基于電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

徐銀梅　王麗君　魯億方北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院　北京　100083

基于電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

徐銀梅王麗君魯億方
北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京100083

簡要地介紹了CDIO模式及電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本情況，分析了傳統(tǒng)教育模式下電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足以及進(jìn)行教學(xué)改革的必要性，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改進(jìn)以及網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行改革，形成了新的教學(xué)模式，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

CDIO；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)；工程能力

北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院于2013年被批準(zhǔn)成為教育部第二批CDIO電氣類試點(diǎn)高校，對(duì)照CDIO人才培養(yǎng)模式對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力4個(gè)層面的要求[1]，自動(dòng)化專業(yè)全面展開了CDIO模式的教學(xué)探索與實(shí)踐。[2]

電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制是自動(dòng)化專業(yè)的主干課程，對(duì)照CDIO人才培養(yǎng)模式的要求，本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)在過去存在一些不足和問題，主要體現(xiàn)在學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的欠缺上。造成這一問題的原因有以下幾方面，一是創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例較低，沒有真正激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)的積極性；二是實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及設(shè)備與實(shí)際工程應(yīng)用有一定的差距，缺乏有效培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力的方法；三是實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、手段欠缺，學(xué)生實(shí)驗(yàn)大都只按規(guī)定的步驟機(jī)械地操作，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)非常不利；四是實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足，課程知識(shí)點(diǎn)多，很多實(shí)驗(yàn)由于學(xué)時(shí)問題不能開出。

結(jié)合這些問題，我們建成了基于網(wǎng)絡(luò)的電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在此平臺(tái)上對(duì)電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方法、手段進(jìn)行改革與研究，以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)和創(chuàng)新精神，提高畢業(yè)生的專業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。[3]

1　電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成

針對(duì)原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，我們對(duì)原有實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備重新組合調(diào)整，更新、增購實(shí)驗(yàn)設(shè)備，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，最終建成了電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖1所示)。電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由電力電子及電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)室和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成。

圖1　電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1電力電子及電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)室

在電力電子及電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生完成教學(xué)大綱要求的16學(xué)時(shí)電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

1.2網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由實(shí)驗(yàn)室資源庫、教學(xué)輔助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、學(xué)生網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三部分組成。

1.2.1 實(shí)驗(yàn)室資源庫

實(shí)驗(yàn)室資源庫提供實(shí)驗(yàn)相關(guān)資源，包括：實(shí)驗(yàn)室概況、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備圖片及文字介紹，實(shí)驗(yàn)相關(guān)的課件及視頻等。在學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前通過登陸資源庫，了解實(shí)驗(yàn)相關(guān)儀器設(shè)備及內(nèi)容，進(jìn)行預(yù)習(xí)工作，以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足。同時(shí)還包括部分日常生活中和工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的典型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)案例，分析系統(tǒng)工作原理及其軟硬件實(shí)現(xiàn)，將理論聯(lián)系實(shí)際，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

1.2.2教學(xué)輔助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

教學(xué)輔助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是教師在課堂教學(xué)中可以通過校園網(wǎng)操作實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備，獲得電機(jī)在不同控制算法運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及曲線。通過實(shí)例分析和講解，可以幫助學(xué)生更快更好的理解枯燥難懂的理論，提高教學(xué)效果。

1.2.3學(xué)生網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

學(xué)生網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可開設(shè)直流無刷電機(jī)、直流有刷電機(jī)、三相鼠籠機(jī)及正弦波永磁同步電機(jī)相關(guān)控制算法的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生預(yù)約批準(zhǔn)后，可通過校園網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此種方式可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的不足，同時(shí)也可以滿足部分學(xué)有余力的學(xué)生完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

2　實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

建成電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，我們針對(duì)過去實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法及手段、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)資源以及實(shí)驗(yàn)室開放等方面進(jìn)行了改革與探索。經(jīng)過一學(xué)期的實(shí)踐，取得了初步的成效，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐及創(chuàng)新能力。下面從4個(gè)方面介紹電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與研究工作。

2.1調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 增加創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)比例

針對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)比例的問題，通過對(duì)相關(guān)企業(yè)及其他高校的調(diào)查研究，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行了整合和更新。在原有實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上增加直流調(diào)速的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及基于DSP控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備，以滿足設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。構(gòu)建了“驗(yàn)證—綜合—設(shè)計(jì)—?jiǎng)?chuàng)新”新的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，使理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例達(dá)到1:2:1，設(shè)計(jì)出緊密結(jié)合工程實(shí)際的、合理的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。 針對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)、能力層次的不同，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐方面教師對(duì)學(xué)生提出不同的要求。對(duì)于具有一定研究、創(chuàng)新能力和探索精神的學(xué)生，可要求他們提出提高性設(shè)計(jì)方案或具有創(chuàng)新性設(shè)計(jì)方案，可與學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)相結(jié)合。[4-6]

2.2加入工程應(yīng)用環(huán)節(jié) 增加學(xué)生工程基礎(chǔ)知識(shí)

針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)際相脫節(jié)的問題，我們?cè)?6學(xué)時(shí)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的最后，增加了1學(xué)時(shí)的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的介紹內(nèi)容?，F(xiàn)在介紹的是數(shù)控機(jī)床電機(jī)控制系統(tǒng)，教師對(duì)系統(tǒng)的組成、功能、工作原理給學(xué)生做詳盡的介紹，學(xué)生可以看到實(shí)際的控制板、電機(jī)，并能自己動(dòng)手操作一下，了解系統(tǒng)的軟硬件的構(gòu)成，并就相關(guān)問題與教師直接交流。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生反響熱烈，大大激發(fā)了學(xué)生深入學(xué)習(xí)的熱情。

此外，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)資源庫中給學(xué)生提供了一些典型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的案例，例如變頻空調(diào)控制系統(tǒng)、軋鋼過程中的張力控制系統(tǒng)等，分析系統(tǒng)工作原理及軟硬件實(shí)現(xiàn)。學(xué)生在課下通過學(xué)習(xí)了解實(shí)際生產(chǎn)過程中的電機(jī)是如何控制的，控制系統(tǒng)是什么樣子的，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備與工程實(shí)際相脫節(jié)的問題，也開闊了眼界，對(duì)學(xué)生實(shí)際工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)是有益的促進(jìn)。

2.3改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法 注重能力培養(yǎng)

傳統(tǒng)的注入式教育方式，重知識(shí)灌輸、輕能力培養(yǎng)，學(xué)生難以積極主動(dòng)地參與教學(xué)活動(dòng)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力[7]，不能滿足CDIO教學(xué)模式的能力培養(yǎng)要求。針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的問題，我們首先改變了傳統(tǒng)預(yù)習(xí)報(bào)告的方式。在實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的資源庫中相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室概況及儀器設(shè)備介紹，實(shí)驗(yàn)相關(guān)的課件和實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求進(jìn)行預(yù)習(xí)，在學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前可以了解實(shí)驗(yàn)相關(guān)儀器設(shè)備及內(nèi)容，根據(jù)要求進(jìn)行預(yù)習(xí)工作。例如直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性實(shí)驗(yàn)，我們的預(yù)習(xí)要求是根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)備設(shè)計(jì)測(cè)量電路，設(shè)計(jì)時(shí)要有啟動(dòng)電流保護(hù)，選擇測(cè)量儀表量程等。在實(shí)驗(yàn)之前教師檢查每一組的預(yù)習(xí)報(bào)告，通過后方可開始實(shí)驗(yàn)。改成這種預(yù)習(xí)方式以來，實(shí)驗(yàn)過程中再?zèng)]出現(xiàn)過流燒壞電機(jī)的問題。由于過去學(xué)生長期適應(yīng)被動(dòng)式的實(shí)驗(yàn)方式，不會(huì)自主的發(fā)現(xiàn)問題與解決問題，通過預(yù)習(xí)問題的引導(dǎo)，學(xué)生查找資料、回顧所學(xué)的理論知識(shí)，完成這些問題，即使是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)也起到了綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的效果。通過這樣的訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和知識(shí)的綜合運(yùn)用能力得到了提升。[8]

在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)問題時(shí)，教師不會(huì)像以前一樣直接解決問題，而是在先確保安全的前提下，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)故障現(xiàn)象分析故障原因，并通過所學(xué)理論知識(shí)解決問題。故障排除由學(xué)生完成，教師的作用是引導(dǎo)和把關(guān)。通過問題的解決，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，同時(shí)動(dòng)手操作能力也得到提高。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫，不能是簡單的實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果的羅列，要求必須要對(duì)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)報(bào)告批改時(shí)，不再要求學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全正確，如果結(jié)果錯(cuò)誤但學(xué)生能夠正確分析出錯(cuò)誤原因，給出合理的解釋，同樣可以得到好成績。在分析過程中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果回歸理論。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，再一次對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行確認(rèn)，并對(duì)理論知識(shí)的理想情況與理論實(shí)際應(yīng)用的差別原因進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生立足理論知識(shí)分析工程實(shí)際問題的能力。

2.4合理使用實(shí)驗(yàn)室資源 解決實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)緊張問題

電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制課程實(shí)驗(yàn)總計(jì)16學(xué)時(shí)，其中包括交、直流電機(jī)8學(xué)時(shí)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)相對(duì)較少，有些實(shí)驗(yàn)不能開出。網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建成后，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，可節(jié)約實(shí)驗(yàn)室學(xué)時(shí)，完成更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。同時(shí)教師在講課過程中可以通過校園網(wǎng)使用網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，得到控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。教師針對(duì)實(shí)時(shí)曲線進(jìn)行分析講解，學(xué)生對(duì)電機(jī)控制有直觀的了解，增加感性認(rèn)識(shí)，提高課堂教學(xué)效果 ，以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的不足。

此外，電力電子及電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生開放，實(shí)驗(yàn)室全部資源都公開到網(wǎng)上，學(xué)生申請(qǐng)被批準(zhǔn)后，可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室重做課堂實(shí)驗(yàn)；也可提交創(chuàng)新性研究性實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)過審核比準(zhǔn)后，進(jìn)行創(chuàng)新性研究性學(xué)習(xí)。例如，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于DSP控制的，接口開放，學(xué)生可以在此平臺(tái)上完成一些控制算法的開發(fā)?，F(xiàn)在已有多名學(xué)生申請(qǐng)使用，并有1名學(xué)生已經(jīng)發(fā)表了一篇高水平論文。實(shí)驗(yàn)室的開放為學(xué)生的創(chuàng)新性學(xué)習(xí)提供了良好的平臺(tái) ，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研實(shí)踐能力，很好地解決了實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少的問題。[9]

3　結(jié)束語

電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建成及基于此平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐，改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。解決了原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中存在的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與工程實(shí)際脫節(jié)、沒有充分重視學(xué)生的知識(shí)綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、手段單一的問題，注重了CDIO所要求的工程基礎(chǔ)知識(shí)、自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面的能力培養(yǎng)，為培養(yǎng)高素質(zhì)的自動(dòng)化專業(yè)工程應(yīng)用型人才打下了良好的基礎(chǔ)。[10]

[1] 康全禮，陸小華，熊光晶.CDIO大綱與工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2008，31(4):15-18.

[2] 董冀媛.李曉理.董潔.CDIO模式下電力電子技術(shù)課程教學(xué)改革的思考[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，2(8):239-242.

[3] 顧佩華，沈民奮，李丹平.從CDIO到EIP-CDIO.汕頭大學(xué)工程教育與人才培養(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究，2008(1):12-20.

[4] 馮梅琳，何學(xué)文，羅小燕.基于CDIO理念的測(cè)控專業(yè)實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新體系[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33(3):180-184.

[5] 艾紅.自動(dòng)化專業(yè)過程控制方向教學(xué)與實(shí)踐探討[J].實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與管理，2014，31(6):219-222.

[6] 崔瑞雪，陳剛，畢亞軍.基于CDIO的《電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)》教學(xué)模式研究與實(shí)踐[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，22(6):51-53.

[7] 張雪，李瑋，李慧.我國高等工程教育人才培養(yǎng)[J].河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版，2013，13(1):89-92.

[8] 宋永臣，楊明軍，劉衛(wèi)國.本科生專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33(2):161-165.

[9] 楊岳，羅意平，潘迪夫.基于研究性學(xué)習(xí)模式的層次化獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課程體系構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(5):7-10.

[10] 孔繁鎳，李燕，馬伏花.自動(dòng)化專業(yè)CDIO培養(yǎng)模式研究[J].課程教育研究，2014(2):232.

Teaching Exploration Base on the Experimental Platform ofMotor andmotion Control

Xu Yinmei， Wang Lijun， Lu Yifang
University of Science and Technology Beijing， Beijing， 100083， China

Briefly introduce CDIOmodel of teaching and the experimental platform ofmotor andmotion Control， analyzes the necessity of experimental teaching reform and shows the problems existed in the experimental teaching of “Motor andmotion Control”. This paper puts forward the countermeasures from the experimental design and teachingmethod reformation， and remote experiment. The new teachingmodel is formed.

CDIO； experimental teaching reform； remote experiment； Engineering ability

2015-01-22

徐銀梅，碩士，工程師。

北京科技大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目-電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)(編號(hào)：JG2013M31)。