韓谷靜,吳雨川,秦 亮,胡 釙
(1.武漢紡織大學(xué)電子信息與工程學(xué)院,湖北武漢 430073;2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,湖北武漢 430072)
“電力拖動自動控制系統(tǒng)”是本科電氣工程及其自動化專業(yè)的一門主干課程。一般安排在大學(xué)三年級下學(xué)期。其主要內(nèi)容圍繞通過控制直流或交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、位移等機(jī)械量,達(dá)到使電機(jī)拖動的工作機(jī)械按照要求運(yùn)行的目的。學(xué)生普遍反映該課程難度較大,不容易較好的掌握。鑒于該課程的重要性,有必要對更好的推進(jìn)其教學(xué)進(jìn)行深入研究。
“電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程究竟“難”在什么地方?以課程中一個典型的單片機(jī)控制的雙閉環(huán)PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)為例,如圖1所示。
從原理上講,該系統(tǒng)通過對直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速及電樞回路電流的雙閉環(huán)反饋控制,以“準(zhǔn)時間最優(yōu)”實現(xiàn)電動機(jī)的可逆運(yùn)行。在系統(tǒng)實現(xiàn)上,包括硬件和軟件兩大部分。硬件主要涉及三相不控整流、PWM雙向變換器,功率驅(qū)動電路,故障保護(hù)電路,單片機(jī)及外圍電路;軟件主要涉及數(shù)字控制PID算法,各檢測信號的接收、判斷及相應(yīng)操作,上位機(jī)可視化編程等。
圖1 單片機(jī)控制的PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在學(xué)習(xí)中,要在理論上理解上述系統(tǒng),學(xué)生必須了解直流電動機(jī)的工作原理,知道直流電動機(jī)系統(tǒng)中電磁量(如電樞電流、電動勢)與機(jī)械量(轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速)的相互關(guān)系;了解產(chǎn)生可控直流電源的方法;知曉自動控制系統(tǒng)中,根據(jù)控制對象實現(xiàn)某一控制量恒定的基本算法以及衡量控制系統(tǒng)性能的基本指標(biāo);還要掌握單片機(jī)相關(guān)原理等。而要實現(xiàn)上述系統(tǒng),學(xué)生必須掌握電力電子技術(shù)中的整流、斬波、逆變電路及其保護(hù)和驅(qū)動電路;掌握電壓、電流、溫度傳感器,能夠應(yīng)用一款單片機(jī)(包括硬件構(gòu)建和軟件編程)等。
因此,“電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程在原理和系統(tǒng)實現(xiàn)上綜合了自動控制理論、電機(jī)及拖動、電路、電力電子、計算機(jī)控制技術(shù)等多門專業(yè)基礎(chǔ)及專業(yè)課程的相關(guān)知識。其知識面寬,專業(yè)基礎(chǔ)背景要求高,綜合性及實用性強(qiáng)。而且,在這些專業(yè)基礎(chǔ)中諸如電機(jī)及拖動、電力電子技術(shù)等也是學(xué)生們頗感困難的課程??梢哉f“電力拖動自動控制系統(tǒng)”既“繁”且“難”。因此,要通過有限的學(xué)時,將這門“厚基礎(chǔ)”的課程教好、學(xué)好非常不易。
圍繞該課程教學(xué),專業(yè)教學(xué)者們展開了諸多探討和教改嘗試[1-6]。主要是逐步改變傳統(tǒng)的以理論講解為主的枯燥的“填鴨”教學(xué)方式,輔以多媒體手段并啟用仿真工具(如 Proteus、Pspice、Matlab/Simulink),使艱澀難懂的理論直觀化并具可操作性。同時,加強(qiáng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié),減少驗證性實驗,增加自主設(shè)計性實驗,等等。這些方式在一定程度上增強(qiáng)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣,改善了教學(xué)效果,但卻較多的強(qiáng)調(diào)“教”對“學(xué)”的單方面影響,而不太重視學(xué)生們個性化的專業(yè)發(fā)展。
所謂個性化的專業(yè)發(fā)展,是指學(xué)生經(jīng)過前面兩年多的專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)習(xí),已經(jīng)逐漸培養(yǎng)出自己在該專業(yè)中的愛好、特長及今后的發(fā)展方向。如:有的學(xué)生可能自動控制理論學(xué)得比較好,對古典及現(xiàn)代理論的改進(jìn)和應(yīng)用有較深入的思考,決定本科畢業(yè)后繼續(xù)深造,讀自動控制方向的研究生;有的學(xué)生可能對電力電子技術(shù)中開關(guān)電源技術(shù)、變頻技術(shù)等感興趣,喜歡嘗試做硬件電路,單片機(jī)也用比較好,參加過電子設(shè)計大賽,預(yù)備畢業(yè)后去企業(yè)工作;還有的學(xué)生擅長C語言高級程序設(shè)計,對計算機(jī)操作系統(tǒng)感興趣,準(zhǔn)備畢業(yè)后轉(zhuǎn)到計算機(jī)方向,或工作,或讀研,等等。當(dāng)這些具備不同專業(yè)興趣和特長的學(xué)生進(jìn)入大三下學(xué)期,已經(jīng)開始為今后發(fā)展作出選擇和側(cè)重的時候,“電力拖動自動控制系統(tǒng)”這種帶有大綜合性質(zhì)的課程其實不再合適像前面的專業(yè)基礎(chǔ)課程那樣,要求學(xué)生們?nèi)嬲莆?并以同樣的考核方式(如考試+實驗)決定不同學(xué)生的課程成績。
采用多媒體、仿真工具等是使課程教學(xué)直觀、生動,可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,這種“激發(fā)的興趣”是被動的,與學(xué)生們基于自身的特長、愛好和今后的專業(yè)發(fā)展方向所產(chǎn)生的“自發(fā)的興趣”大不相同,后者更能夠產(chǎn)生持久的動力,是自主學(xué)習(xí)的源泉。
整合教學(xué)模式的理論基礎(chǔ)源于遺傳算法創(chuàng)始人霍蘭教授提出的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論。它將教學(xué)系統(tǒng)看作一個復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng),以培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展需要的高素質(zhì)人才作為最終目標(biāo),強(qiáng)調(diào)教師和學(xué)生主體在教與學(xué)交互過程中的作用和演化。交互過程包括學(xué)生與教師之間、學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生與教學(xué)資源之間、學(xué)生與外界環(huán)境之間的交互。要求在教師指導(dǎo)下,學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)[7]。
其實,“電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程的內(nèi)容在客觀上通過一個具體的應(yīng)用對象——電動機(jī)調(diào)速,為學(xué)生們提供了一個綜合性的專業(yè)舞臺。在教師的引導(dǎo)下,不同學(xué)生可以根據(jù)自身的專業(yè)特長與偏好自主選擇扮演喜愛的“角色”(電機(jī)及拖動,自動控制、電力電子,單片機(jī)應(yīng)用等),并通過“角色”間相互合作,完成整個課程的學(xué)習(xí)。在這個過程中,學(xué)生完全自我調(diào)控,在興趣的驅(qū)動下自主學(xué)習(xí),主動提出問題、分析問題、解決問題。并與課程中參與其它組成部分的同學(xué)資源共享,相互探討與協(xié)作,以把握全局、精通局部的方式,將理論與實踐結(jié)合起來,共同掌握該課程從原理到系統(tǒng)實現(xiàn)的整個體系。
這種教學(xué)思想注重鼓勵學(xué)生在專業(yè)上的個性發(fā)展,并以此作為學(xué)生自主學(xué)習(xí)的激發(fā)動力。在整個教學(xué)系統(tǒng)中,教師的角色由主導(dǎo)教學(xué)轉(zhuǎn)為引導(dǎo)教學(xué),學(xué)生對知識獲取由既定內(nèi)容的被動接收轉(zhuǎn)為興趣內(nèi)容的自主探索。教師負(fù)責(zé)構(gòu)建課程內(nèi)容框架,整合背景基礎(chǔ)知識,制定課程要求。學(xué)生則根據(jù)課程要求,在課程內(nèi)容框架下,選擇偏好的部分進(jìn)行深入擴(kuò)展。同時,教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的交互將更加重要。教師要同步跟蹤不同學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展情況,在廣度和深度上作出指導(dǎo),及時解決學(xué)生在探索過程中的疑問,并根據(jù)學(xué)生的實際學(xué)習(xí)情況合理地修改、補(bǔ)充、完善教學(xué)內(nèi)容。而學(xué)生應(yīng)具備全局觀念,清楚認(rèn)識到所選方向是整個課程內(nèi)容體系框架中的一部分,要完成整個課程的學(xué)習(xí),必須與其它方向的同學(xué)相互交流,每個學(xué)生相對其它同學(xué)既是某一個方向的老師又是其它方向的學(xué)生。老師和學(xué)生的角色動態(tài)演化,相得益彰。
這種思想與整合教學(xué)模式的內(nèi)涵形成統(tǒng)一。
個性化整合教學(xué)模式不同于一般本科畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)。盡管兩者都具備鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)的特征,但前者本質(zhì)是課程的教學(xué),目的是通過個性化整合,將課程知識更好的傳授和擴(kuò)展。而本科畢業(yè)設(shè)計更側(cè)重學(xué)生既得知識的綜合應(yīng)用。實踐個性化整合教學(xué)模式對教師提出了較高的要求。以下從教學(xué)內(nèi)容的組織,教學(xué)互動的實施以及課程考核三個方面對個性化整合教學(xué)模式在“電機(jī)拖動自動控制系統(tǒng)”課程中的實踐方案展開探討。
(1)教學(xué)內(nèi)容的組織
“電機(jī)拖動自動控制系統(tǒng)”作為一門專業(yè)主干課程,在長期的教學(xué)實踐中已經(jīng)建立起完整的課程體系,并形成了較為成熟的教學(xué)大綱和課程要求。在個性化整合教學(xué)模式中,為了激發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生的個體興趣,要根據(jù)課程所需的專業(yè)基礎(chǔ)知識將教學(xué)內(nèi)容切分、整合,以模塊化的專題形式進(jìn)行課堂講授。如:圍繞課程主線“交直流電動機(jī)調(diào)速”,可將教學(xué)內(nèi)容切分為“交直流電動機(jī)運(yùn)行原理”、“計算機(jī)自動控制系統(tǒng)工程設(shè)計方法”、“現(xiàn)代電力電子變流電路”、“傳感器檢測”、“單片機(jī)應(yīng)用”等。每個專題不同于專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)的廣而泛,無論是原理論述還是應(yīng)用實例都要求緊密結(jié)合“電機(jī)拖動自動控制系統(tǒng)”課程所涉及的相關(guān)內(nèi)容,高度凝練而有針對性。每個專題3~5學(xué)時。在專題講授之前應(yīng)安排課程總論,使學(xué)生們首先從全局上把握該課程的體系構(gòu)架、主要內(nèi)容、實踐手段、應(yīng)用場合。幫助他們在課程體系下進(jìn)行興趣定位。課程總論可設(shè)置為2~3學(xué)時。無論是總論還是專題,都要求教師精心設(shè)計,有效利用多媒體手段、仿真軟件等,在有限的課時里,將最基本的原理和最新的應(yīng)用技術(shù)傳達(dá)給學(xué)生。
(2)教學(xué)互動的實施
專題之后,學(xué)生可根據(jù)自己興趣按照專題分組,老師將結(jié)合本課程技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀對每個專題組的學(xué)生給出有關(guān)學(xué)習(xí)計劃,參考書目和實驗操作的指南,引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。自主學(xué)習(xí)不占用課時,而課上時間將被用來安排討論和答疑,每次討論課與某個專題相關(guān),但不受限制。答疑在教師和學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間交互進(jìn)行。最后,教師將布置一個綜合性較強(qiáng)的課程設(shè)計,在軟、硬件上能夠使各個專題組學(xué)生展現(xiàn)各自的專題才能和學(xué)習(xí)效果。在設(shè)計過程中,各專題組學(xué)生為共同的設(shè)計目標(biāo),必須相互切磋,資源共享,在協(xié)作中獲得綜合知識的提升。
(3)課程考核
課程考核以成果匯報的形式進(jìn)行,每個分組的學(xué)生都將上講臺對本組在設(shè)計中所承擔(dān)的任務(wù)及設(shè)計成果進(jìn)行匯報,要求其對教師和其它專題分組學(xué)生所提出的問題進(jìn)行答辯。教師將對每個學(xué)生的答辯表現(xiàn)進(jìn)行評分。
以上所述個性化整合教學(xué)模式的實踐方案糅合了理論教學(xué),實驗教學(xué),課程設(shè)計等多個環(huán)節(jié),以充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性,發(fā)展專業(yè)興趣,彰顯專業(yè)特長為目的。同時引入團(tuán)隊協(xié)作和競爭機(jī)制,將專業(yè)課程學(xué)習(xí),基于個性的知識擴(kuò)展和集體資源與成果共享統(tǒng)一起來。有利用增強(qiáng)教學(xué)趣味,提高教學(xué)效率和改善教學(xué)效果。
如何有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性,引導(dǎo)他們自主學(xué)習(xí),使他們在教學(xué)系統(tǒng)的師生交互中自覺、主動,一直是專業(yè)教學(xué)長期探討的問題。本文所提出的個性化整合教學(xué)模式,結(jié)合“電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程本身的特點(diǎn)以及開設(shè)該課程時學(xué)生所處的本科學(xué)習(xí)階段的特點(diǎn),對不同學(xué)生按照專業(yè)興趣分類,在課程知識的傳授、教學(xué)互動以及課程考核環(huán)節(jié)都采用了區(qū)別于傳統(tǒng)專業(yè)教學(xué)的方式,鼓勵學(xué)生在興趣的驅(qū)動下,寓樂于學(xué),并參與團(tuán)隊協(xié)作與競爭,能夠有效改善教學(xué)效果。
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