運(yùn)動控制系統(tǒng)課程研究性教學(xué)方法的改革與探索

沈艷霞　紀(jì)志成

摘要 工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是提升工程教育水平的重要手段。以運(yùn)動控制系統(tǒng)課程為載體，分析該課程的特點(diǎn)，探索基于小班授課的創(chuàng)新人才培養(yǎng)的研究性教學(xué)模式，從課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織形式及考核方式等方面進(jìn)行了改革與實(shí)施，并取得了較好的教學(xué)效果。該模式對于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識、提升學(xué)生的工程創(chuàng)新能力具有較好的推廣價值。

關(guān)鍵詞 工程創(chuàng)新 研究性教學(xué) 教學(xué)方法 運(yùn)動控制系統(tǒng)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.02.053

工程教育在我國高等教育中占有重要地位。我國工程教育的整體規(guī)模已經(jīng)達(dá)到世界第一，工科專業(yè)點(diǎn)及工科在校生幾乎都占到了總數(shù)的三分之一。①創(chuàng)新高校人才培養(yǎng)機(jī)制，提升工科人才培養(yǎng)質(zhì)量，對高等教育質(zhì)量整體提升將起到舉足輕重的作用，也是黨的十八屆三中全會對高等教育改革發(fā)展提出的最直接、最明確的要求。教育部先后組織實(shí)施的“拔尖計(jì)劃”、 “卓越計(jì)劃”、科教結(jié)合協(xié)同育人行動計(jì)劃、試點(diǎn)學(xué)院改革等措施，②在創(chuàng)新人才培養(yǎng)機(jī)制方面進(jìn)行了積極探索。

然而這些計(jì)劃的落腳點(diǎn)始終都離不開課程這個基本教育單元。在人才培養(yǎng)體系中，課程是完成教育任務(wù)，提升教育質(zhì)量的最基本而又最重要的載體，③教育理念必須通過課程的規(guī)劃、實(shí)施得以落實(shí)。因此，本文以自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)的核心專業(yè)課程——運(yùn)動控制系統(tǒng)為例，探索并實(shí)施研究性教學(xué)方法，寓研于教，將先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展引入課堂，更新教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)組織形式，推進(jìn)小班授課，開展多元化的教學(xué)方法，改革考核方式，切實(shí)推進(jìn)教育創(chuàng)新，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，從而激發(fā)其創(chuàng)新意識，促進(jìn)學(xué)生知識、能力、素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 運(yùn)動控制系統(tǒng)課程介紹

運(yùn)動控制系統(tǒng)是自動化和電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)核心課程。它是以電動機(jī)作為被控對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動控制原理的指導(dǎo)下組成的自動控制系統(tǒng)，主要介紹運(yùn)動控制系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)及原理，系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法、新型控制器的設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)性能仿真手段以及工業(yè)變頻器的結(jié)構(gòu)及控制原理等。

該課程綜合學(xué)生先修的自動控制原理、電力電子技術(shù)、電機(jī)及其拖動基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等課程的知識與技能，直接面向工程應(yīng)用，始終強(qiáng)調(diào)從提高系統(tǒng)性能的角度來分析、設(shè)計(jì)控制器，使學(xué)生從系統(tǒng)的角度培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識進(jìn)行系統(tǒng)分析與綜合的能力，提高學(xué)生的工程創(chuàng)新能力。該課程綜合了學(xué)生大學(xué)中所學(xué)的專業(yè)知識與方法，是大學(xué)學(xué)習(xí)與工業(yè)界的結(jié)合點(diǎn)，因此它具有綜合性、系統(tǒng)性和工程性三大特點(diǎn)，可作為培養(yǎng)學(xué)生工程創(chuàng)新能力的典型載體。

2 課程改革措施

2.1 更新并拓展教學(xué)內(nèi)容

為實(shí)現(xiàn)工程教育的目的，在教學(xué)內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)先進(jìn)性、科學(xué)性和經(jīng)典性相結(jié)合，除教學(xué)大綱中要求的直流調(diào)速、交流調(diào)速的基本原理、結(jié)構(gòu)和方法外，注重結(jié)合教師的科研項(xiàng)目及企業(yè)界的最新需求，將反映本學(xué)科領(lǐng)域最新科技成果引入到課堂中。（1）在授課內(nèi)容上增加提高運(yùn)動控制系統(tǒng)系統(tǒng)性能的參數(shù)辨識技術(shù)、無速度傳感器技術(shù)及多電機(jī)協(xié)同控制技術(shù)、基于dSPACE平臺的半實(shí)物仿真技術(shù)等，以擴(kuò)展學(xué)生的專業(yè)視野；（2）為滿足學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的不同需求，增加文獻(xiàn)檢索的知識介紹，補(bǔ)充對在國際專業(yè)刊物上刊登的最新研究成果的介紹與分析等，為學(xué)生推薦國外相關(guān)原版教材，引導(dǎo)學(xué)生充分利用學(xué)校的數(shù)字圖書館、網(wǎng)絡(luò)資源，體現(xiàn)了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對人才培養(yǎng)提出的新要求。（3）注重專業(yè)英語的提高，課堂上大量補(bǔ)充英文專業(yè)術(shù)語，安排學(xué)生利用課后時間閱讀發(fā)表在IEEE 的相關(guān)學(xué)術(shù)期刊上的論文，或者課堂布置課外學(xué)習(xí)內(nèi)容，要求學(xué)生課余時間查閱并學(xué)習(xí)，如安排學(xué)生自學(xué)電力電子技術(shù)領(lǐng)域由美國著名學(xué)者K.M，Smedley提出的單周期控制英文原文，學(xué)習(xí)并仿真，然后開展課堂的討論，在提高學(xué)生英文資料的查閱能力的同時，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識，更加培養(yǎng)了學(xué)生在解決問題時的團(tuán)隊(duì)合作意識。實(shí)際效果顯示，學(xué)生對內(nèi)容的把握與理解遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期。

2.2 采用多樣化的教學(xué)組織形式

依托學(xué)校的卓越課程建設(shè)，采用小班授課的方式，學(xué)生人數(shù)在30人左右，精煉課堂內(nèi)容，突出重點(diǎn)，精講多練，增加課外學(xué)習(xí)訓(xùn)練任務(wù)，為學(xué)生提供更多自主思考和探索的空間，學(xué)生課外訓(xùn)練時間與課堂學(xué)習(xí)時間比例為2：1。課堂討論時間為課程總學(xué)時的30%，即21學(xué)時；加大課外輔導(dǎo)，課外輔導(dǎo)時數(shù)與課堂教學(xué)時數(shù)比例為1：1，課外輔導(dǎo)由研究生助教協(xié)助承擔(dān)。課程的教學(xué)過程主要采用課堂授課、課堂討論、仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)及項(xiàng)目教學(xué)等組織形式。

（1）課堂授課：以理論講授為主，圍繞工程案例，將復(fù)雜的問題可視化、工程化，采用問題啟發(fā)式教學(xué)方法，力求遵循學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，利用生活中的常識，啟發(fā)學(xué)生，介紹所涉及的關(guān)鍵理論、技術(shù)，循序漸進(jìn)，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，力求理論闡述通俗易懂，幫助學(xué)生理解和消化抽象的理論。比如授課時用騎車帶人這一常見的生活現(xiàn)象，來比喻單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，沒有帶人則為空載運(yùn)行，帶人后則為負(fù)載突增，此為若要維持原來速度，必須增加力氣（相當(dāng)于增大電壓），這樣可把單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理、抗干擾特性通俗易懂的展現(xiàn)在學(xué)生面前，使得學(xué)生很快掌握并理解了閉環(huán)系統(tǒng)的相關(guān)原理及分析方法。

（2）討論式教學(xué)：根據(jù)教學(xué)需要及內(nèi)容安排，確定討論主題，課程授課中共安排8個主題，有課內(nèi)教學(xué)內(nèi)容，如無靜差調(diào)速、制動過程分析等，也有課外的自學(xué)任務(wù)，如模糊控制器的設(shè)計(jì)、基于OCC的BUCK控制、基于最小二乘法的參數(shù)辨識技術(shù)等。圍繞這些主題，學(xué)生進(jìn)行分組調(diào)研及課外學(xué)習(xí)。討論課上，采用啟發(fā)式、討論式、互動式等教學(xué)方法，通過小組合作、同學(xué)互動、教師引導(dǎo)的形式，突出學(xué)生的主體地位，將討論課堂交給學(xué)生，通過學(xué)生的PPT講解、互動討論、課堂提問等各種手段完成教學(xué)任務(wù)的討論，充分調(diào)動了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)了創(chuàng)新性的思維。

（3）仿真實(shí)驗(yàn)：采用仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，仿真實(shí)驗(yàn)利用專業(yè)仿真軟件如MATLAB，布置學(xué)生根據(jù)課堂內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)控制器或控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真，如雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、雙閉環(huán)模糊控制器的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)仿真、市場各大品牌變頻器主流的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真等，并分析控制器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響及在不同擾動的作用下性能的變化，提出改進(jìn)措施，大大提高了學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)手段分析和解決專業(yè)問題的能力，促使其對從事科學(xué)研究的方法的認(rèn)識。

（4）實(shí)踐教學(xué)：16學(xué)時的實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)將課堂知識、仿真分析付諸實(shí)踐，采用驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型與綜合型實(shí)驗(yàn)，對理論知識進(jìn)行綜合應(yīng)用，在實(shí)際系統(tǒng)中將大學(xué)中學(xué)習(xí)的專業(yè)理論抽象的概念形象化、具體化，加深了學(xué)生對調(diào)速系統(tǒng)特性的直觀了解和對理論的認(rèn)識，在增加實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的同時，提升了學(xué)生在專業(yè)理論指導(dǎo)下綜合設(shè)計(jì)工程系統(tǒng)的能力與水平，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，從而激發(fā)其創(chuàng)新意識。

（5）項(xiàng)目式教學(xué)：在課程授課的同時，鼓勵學(xué)生參與相關(guān)課題研究、課外科技活動等創(chuàng)新活動，培養(yǎng)和提高學(xué)生的動手能力與創(chuàng)新能力。在課程起始，布置課外實(shí)踐項(xiàng)目的任務(wù)要求，學(xué)生根據(jù)課程內(nèi)容自主選題，如學(xué)生所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目有：具有自循跡功能的智能小車、智能窗簾的設(shè)計(jì)、簡易機(jī)械手臂的控制、直流電機(jī)調(diào)速體統(tǒng)等共8個項(xiàng)目。學(xué)生利用課余時間，依托物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院的開放實(shí)驗(yàn)室及大學(xué)生創(chuàng)新基地，通過分工合作、小組討論、項(xiàng)目開發(fā)，自主進(jìn)行方案的構(gòu)思、調(diào)研、開發(fā)與實(shí)施，學(xué)期末進(jìn)行項(xiàng)目的答辯、演示與驗(yàn)收，體驗(yàn)科學(xué)研究的整個過程。充分調(diào)動了學(xué)生的積極性，營造了一個開放、協(xié)作、自主的學(xué)習(xí)氛圍和批判性的學(xué)習(xí)環(huán)境，在綜合運(yùn)用知識的能力考核與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以及從事科學(xué)研究的思路和精神的培養(yǎng)上都起到了積極有效的促進(jìn)作用。

3 多元化的考核方式

對運(yùn)動控制系統(tǒng)課程的考核，重在理論基礎(chǔ)的掌握、學(xué)習(xí)參與的主動性、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ捏w現(xiàn)和自主創(chuàng)新的思路與能力，并由此體現(xiàn)出的綜合運(yùn)用專業(yè)理論分析和解決問題的能力。因此課程采取靈活多樣的課程考核方式，全面評價學(xué)生對知識的掌握程度和運(yùn)用能力，考核內(nèi)容主要包括課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、小組討論、實(shí)驗(yàn)及操作、期末考試等環(huán)節(jié)。理論授課考核主要從學(xué)生出勤及課堂自律能力、按時按質(zhì)獨(dú)立完成課后作業(yè)的情況等方面開展，討論課則強(qiáng)調(diào)課后調(diào)研的準(zhǔn)備、課堂討論的組織及主動交流；仿真及實(shí)驗(yàn)中考察學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中展現(xiàn)出的創(chuàng)新能力；項(xiàng)目考核考察學(xué)生在接受項(xiàng)目后所設(shè)計(jì)方案的合理性，解決問題的方法的先進(jìn)性以及從中所體現(xiàn)的學(xué)生的創(chuàng)新能力等；期末考試則重點(diǎn)考核學(xué)生對本課程基本理論、基本概念、基本方法和基本技術(shù)的學(xué)習(xí)理解和掌握情況等。采用學(xué)生互評，主講教師和助教考評等方式，進(jìn)行綜合成績評定，對學(xué)生全面考核，使得考核結(jié)果更加公平、合理、有效。

4 結(jié)語

為促進(jìn)工科學(xué)生工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，滿足社會發(fā)展需求，依托自動化、電氣工程及其自動化兩個專業(yè)的專業(yè)核心課程——運(yùn)動控制系統(tǒng)，進(jìn)行了研究性教學(xué)方法的改革與探索，通過創(chuàng)新教學(xué)模式、更新教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法、拓寬考核方式等措施的實(shí)施，在基本理論、分析解決問題能力、工程實(shí)踐、創(chuàng)新意識等方面對學(xué)生進(jìn)行全面的培養(yǎng)，取得了較好的教學(xué)效果。學(xué)生不僅較好地掌握了課程的基本內(nèi)容，并且對該課程所涉及的專業(yè)學(xué)科有了更加深刻的了解，尤其是對工業(yè)領(lǐng)域與專業(yè)知識的結(jié)合上有了新的感知，并對進(jìn)一步深造學(xué)習(xí)有了明確的方向。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，班上有60%以上的同學(xué)希望在相關(guān)學(xué)科包括控制科學(xué)與工程、電氣工程及車輛工程等繼續(xù)學(xué)習(xí)和深造。

基金項(xiàng)目：2013年江蘇省高等教育教改立項(xiàng)研究課題（2013JSJG134）；2014年江南大學(xué)《運(yùn)動控制系統(tǒng)》卓越課程建設(shè)項(xiàng)目資助

注釋

① 朱高峰.中國工程教育的現(xiàn)狀和展望[J].清華大學(xué)教育研究，2015.36（1）：13-20.

② 教育部高教司網(wǎng)站http：//www.moe.edu.cn/s78/A08/.

③ 林建.面向“卓越工程師”培養(yǎng)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容改革[J].高等工程教育研究，2011（5）：1-9.