法、失敗的教訓(xùn)或者一些警示性的事件、與課程相關(guān)的社會熱點、學科發(fā)展史以及大師成長道路等方面去挖掘思政元素。

講授運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展過程時，指出電力電子變頻技術(shù)的發(fā)展成功解決了同步發(fā)電機啟動和失步困難兩大問題，從而培養(yǎng)學生的攻關(guān)意識以及創(chuàng)新意識，進一步激發(fā)學生的學習積極性。

在轉(zhuǎn)速開環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，結(jié)合晶閘管整流器-直流電動機系統(tǒng)的可逆運行，培養(yǎng)學生的逆向思維和觀察能力。結(jié)合穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標中調(diào)速范圍和靜差率的矛盾，教會學生任何事物都有兩面性，要善于從矛盾的兩個方面去分析問題和解決問題，找到一個合適的平衡點，工作生活亦是如此。

在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，結(jié)合比例和積分控制各自的優(yōu)缺點以及結(jié)合之后的優(yōu)勢，說明局部與整體的辯證關(guān)系，培養(yǎng)學生的人文素養(yǎng)。

在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，結(jié)合調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法中Ⅰ型系統(tǒng)和Ⅱ型系統(tǒng)的跟隨性能和抗擾性能，教學生要學會用辯證唯物主義的思想去認識事物。

在基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中，結(jié)合我國變頻器的發(fā)展，培養(yǎng)學生的民族自豪感，樹立學生的專業(yè)自信。[4]

3 《電力拖動與控制系統(tǒng)》仿真教學研究

基于當前實驗教學存在的問題，提出《電力拖動與控制系統(tǒng)》教學模式，并利用MATLAB軟件中的GUI 界面開發(fā)《電力拖動與控制系統(tǒng)》虛擬仿真平臺。

3.1 教學模式

由于《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程內(nèi)容主要是直流和交流電機的調(diào)速系統(tǒng)，實踐性較強，單純的理論講授無法滿足培養(yǎng)目標的要求，因此需要將理論教學和實驗教學相結(jié)合，通過實驗教學去驗證各種控制系統(tǒng)的性能與特點。而現(xiàn)在的實驗平臺集成度都很高，學生做實驗時按照實驗老師講的操作步驟就可以順利完成實驗，至于系統(tǒng)內(nèi)部的構(gòu)成以及一些參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響，學生可能不得而知，因此導(dǎo)致理論教學與實驗教學嚴重脫節(jié)，沒有達到預(yù)期的目標;并且在真實的實驗環(huán)境下，一些錯誤設(shè)計或者故障情況對控制系統(tǒng)性能的影響過程幾乎不能實現(xiàn)，而利用仿真軟件是可以實現(xiàn)的，有利于《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程教學。[5]

現(xiàn)提出理論教學—仿真教學—實驗教學三步走的教學模式，如圖1所示。在理論教學和實驗教學中加入仿真教學這一環(huán)節(jié)，學生學完理論知識后，通過仿真演示加深對理論知識的理解，快速掌握重要調(diào)速系統(tǒng)的建模方法，并對其進行更加深入的分析，驗證各種控制系統(tǒng)的性能與特點，為后續(xù)的實驗教學打好基礎(chǔ)。在實驗教學中，學生又可以將仿真與實驗進行比較，看看實際生活中的各調(diào)速系統(tǒng)是如何利用各元器件或模塊實現(xiàn)的，提高學生的動手能力。

3.2 仿真平臺開發(fā)

為了在課堂上實施仿真教學，需事先利用MATLAB仿真軟件搭建可視化虛擬仿真平臺。MATLAB仿真軟件包含圖形用戶界面環(huán)境，即GUIDE，它支持用戶進行可視化編輯，制作GUI界面。將Simulink仿真模型與GUI界面進行交互，則可以通過GUI界面去設(shè)置Simulink仿真模型中的參數(shù)，并調(diào)用其仿真結(jié)果。當需要修改仿真參數(shù)和查看仿真結(jié)果時，不需要每次都打開Simulink仿真模型去修改參數(shù)，也不需要重復(fù)運行仿真模型，可以直接在GUI界面中修改參數(shù)并觀察仿真結(jié)果。因此，使用GUI界面進行仿真時，操作簡單，界面清晰，仿真結(jié)果一目了然，可以簡化仿真時的操作流程，提高工作效率，使學生觀察起來更加直觀。

《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程中涉及到的仿真主要包括直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩大部分。其中，直流調(diào)速系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)速開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng);交流調(diào)速系統(tǒng)主要包括異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)、異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)、異步電動機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)以及異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)[6]。利用GUI界面，搭建《電力拖動與控制系統(tǒng)》虛擬仿真平臺主界面如圖2所示。

在《電力拖動與控制系統(tǒng)》虛擬仿真平臺主界面中選擇需要的仿真項目名稱，例如轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，進入相應(yīng)的虛擬仿真界面如圖3所示。設(shè)置給定信號、負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)以及電流調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后點擊運行即可看到仿真結(jié)果。如果仿真結(jié)果不理想，直接在GUI界面中修改相應(yīng)的參數(shù)然后再次運行即可，教師不需要重復(fù)打開模型修改參數(shù)。這就使得仿真教學更加直觀明了，還能節(jié)約時間，不需要占用過多的理論講授時間。

4 教學效果

通過對我校2019級電氣專業(yè)的學生進行試點研究，發(fā)現(xiàn)在《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程中融入思政建設(shè)與仿真教學之后，對學生的學習起到了正面推動的作用，產(chǎn)生了良好的教學效果，提高了教學質(zhì)量，具體影響如下：

（1）活躍了課堂氣氛，提升了學生的學習興趣和積極性;

（2）實現(xiàn)了理論教學與實踐教學的有機互融，加強了學生對理論知識的理解掌握，學以致用，深切體會到了所學知識的重要意義;

（3）在傳授專業(yè)知識的同時，還能引導(dǎo)學生多角度看問題、分析問題，培養(yǎng)學生自學能力，樹立正確價值觀、科學觀和世界觀。實現(xiàn)知識傳授、價值塑造和能力培養(yǎng)的多元統(tǒng)一，促進了學生的全面發(fā)展[2];

（4）學習成效顯著，學生評價良好。

5 總結(jié)

本文基于《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程性質(zhì)和學生的學習現(xiàn)狀，進行了《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程教學改革探索。首先進行了《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程思政建設(shè)研究，基于目前的思政建設(shè)現(xiàn)狀，提出了具體的《電力拖動與控制系統(tǒng)》思政建設(shè)方案，并對課程中所蘊含的一些思政元素進行了挖掘。然后進行了《電力拖動與控制系統(tǒng)》仿真教學研究，基于目前實驗教學存在的問題，提出了理論教學—仿真教學—實驗教學三步走的教學模式，并利用MATLAB軟件中的GUI 界面開發(fā)了《電力拖動與控制系統(tǒng)》虛擬仿真平臺。最后將研究內(nèi)容應(yīng)用于2019級電氣專業(yè)的學生，活躍了課堂氣氛，提升了學生的學習興趣和積極性，實現(xiàn)了理論教學與實踐教學的有機互融，促進了學生的全面發(fā)展，學習成效顯著，學生評價良好，提高了教學質(zhì)量。

參考文獻：

[1]張同莊，伍小杰，夏帥，胡明.《電力拖動自動控制系統(tǒng)》課程思政探索與實踐[J]. 教育現(xiàn)代化，2020，7（27）：57-60.

[2]韓慶玨，文韜，龔中良. 機電傳動控制課程教學內(nèi)容思政元素研究與探索——以《機電傳動系統(tǒng)動力學基礎(chǔ)》為例[J]. 農(nóng)業(yè)工程與裝備，2021，48（01）：46-48.

[3]付濤，石黃霞，徐磊. 電氣類應(yīng)用型本科核心課程發(fā)電廠電氣部分課程思政建設(shè)研究[J]. 教師，2019（29）：2.

[4]阮毅，楊影，陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng) [M]. 北京： 機械工業(yè)出版社，2016.

[5]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（04）： 110-112.

[6]吉月輝，岳有軍，劉俊杰，趙學文.“電力拖動自動控制系統(tǒng)”的虛擬仿真教學研究[J]. 科教導(dǎo)刊，2021（34）： 98-100.