運動控制系統(tǒng)課程教學(xué)改革探索

魯敏 龔立嬌 郭天圣 周偉績

摘 要 運動控制系統(tǒng)是電氣工程及其自動化專業(yè)核心課程，難度大，綜合性強，實踐性更強。針對運動控制系統(tǒng)課程教學(xué)，從改革理論教學(xué)、優(yōu)化實踐環(huán)節(jié)、面向?qū)嶋H工程培養(yǎng)等方面，實現(xiàn)課程群的建設(shè)與改善。

關(guān)鍵詞 運動控制系統(tǒng)；核心課程；課程群；仿真實踐教學(xué)；MATLAB；實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）16-0093-03

1 引言

運動控制系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)和社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，運動控制系統(tǒng)課程電氣自動化及其自動化專業(yè)的專業(yè)核心課程?，F(xiàn)代運動控制技術(shù)以各類電動機為控制對象，以計算機和其他電子裝置為控制手段，以電力電子裝置為弱電控制強電的紐帶，以自動控制理論和信息處理理論為理論基礎(chǔ)，以計算機數(shù)字仿真和計算機輔助設(shè)計為研究和開發(fā)的工具。由此可見，課程涉及電路理論、電機學(xué)、電力電子技術(shù)、自動控制原理、計算機控制、控制系統(tǒng)仿真、DSP原理等知識，是一門多學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科。

運動控制系統(tǒng)分為直流部分、交流部分和伺服電機控制三部分，由于主要研究電機轉(zhuǎn)速的控制，也有書籍稱其為調(diào)速技術(shù)。該課程的綜合性強，與實際應(yīng)用聯(lián)系緊密，對知識的融會貫通能力和實踐動手能力都有很高的要求。在實際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，如果學(xué)生不能將前期分散學(xué)習(xí)的各科基礎(chǔ)知識綜合地應(yīng)用到該專業(yè)主干課程的學(xué)習(xí)中，將給運動控制系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)帶來很大困難，這也使得該課程成為自動化專業(yè)比較難教和難學(xué)的一門課程。因此，如何改革傳統(tǒng)的教學(xué)方式，提高運動控制系統(tǒng)課程的教學(xué)質(zhì)量，是一項很有意義的教學(xué)嘗試。

2 改革理論教學(xué)

存在問題 目前，石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)2017級之前的學(xué)生采用2014版人才培養(yǎng)方案，2017級學(xué)生采用2017版培養(yǎng)方案，這兩版人才培養(yǎng)方案對于運動控制系統(tǒng)課程的定位和開課時間基本沒有變化，說明目前人才培養(yǎng)方案對于運動控制系統(tǒng)課程的培養(yǎng)方式并沒有做出大的改動。電氣工程及其自動化專業(yè)教學(xué)大綱中設(shè)定的基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課程大多關(guān)注課程本身的知識重點、難點和深度，較少關(guān)注各門課程之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此使得每門課程之間的知識點容易出現(xiàn)相互脫節(jié)的現(xiàn)象。

運動控制系統(tǒng)一般在三年級下學(xué)期或四年級上學(xué)期開設(shè)，此時學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課已基本學(xué)完，然而在各門課程的知識理解和靈活運用上，相當(dāng)一部分學(xué)生還有待提高，這就給學(xué)生學(xué)習(xí)該課程帶來困難。隨著課程進(jìn)度的深入，一些學(xué)生會感覺跟不上課程的節(jié)奏，出現(xiàn)掉隊的現(xiàn)象，教師不得不在運動控制系統(tǒng)課程的課堂上重新復(fù)習(xí)以上專業(yè)基礎(chǔ)課程中的相關(guān)知識，在授課學(xué)時受限的情況下影響課程教學(xué)進(jìn)度，很多與課程內(nèi)容相關(guān)的前沿知識和擴(kuò)展知識無法進(jìn)行補充。課程內(nèi)容經(jīng)典但略顯陳舊，沒能完全調(diào)動起學(xué)生的內(nèi)在主動性和學(xué)習(xí)積極性。因此需要對理論教學(xué)進(jìn)行改革，課程群的概念應(yīng)運而生。通過四屆學(xué)生的教學(xué)實踐，取得較好的效果，學(xué)生和教師反映也不錯。

建立運動控制系統(tǒng)課程群 為了解決上述問題，可以按照基礎(chǔ)課—專業(yè)基礎(chǔ)課—專業(yè)課的理論課程立體體系建設(shè)。在學(xué)生開始學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課時，圍繞運動控制系統(tǒng)課程的前期準(zhǔn)備知識體系，建立運動控制系統(tǒng)課程群，群中涵蓋基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和基礎(chǔ)課，包括高等數(shù)學(xué)、電路理論、電機學(xué)、電力電子技術(shù)、自動控制原理、計算機控制與仿真技術(shù)等相關(guān)課程，構(gòu)建完整的運動控制系統(tǒng)課程教學(xué)體系，使學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中能圍繞一根主線，知識層層遞進(jìn)，內(nèi)容逐漸加深，實踐性逐步增強。特別是在進(jìn)行前期教學(xué)過程中，應(yīng)考慮后續(xù)課程的內(nèi)容關(guān)聯(lián)，可有意識地提前引入相關(guān)內(nèi)容，使學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中保持學(xué)習(xí)鏈完整、學(xué)習(xí)內(nèi)容齊備。目前，石河子大學(xué)機電學(xué)院電氣系已經(jīng)在開展運動控制系統(tǒng)群建設(shè)，學(xué)生反映效果較好，能夠?qū)⒅R前后連貫，也可以對前面學(xué)習(xí)的課程理解得更加深入。

3 優(yōu)化實踐環(huán)節(jié)

仿真實踐環(huán)節(jié) 運動控制系統(tǒng)課程實踐性很強，但是也需要從理論知識開始，因此，設(shè)定教學(xué)順序為理論教學(xué)→仿真實踐教學(xué)→實驗教學(xué)→案例研討教學(xué)。其中，仿真實踐環(huán)節(jié)和實驗教學(xué)環(huán)節(jié)是銜接理論教學(xué)和案例研討教學(xué)的橋梁。在仿真實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，MATLAB的應(yīng)用大大提高了學(xué)習(xí)質(zhì)量和對理論的理解程度，應(yīng)加大課時分配。在整個課程教學(xué)過程中，包括直流部分、交流部分和伺服部分，均可采用MATLAB建立模型和運行仿真。學(xué)生通過仿真分析，可以直觀地了解交直流電機和伺服電機的控制效果，特別是理論教學(xué)內(nèi)容中關(guān)于電機控制部分，也可以將自己的控制算法寫入程序，驗證控制效果，是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)質(zhì)量的有力工具。

同時，可以將仿真教學(xué)直接引入課堂，而不僅僅是在實驗室，在上課理論講解的同時，通過仿真，演示電機的運行狀態(tài)，直觀地展示控制策略對被控對象的控制效果，學(xué)生接受度會提高很多。目前的教學(xué)改革方案中加大了課堂仿真分析和演示的課時分配，編寫了課堂仿真實驗教案，積極推行教學(xué)改革，提高教學(xué)水平。

實驗教學(xué)環(huán)節(jié) 實驗教學(xué)是仿真教學(xué)的有益補充，學(xué)生在仿真分析后，已經(jīng)有了基本的理論理解和初步的實驗設(shè)想，通過實際測量和操作實驗裝置，可以彌補仿真實驗中對具象（如電機）的理解。通過實際測量相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，可以和仿真結(jié)果相對比，通過分析其中的異同，理解仿真和實驗對于理論知識的不同作用。對于程度較好的學(xué)生，可以提前進(jìn)入實驗室，接觸相關(guān)研究平臺，提高學(xué)生的科研水平。實驗按照驗證性實驗→綜合性實驗→創(chuàng)新性實驗的順序進(jìn)行。學(xué)生從驗證性實驗開始，對理論學(xué)習(xí)和仿真的模型和算法進(jìn)行驗證，加深理解；然后可以將直流部分、交流部分的幾個相關(guān)實驗綜合在一起，對直流調(diào)速、交流調(diào)速有一個整體的印象；在此基礎(chǔ)上再開展創(chuàng)新性實驗，根據(jù)教師提出的設(shè)計要求，選擇器件，設(shè)計控制器，設(shè)置參數(shù)，最終完成一個完整的設(shè)計過程，整體水平有較大提高。

目前的實驗臺為掛件式，學(xué)生在設(shè)計實驗時同時需要選出所需掛件，配合實驗臺上的通用模塊（電源模塊、測量模塊等），完成一個完整的實驗過程。

案例研討教學(xué) 目前科技發(fā)展迅速，學(xué)生僅僅依靠課本上學(xué)習(xí)的知識已經(jīng)不能跟上科技的發(fā)展、時代的發(fā)展，所以，文獻(xiàn)閱讀是本科學(xué)生需要掌握的一項新的技能。在以往的教學(xué)中，教學(xué)主體是教師，受體是學(xué)生，教師的水平?jīng)Q定了學(xué)生的水平。目前信息技術(shù)快速發(fā)展，使學(xué)生除了可以從教師處得到知識，也可以通過強大的互聯(lián)網(wǎng)得到最新發(fā)展，這就需要教師引導(dǎo)學(xué)生去關(guān)注和閱讀，并就和專業(yè)與課程相關(guān)的案例進(jìn)行研討。在研討過程中，學(xué)生可以將已學(xué)過的知識和新知識融合，不斷開闊視野，提高學(xué)習(xí)能力。

案例教學(xué)一般是由教師根據(jù)所學(xué)內(nèi)容，結(jié)合目前技術(shù)的發(fā)展，給學(xué)生制定一個范圍，讓學(xué)生在此范圍內(nèi)查找相關(guān)實例，對實例進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的討論，最終以小組答辯的形式給出成績。在學(xué)生答辯時，不僅教師提問，其他學(xué)生也可以就相關(guān)內(nèi)容提出疑問，增強互動性。案例教學(xué)在石河子大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)已經(jīng)實施四屆，效果逐漸體現(xiàn)：學(xué)生對于課程的興趣提高，查閱文獻(xiàn)和閱讀文獻(xiàn)的技能也不斷增長，這反映在學(xué)生做畢業(yè)設(shè)計時對文獻(xiàn)的查閱和快速反應(yīng)上，對學(xué)生的幫助很大。

4 面向工程培養(yǎng)

運動控制系統(tǒng)是一門實踐性非常強的課程，本質(zhì)上是面向工程的，但是在實際教學(xué)中，由于教學(xué)要求和培養(yǎng)模式的限制，無法使課程直接面向工程實際，這對一門實踐性強的課程來說，學(xué)習(xí)效果會大打折扣。因此，在運動控制系統(tǒng)課程教學(xué)中嘗試面向工程實際，通過實際的工程項目，使學(xué)生對課程的應(yīng)用性有更加深刻的認(rèn)識。本項目目前在申請學(xué)校的教改課題，將復(fù)雜的工程問題嵌入課堂教學(xué)中，達(dá)到理論聯(lián)系實際、實踐促進(jìn)理論的目的。

學(xué)校在開展此項工作時取得較好的效果，學(xué)生對于課程學(xué)習(xí)的興趣增加，同時對于課本知識也由于實際的工程項目得到更新。學(xué)校還專門開展學(xué)生工程項目訓(xùn)練工作，讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，針對實際的工程問題，提出解決方案，并通過仿真和實驗的方法驗證，使學(xué)生的科研能力得到提升，并且可以完善后可以參加全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽。經(jīng)過幾年的實踐，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到提高，也有不少項目通過面向工程這種培養(yǎng)方式，使學(xué)生在繼續(xù)科研和就業(yè)方面具有優(yōu)勢，收到良好效果。

5 結(jié)語

針對目前運動控制系統(tǒng)課程出現(xiàn)的教學(xué)手段和培養(yǎng)方式方面的問題，通過采用改革理論教學(xué)模式、優(yōu)化實踐教學(xué)、面向工程實際培養(yǎng)等方式，制定了從基礎(chǔ)課到專業(yè)基礎(chǔ)課再到專業(yè)核心課的課程群方案，加強課程之間的關(guān)聯(lián)；通過加強MATLAB仿真實踐與實驗教學(xué)，提高學(xué)生的實踐能力。通過面向工程實際的培養(yǎng)方式，使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的同時，對于工程實際有了初步的了解，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)研究素養(yǎng)。此教學(xué)改革思路有助于解決運動控制系統(tǒng)課程難學(xué)和難教的問題，希望對于其他綜合性和實踐性較強的專業(yè)課程提高教學(xué)質(zhì)量具有參考和借鑒價值。

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