“運動控制系統”課程混合式教學改革探索

吳超 曹廣忠 黃蘇丹

摘? ? 要：文章針對目前“運動控制系統”課程教學過程中存在的不足，充分利用線上和線下、課內和課外等多種教育資源、教學工具及教學手段，重點從課程教學平臺、課程教學流程和課程實踐環節等方面深入開展“運動控制系統”課程的教學改革，以期突破傳統教學在時間和空間等方面存在的局限性，大力促進信息技術與教育教學的深度融合與創新，充分發揮學生學習的自主性和積極性，多角度鍛煉學生的思維能力和創新能力，有效培養學生分析和解決實際問題能力，為培養滿足新工科需求的自動化專業技術人才提供重要支持。

關鍵詞：運動控制系統；混合式教學；教學平臺；教學流程；實踐環節

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2024）01-0072-03

收稿日期：2022-12-26

作者簡介：吳超，深圳大學機電與控制工程學院副教授，博士

基金項目：國家自然科學基金重點項目“可穿戴下肢康復運動輔助外骨骼機器人關鍵技術研究”（U1813212）；廣東省本科高校在線開放課程指導委員會研究課題“在線開放課程驅動高校混合教學變革研究——以《運動控制系統》課程為例”

（2022ZXKC394）；深圳大學研究生教育改革研究項目“新工科背景下控制工程專業學位研究生創新實踐能力培養體系研究”（SZUGS2022JG07）；深圳大學教學改革研究項目“課程思政視角下《運動控制系統》課程教學改革探索與實踐”（JG2023088）

習近平總書記在黨的二十大報告中指出：“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。”[1]科技進步靠人才，人才培養靠教育。作為人才培養過程中的關鍵性因素，課程質量直接影響著人才培養質量。教育部于2019年發布《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》，明確指出必須深化教育教學改革，把教學改革成果落實到課程建設上，提出實施一流本科課程“雙萬計劃”，重點放在提升創新型、復合型、應用型人才培養課程建設的創新性、示范引領性和推廣性上[2]。

其中，線上線下相融合的混合式教學已成為高等教育課程發展的主要趨勢之一。伴隨著數字化教學工具及教學手段的逐步加入，混合式教學課程成功突破了傳統課程單一線下教學模式在時間和空間等方面存在的局限性，有效推進了信息技術與教育教學的深度融合與創新，有助于推動高等教育在教學理念、教學方法、教學技術、教學方式和教學模式等諸多方面的改

革，為真正實現我國高等教育教學質量的“變軌超車”提供了重要支持[3-5]。

在這種背景下，筆者對自動化領域的核心專業課程“運動控制系統”混合式教學改革問題進行探索具有重要的意義。

一、“運動控制系統”課程教學現狀及存在問題

“運動控制系統”是自動化領域控制方向的核心課程，重點講授電力拖動控制系統的原理、分析和設計等內容。課程以轉速、轉矩和磁鏈控制規律為主線，從開環到閉環、從直流到交流、從調速到伺服逐層遞進論述運動控制系統的靜、動態性能和設計方法[6]。在理論方面，運動控制系統與電機學、電力電子技術、自動控制原理、計算機控制技術和檢測技術等學科專業知識緊密聯系，課程理論交叉性特點十分突出。在應用方面，運動控制系統以交直流電動機為控制對象，電動機廣泛應用于電氣伺服傳動、信息處理、交通運輸、國防和電子電氣等領域，課程應用實踐性特點也較為突出。

作為一門理論性和應用性均較為顯著的專業核心課程，“運動控制系統”課程現階段普遍采用線下教學

模式。以本專業為例，每周安排三個學時開展課程教學工作。但是，考慮到“運動控制系統”課程的自身特點，現階段課程教學模式存在以下問題，這在一定程度影響了課程的整體教學質量。

1.“運動控制系統”課程理論交叉性特點較明顯，教學過程中涉及眾多學科的專業知識。以控制對象為例，包括直流電動機、交流異步電動機和交流同步電動機等。為了順利學習掌握各種電動機對應運動控制系統的設計思路及方法，學生必須對控制對象的工作原理及特性有一定的了解。但因為涉及的知識點較多，學生基礎往往參差不齊，教師常需要在課堂上花費一定時間幫助學生進行相關內容回顧，占用本身就相對較少的教學學時，課程整體教學效果難免受到影響。

2.運動控制系統廣泛應用于國民經濟生產各行各

業的自動化控制設備中，課程內容與實際工程應用緊密相連。在新工科背景下，培養能做到理論聯系實際的應用型專業技術人才是自動化專業人才培養的重要目標。但是，受限于課程教學學時，教師在教學過程中只能側重于講授理論知識，對運動控制系統實際工程應用的相關內容講授相對較少，更難以在控制系統創新性研究方面進行深入討論，這直接影響了對學生創新能力和分析及解決實際問題能力的培養。

3.“運動控制系統”是一門應用實踐性課程，實驗實踐是課程的重要環節，關系到課程內容的深入學習及鞏固。但是，現有實驗平臺設備多采用模塊化形式，學生只需按照實驗書上固定流程即可搭建實驗系統，按照固定步驟即可完成相關任務。這種方式雖可保證實驗的順利進行，卻無法充分鍛煉學生對課程理論知識的深入理解及應用。同時，傳統的線下實驗設備一旦組建好，后期也難以做到頻繁升級更新，無法緊跟運動控制系統的發展，學生難以完成控制系統創新設計等工作，一定程度上影響了對學生思維創新和應用實踐能力的培養。

針對上述問題，提出開展“運動控制系統”課程混合式教學改革研究，充分利用線上和線下、課內和課外等多種教育資源、教學工具及教學手段，從課程教學平臺、課程教學流程和課程實踐環節等方面入手開展教學改革，充分發揮學生學習的自主性和積極性，多角度鍛煉學生的思維能力和創新能力，有效培養學生分析和解決實際問題能力，為培養滿足新工科需求的自動化專業技術人才提供重要支持。

二、“運動控制系統”課程混合式教學改革措施

（一）課程教學平臺改革

“運動控制系統”課程內容的豐富性和課程教學學時的有限性之間存在著較明顯不平衡，直接影響了課程教學目標的達成。構建“運動控制系統”課程混合教學綜合平臺正是解決上述問題的關鍵基礎。

首先，結合“運動控制系統”課程內容特點，以被控對象為主線，將課程內容模塊化，分為直流電動機開環控制系統、直流電動機單閉環控制系統、直流電動機雙閉環控制系統、異步電動機穩態模型調速系統、異步電動機動態模型調速系統、同步電動機變壓變頻調速系統和伺服系統等模塊。后續課程教學將以上述模塊為中心開展工作。

其次，考慮到課程課內資源相對有限的問題，綜合分析優課聯盟、中國大學生慕課等互聯網教學資源，結合本專業培養自動化領域新工科專業技術人才的具體要求，挑選與課程內容相匹配的優質在線開放課程資源，突破地域限制，實現名師進課堂。同時，考慮到“運

動控制系統”課程具有較明顯的理論交叉性，以各模塊內容為中心向外圍知識領域擴展，確定與運動控制系統緊密相關的電動機、功率放大與變換、信號檢測與處理等相關知識領域，針對性挑選對應在線開放課程資源，使本課程教學資源庫更加系統化、完整化，為學生深入學習了解運動控制系統提供有力支持。

最后，借助超星學習通這一工具，搭建“運動控制系統”課程混合教學綜合平臺，重點實現課程模塊內容資源發布、課程模塊輔助內容資源發布、課前預習指導、課前自主學習測試、線下課堂要點總結回顧、章節配套練習題發布、課程報告發布、課程討論交流等功能，從而在面對學生不同程度、不同角度需求時能及時予以更有針對性的學習幫助，有效解決課程教學資源受限和教學課時受限等問題，有助于提高學生的學習興趣，改善學生學習的主動性、自主性和認知參與度，最終有效提高課程的整體教學質量。

（二）課程教學流程改革

現階段“運動控制系統”課程教學學時普遍較少，往往是由教師進行課程知識點的單方向講授，學生只是被動學習，缺少教與學之間的互動，學生對課程學習目標往往不明確。因此，在構建課程混合教學綜合平臺的基礎上，提出進行“運動控制系統”課程混合式教學流程改革。

將課程教學流程分為課前、課堂和課后三個階段，結合各階段的教學要求及特點，分階段進行針對性設計和實施。

在課前階段，借助“運動控制系統”課程混合教學綜合平臺，圍繞各模塊內容的核心知識點，針對性制定課前預習指導，發布相關在線開放課程資源，重點引導學生完成本模塊基本概念、基本設計思路和計算方法等內容的自主學習。當學生在學習過程中遇到關聯性知識難點時，可利用課程混合教學綜合平臺中的課程模塊輔助內容資源自行進行補充學習。在此基礎上，學生需要完成課前自主學習測試，及時發現不足，針對性進行查缺補漏，完善對課程理論知識的學習。此外，學生之間還可借助課程混合教學綜合平臺中的課程討論交流版塊開展關于本模塊內容的討論，教師也可在線互動答疑，實時跟蹤學生的學習進展情況，必要時對有需要的學生進行單獨輔助指導，以幫助學生在課前階段順利學習掌握課程相關理論知識。

在課堂階段，考慮到學生已基本完成了課程模塊理論內容的學習，因此將線下課堂環節的教學重點放在運動控制系統的應用實踐方面。以各模塊對應運動控制系統為對象，帶領學生學習了解各系統的發展歷程和發展趨勢。在此基礎上，從簡單到復雜，從無限制

因素到單一限制因素，再到多限制因素，逐步引入各運動控制系統的工程應用實例，重點組織學生了解各控制系統的應用背景，引導學生分析各控制系統的應用條件，討論實際系統在設計過程中須注意的關鍵問題，提煉并總結不同問題的解決方案，加深學生對于運動控制系統實際工程應用的了解。此外，針對課前階段學生反饋較多的問題，采用翻轉教學方式，以學生為主體進行分組討論，引導學生對問題進行更深入的剖析和理解。

在課后階段，針對各模塊內容中的重點概念、核心設計思路和關鍵計算方法，發布章節配套練習題，輔助學生復習鞏固課程理論知識，幫助教師及時掌握學生對課程內容的掌握情況，進而對課程教學流程設計方案進行針對性優化調整。在此基礎上，圍繞各模塊對應運動控制系統，發布具有一定開放性和創新性的課程項目，設定控制系統的應用場景，以小組形式組織學生開展計及實際工程應用要求和應用條件的運動控制系統設計工作，完成相關課程報告，從而加深學生對于運動控制系統應用性方面的理解認識，有效提升學生的實際應用能力和團隊合作能力。

（三）課程實踐環節改革

現有運動控制系統實踐環節大多依托傳統模塊化實驗設備進行固定流程操作，傳統設備升級更新速度慢，難以跟上課程教學發展要求，更難以開展運動控制系統創新設計方面的教學工作。因此，提出對“運動控制系統”課程實踐環節進行改革，構筑課程虛擬實踐教學平臺。

將計算機仿真軟件與課程理論教學內容有機結合，基于MATLAB軟件中電力系統工具箱的強大功能，以Simulink為實踐運行環境，構筑更為立體化、多樣化的課程虛擬實踐教學平臺。以各模塊對應運動控制系統為主體，分層設計實驗內容，從簡單到復雜，從純理論背景到結合實際工程應用要求，從無應用限制條件到多應用限制條件，層層遞進深入。以各類電動機對應典型運動控制系統為對象，搭建仿真模型，應用課程所學理論知識，對控制系統中的關鍵參數進行調節，分析總結各參數對系統整體性能的影響，同時對基于同種電動機的不同類型運動控制系統的運行效果及性能進行系統性分析比較，討論不同控制系統結構及控制策略的優缺點，總結各類型運動控制系統的適用范圍及條件。在此基礎上，以各種電動機為控制對象，開設具有綜合性、設計性、創新性和開放性等特點的應用型實驗項目。以異步電動機為例，設定電動機應用場景，如機器人、無人駕駛汽車、自動生產線和自動機械臂等。由學生完成涉及實際工程應用要求及限制條件的系統性能需求分析，自主完成運動控制系統方案設計，實現控制系統參數整定。在此基礎上，借助課程虛擬實踐教學平臺，模擬控制系統實際運行場景，對所設計系統的性能進行多角度、多層次的檢驗，發現系統存在的問

題，再結合課程理論知識內容，針對性對系統設計方案進行優化完善，反復迭代，直至設計得到適合應用場景需求及限制的運動控制系統。在這一過程中，學生可以更加全面地從理論性和應用性等多角度加深對運動控制系統的了解認識，將理論知識和應用實踐進行更為深入的融合與創新。此外，利用課程混合教學綜合平臺，實現線上與線下、教師與學生、學生與學生之間針對實踐過程中比較關心問題和任務的交流互動，提高課程實踐環節的教學效果，進一步促進“運動控制系統”課程教學質量的整體提升。

三、結論

在信息技術飛速發展的背景下，以自動化專業核心課程“運動控制系統”為例，對高等教育課程混合教學改革問題進行探索。針對課程教學過程中存在的不足，充分利用線上和線下、課內和課外等多種教育資

源、教學工具及教學手段，構建課程混合教學綜合平

臺，形成課程混合式教學流程，構筑課程虛擬仿真實驗平臺，打破傳統教學方式的時間界限和空間局限，實現課前有預習、課堂有討論、課后有延續、理論實踐相結合的全方位混合教學方式，有效解決學生學習主動性不高、認知參與度不足、不同學生學習結果差異過大、理論實踐相互脫節等問題，充分發揮學生學習的自主性和積極性，多角度鍛煉學生的思維能力和創新能力，有效培養學生分析和解決實際問題能力，為切實提高自動化專業新工科人才培養質量奠定重要基礎。

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