項目式教學推動下的電氣控制類課程群教學改革

孫鳳鳴 孫犇淵 黃超

摘 要：為順應新工科建設中“新技術、新業態、新產業、新模式”的要求，同時滿足飛行器動力工程本科專業學生畢業要求中的“針對復雜工程問題，能夠發現、評估和選擇完成工程任務所需的方法和技術，確定解決方案”的指標點，以課程群為教學研究對象，對學院電氣控制類課程群進行優化重構。將“伺服電機驅動控制”這一項目按課程進行分解，在“單片機原理與應用”“電工學”和“自動控制原理”三門課程中實行項目分段式設計與實踐，增強課程群知識點間的銜接，培養學生以系統性思維解決實際問題的能力。同時，通過技術博客等形式，補充項目設計過程中課堂外的知識，實現線上線下關聯互通，拓寬學生知識視野。

關鍵詞：復雜工程問題；項目式教學改革；課程群；新能源

中圖分類號：G642? 文獻標識碼：A

1 概述

為增強在新一輪產業升級和科技革命中的競爭力，中國教育界在2017年2月開始了新工科建設。新工科建設順應國家創新驅動發展戰略和“新技術、新業態、新模式、新產業”為代表的新經濟發展趨勢，對工程科技人才的培養提出了更高要求。

新工科建設中，強調研究“學科專業的新結構”，面向新經濟發展需要、面向未來、面向世界，開展新興工科專業的研究與探索，對傳統工科專業進行更新升級等［1］。飛行器動力工程專業作為一門培養從事飛行器動力及其他能源動力裝置設計、研究、生產運營和技術管理的復合型高級工程技術人才的專業，目前正面臨著能源動力裝置電氣化的挑戰。以全電飛機、多電飛機和新能源汽車為代表的電氣化浪潮正迅猛發展。而該專業的電氣控制類課程的課時相對有限，有必要以該類課程群為對象進行教學研究與探索，以提升授課效率和效果，適應傳統工科專業更新升級的需求。

中國民航大學中歐航空工程師學院是中國民航大學與法國航空航天大學校集團合辦的教育部備案的中外合作辦學機構。學院致力于培養具有深厚數理基礎、廣博學科專業知識、跨文化交流與協作、系統思維、卓越工程素質與創新能力，從事航空工程領域的研發、制造與運行的國際化復合型高端人才［24］。對所設飛行器動力工程專業學生的畢業要求中有“針對復雜工程問題，能夠發現、評估和選擇完成工程任務所需的方法和技術，確定解決方案”的指標點。隨著國家對本科教育重視程度的不斷提高，國家科技創新需求對各層級技術與研究人員的下沉，解決復雜工程問題的能力越來越被重視，以往以課程為單元進行項目式教學模式已逐漸不能滿足要求。從實際需求中選取實際項目加以簡化，選擇項目覆蓋知識點相關的課程群為單元進行項目式教學，能夠使學生以系統性思維分析較為復雜的問題。

2 課程群教學改革的研究現狀

以課程群的形式統一組織教學內容和實踐環節引起了眾多高校教師的研究興趣。謝啟等人對自動化測試技術課程群進行了基于項目驅動的教學探索，以解決所屬各門課程之間教學內容獨立而缺乏系統整合的問題［5］。許德智等人對運動控制類課程群采用學科競賽、科研項目開發、跨課程統一資源庫建設等手段進行多維度教學模式的研究與實踐［6］。以課程群為對象進行教學改革能夠有效銜接同一課程群的各門課程間的知識點，有效提高學生的學習效率。

以項目的形式推進課程群教學改革可以培養學生以系統性思維解決復雜工程問題的能力。項目式教學作為一種提升學生學習興趣、鍛煉學生實踐能力的教學模式已經得到廣泛的應用，但是在相近課程間的項目案例式教學往往存在以下問題：

2.1 項目碎片化，課程間缺乏知識關聯性

以中歐學院飛行器動力工程專業的課程為例，“單片機原理與應用”“電工學”和“自動控制原理”三門課程是電氣控制課程群中三門相近課程，相互間有內容援引。但是，其中的項目案例往往獨立設計，呈現碎片化，缺少關聯性，難以實現培養解決復雜工程問題能力的目標。

2.2 缺乏市場調研，項目內容與社會實踐脫節

在“單片機原理與應用”課程中，所采用的AVR單片機是基于寄存器的編程方式，現已逐漸被基于庫函數和基于圖形化的編程方式代替。盡管單片機原理類似，但更新其內容有助于提高學生將來的技術競爭力。在“電工學”課程中，通常圍繞傳統異步電機展開項目實踐。異步電機雖然在當前社會仍占有相當的份額，但是在新能源應用中已處于劣勢地位，逐漸被無刷直流電機和永磁同步電機代替。

2.3 項目案例培養目標等級單一，難以因材施教

由于學生基礎知識掌握程度、新知識接受能力和興趣愛好不一，應在項目案例中實行分級指導措施。針對低需求的學生以引導其掌握基本原理為主，而對高需求的學生應采取措施，提升其知識掌握與應用程度。

3 項目式教學推動的課程群建設

通過對中歐學院電氣控制類課程群進行優化重構，利用“伺服電機驅動控制”這一項目進行仿真度較高的項目設計與實踐。在“單片機原理與應用”“電工學”和“自動控制原理”三門課程中實行項目式教學改革和探索，并對整體項目分段式設計與實踐，以適應課程群中不同課程的教學內容。通過不斷優化課程之間的銜接，創新教學方法和手段，努力培養學生以系統性思維解決復雜工程問題的能力，同時順應多電飛機、純電飛機和電動汽車等新能源產業領域的技術需求。

中歐學院飛行器動力工程專業的電氣控制類課程群與伺服電機驅動控制技術的基礎技術契合度較高，如下表所示，便于以該技術為基礎進行課程群的整體項目式教學探索。

3.1 構建以課程群為單元的項目式教學體系

在課程教學中引入案例項目是常見的教學手段，但各門課程所引案例往往差異較大，缺少必要的聯系。在三門課程中進行同一個整體項目教學，根據課程內容進行項目分解和分段設計，在適應單門課程的同時，增強知識間關聯度，使學生在學習過程體會到知識點的前后呼應，增加知識學習的成就感，激發學生的學習積極性。

首先，組織課程關聯度較高的授課教師建設課程群教學團隊。教學團隊成員間需要進行及時溝通交流以加強課程知識點間的銜接。電氣控制類課程群教學團隊的三名授課教師屬于同一教研室，并具備“伺服電機驅動控制”的項目背景，有一定能力開展課程群的項目式教學。

其次，為實現較高仿真度的項目，還需要與一線企業進行交流。課程組充分利用校企交流的機會，與合作單位（昂際航電、中航制動、藍天航空科技和天津直升機有限責任公司等）的技術專家進行交流，對伺服電機驅動控制技術為基礎的項目設計與實踐進行了技術調研。

3.2 整體項目分段式設計與實踐

該環節是項目式教學中最重要的部分，項目設計難度過于簡單則很難與企業項目仿真度；項目設計過于艱難則會讓學生耗費過多時間，并產生心理上的挫敗感，應該在難度上充分調查以進行折中。本課程組通過對已完成課程群學習的高年級學生進行該類項目設計的測試，評估和調整項目難度。

3.2.1 企業項目設計流程的簡單引入

針對學生對企業項目了解較少的問題，在課程群教學的初始階段，以一個簡單的項目設計為例介紹企業項目流程，如圖1所示。以伺服電機驅動控制為例，以其在純電飛機或電動汽車行業中的發展引出項目需求；以轉速、響應時間、電源供電形式和控制器形式等簡單參數為例介紹需求文檔；以電路圖、控制器代碼和測試手段介紹概要設計和詳細設計。最后將整個過程中涉及的這些技術點與課程群的知識點進行一一對應，使學生對項目有感性認識。

圖1 項目設計流程示意圖

3.2.2 整體項目的分段設計實現

經過教學研討和技術調研，將伺服電機驅動控制整體項目按課程進行分解，如圖2所示。

圖2 整體項目分解示意圖

“單片機原理及應用”課程項目對應硬件層的控制器設計。在講解控制器時，不僅要講明微控制器的發展歷程，還要重點講解其后續與電機控制相關的模塊。該環節以完成具有AD采集、PWM輸出和AD輸出的控制器的程序設計為階段性項目目標。

“電工學”課程對應驅動器電路設計和電機模型建立，其中的驅動器涉及課程的電力電子電路，而電機部分是課程的重點內容，本環節的項目設計以完成驅動器功率轉換模塊設計和電機選型為主。

“自動控制原理”對應負載模型、控制器算法仿真和閉環回路設計等。在課程中利用SIMULINK完成整體系統仿真，設計PID等控制算法。本環節最終完成項目設計，實現電機速度控制。經過項目分解，每門課程中的子項目相對簡單，有利于將伺服電機驅動控制這一技術分段設計與實現。

3.3 線上線下混合式的因材施教策略

從專業要求來看，電氣控制類課程并不是飛行器動力工程專業學生需要重點掌握的知識。然而，隨著新能源產業的發展，作為動力裝置的電機驅動愈顯重要，也逐漸成為飛行器動力工程專業的學生必須了解的知識。不同學生有不同的職業規劃，同時考慮到其知識接受難易程度，因此需要在項目式教學中對學生進行分級指導。

首先，滿足大部分學生的畢業要求達成度。通過項目推動學生的自主學習和系統性思維能力，使學生對企業中較為完備的項目設計流程有基本的了解，并掌握該課程群對應的知識點。

其次，課程群也需要充分考慮學有余力且對該項目感興趣的學生，不以項目設計作業或結課考試作為課程指導的終結，而是以技術博客或網絡視頻的形式對其進行進一步的指導，做到因材施教。技術博客作為一種線上的知識展現形式，已經成為課堂授課的重要補充方式。將項目設計流程、項目設計過程中需要的基礎知識以技術博客的形式進行展示，能夠對課堂授課與項目設計形成有效補充。

綜上，本項目計劃以課程群為對象，采用整體項目分段設計與實踐的方式和線上線下混合式的因材施教策略，鍛煉學生系統思維和解決復雜工程問題的能力，并順應新工科建設中“新技術、新業態、新產業、新模式”要求。

結語

針對培養學生以系統性思維解決復雜工程問題能力的要求，電氣控制類課程群以“伺服電機驅動控制”技術為中心，開展項目化、分段式教學與實踐。通過對專業典型復雜工程案例的項目分解與綜合，使每門課程都有與分解項目對應的知識點。以一個整體項目貫穿于課程群教學內容的始終，幫助學生將知識點串聯，并培養解決復雜工程問題的能力。同時，通過線上技術博客的形式進一步拓寬部分學生的知識視野，助其在該技術項目領域進一步研究，做到因材施教。

參考文獻：

［1］教育部高等教育司.教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知.2017.

［2］林潔.基于價值引領和素養提升的高等數學一流課程建設——以中法合作辦學模式下“高等數學（6）”為例［J］.大學，2022，556（10）：3841.

［3］胡雪蘭，張艷峰，楊新湦，等.面向工程能力培養的大學物理教學模式創新［J］.實驗技術與管理，2020，37（06）：1014.

［4］陳亞軍，楊新湦，蘇志剛.基于中外合作辦學的實踐教學體系研究與應用［J］.實驗技術與管理，2019，36（001）：203208.

［5］謝啟，陳飛，徐偉，等.基于項目驅動的自動化測試技術課程群建設［J］.電氣電子教學學報，2022，44（02）：8790.

［6］許德智，潘庭龍.運動控制類課程群多維度教學模式研究與實踐［J］.科教導刊，2021（26）：110112.

基金項目：中國民航大學教育教學改革與研究項目“項目式教學推動下的電氣控制類課程群教學改革”（項目編號：CAUC2022C2017）

作者簡介：孫鳳鳴（1983— ），男，漢族，山東人，工學博士，講師，研究方向：電氣控制類課程的教學與改革。