應(yīng)用型本科“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”教材建設(shè)探討

田衛(wèi)華 龐新富 包妍 閆鴻魁

摘 要：“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的教材建設(shè)是應(yīng)用型本科自動(dòng)化類專業(yè)教學(xué)建設(shè)的重要內(nèi)容之一。針對(duì)應(yīng)用型本科教材的現(xiàn)狀和不足，根據(jù)當(dāng)前自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生就業(yè)崗位群對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)所提出的能力要求，提出理論結(jié)合實(shí)踐，從系統(tǒng)和應(yīng)用角度去理解相關(guān)理論和技術(shù)的編寫思想。對(duì)工程應(yīng)用型“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”教材的內(nèi)容選編、編寫形式、案例選材和立體化建設(shè)等進(jìn)行了探討。最后，給出對(duì)應(yīng)用型教材建設(shè)的幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；教材建設(shè)；立體化教材

中圖分類號(hào)：G647 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）08-0082-03

Abstract： Teaching material construction of the course of motion control system is one of the important content of the construction of the major of automation in application-oriented undergraduate. In view of the situation and insufficiency of teaching material for application-oriented undergraduate， and according to the proposed ability requirements of the applied talents cultivating for the current students employment group， the idea of theory combined with practice and from the perspective of system and application to understand the related theory and technology is put forward. Then， the content， written form， cases selection and stereoscopic construction of the applied teaching material of motion control system are discussed in this paper. Finally， some suggestions about the construction of applied teaching materials are provided.

Keywords： application-oriented undergraduate； motion control system； teaching matieral control； stereoscopic teaching material

引言

應(yīng)用型本科教育，是以本科教育為主，面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)，以學(xué)科為依托，以應(yīng)用型專業(yè)教育為基礎(chǔ)，以社會(huì)人才需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才，以培養(yǎng)知識(shí)、能力和素質(zhì)全面而協(xié)調(diào)發(fā)展，面向生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)一線的高級(jí)應(yīng)用型人才為目標(biāo)定位的高等教育。應(yīng)用型本科教育是一種新的教育類型，它的辦學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)是既要有一定的學(xué)術(shù)性，又要有一定的實(shí)踐性，其所培養(yǎng)的是“應(yīng)用型人才”[1]。對(duì)于應(yīng)用型院校本科畢業(yè)生來(lái)說(shuō)，將來(lái)就業(yè)方向主要是基層一線，面對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維護(hù)和系統(tǒng)集成等電氣技術(shù)工作，需要的是系統(tǒng)的思維能力、寬廣的知識(shí)面、較強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。而對(duì)于復(fù)雜理論內(nèi)容則是以夠用為度。因此，應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)要注重實(shí)踐性和應(yīng)用型，也要兼顧基本理論知識(shí)的系統(tǒng)性。“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程是自動(dòng)化類專業(yè)的一門必修課。該課程綜合性強(qiáng)，具有理論聯(lián)系實(shí)際的突出特點(diǎn)，從系統(tǒng)的角度培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)分析與綜合的能力，對(duì)電氣信息類學(xué)生掌握自動(dòng)化領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)和技能，提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力，起著重要的作用。課程教學(xué)目標(biāo)是通過(guò)課程教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、知識(shí)綜合運(yùn)用能力、工程實(shí)踐能力、分析解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新能力。學(xué)習(xí)該課程后，使學(xué)生逐漸具有系統(tǒng)觀念、工程觀念、創(chuàng)新觀念以便適應(yīng)職業(yè)崗位能力需求[2，3]。

為更好地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程的教學(xué)目標(biāo)，滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，探索應(yīng)用型教材編寫方法以及教材立體化的實(shí)現(xiàn)具有重要的實(shí)際意義。

一、應(yīng)用型教材建設(shè)的迫切性

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程作為電氣工程和自動(dòng)化類專業(yè)的一門專業(yè)必修課，已有多種版本的教材在各高校使用。通過(guò)對(duì)相關(guān)專業(yè)學(xué)生就業(yè)崗位技能需求情況的調(diào)查分析，當(dāng)前“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教材上存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（一）適用于“應(yīng)用型”本科的教材極少

近年來(lái)，一大批地方高校向應(yīng)用型本科的轉(zhuǎn)型建設(shè)如火如荼。應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)要從過(guò)去偏重于基礎(chǔ)知識(shí)和艱深的理論傳授向應(yīng)用能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)轉(zhuǎn)型[4]。目前“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”本科教材絕大多數(shù)更側(cè)重知識(shí)的系統(tǒng)性和理論基礎(chǔ)，對(duì)學(xué)生的抽象思維和數(shù)理知識(shí)有一定要求，更適合“研究型”本科，卻并不適合“應(yīng)用型”本科。而且，多數(shù)教材沒(méi)有完整的工程實(shí)際案例，或案例陳舊，不能與專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展相適應(yīng)。

（二）教材編寫形式單一，缺乏新穎生動(dòng)的表現(xiàn)形式

目前，大部分“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”教材的表現(xiàn)形式單一，平鋪直敘，無(wú)法吸引學(xué)生眼球；重要知識(shí)點(diǎn)和典型問(wèn)題沒(méi)有突出；缺乏對(duì)讀者啟發(fā)與互動(dòng)性，無(wú)法引起學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣。教材中原理框圖和示意圖居多，缺乏高清實(shí)物圖，讀者很難將理論與實(shí)際聯(lián)系起來(lái)等等。

在“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)中，由于上述問(wèn)題的存在，造成課程教學(xué)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)和綜合設(shè)計(jì)及應(yīng)用能力達(dá)不到教學(xué)要求，嚴(yán)重影響了后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。因此，編寫一本適用于應(yīng)用型本科的“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”教材，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字化資源建設(shè)，融合現(xiàn)代信息技術(shù)，拓寬學(xué)生獲取知識(shí)的渠道，這是至關(guān)重要的。

二、教材編寫思路

本教材的開(kāi)發(fā)是在依據(jù)當(dāng)前自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生就業(yè)崗位群對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)所提出的能力要求，在面向智能制造的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程群建設(shè)的基礎(chǔ)上，作者對(duì)工程應(yīng)用型“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”教材的內(nèi)容選編、編寫形式、案例選材和立體化建設(shè)等進(jìn)行了探索。為使學(xué)生在知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，能理論結(jié)合實(shí)踐，從系統(tǒng)和應(yīng)用角度去理解相關(guān)理論和技術(shù)，嘗試如下教材結(jié)構(gòu)和教學(xué)思想，即從現(xiàn)代工程應(yīng)用案例出發(fā)提出系統(tǒng)需求，由系統(tǒng)需求引出相關(guān)理論知識(shí)，而后利用理論與工程實(shí)現(xiàn)方法指導(dǎo)實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程。同時(shí)，通過(guò)Matlab仿真對(duì)理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行及時(shí)的驗(yàn)證，以加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解。

三、教材開(kāi)發(fā)與研究

（一）明確教學(xué)目標(biāo)，整合優(yōu)化教材內(nèi)容

本課程的教學(xué)目標(biāo)是通過(guò)課程教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、知識(shí)綜合運(yùn)用能力、工程實(shí)踐能力、分析和解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新能力。學(xué)習(xí)該課程后，使學(xué)生逐漸具有系統(tǒng)觀念、工程觀念、創(chuàng)新觀念以便適應(yīng)職業(yè)崗位能力需求。教材內(nèi)容吸收了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已在工程上應(yīng)用得比較成熟的新技術(shù)，去除了部分直流調(diào)速系統(tǒng)的陳舊內(nèi)容。全書(shū)內(nèi)容分為轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、交流調(diào)速系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以及典型應(yīng)用案例分析等。秉承“理論夠用，注重應(yīng)用”的理念，對(duì)基本原理講透，對(duì)高深理論簡(jiǎn)略，特別強(qiáng)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用。

（二）編寫形式新穎，帶入感強(qiáng)

教材在結(jié)構(gòu)組織上按照“學(xué)習(xí)目標(biāo)→能力目標(biāo)→案例描述→知識(shí)及過(guò)程敘述→案例實(shí)現(xiàn)→小結(jié)→習(xí)題”，層次分明、條理清晰，邏輯性強(qiáng)；與工程設(shè)計(jì)思維方式及過(guò)程相吻合；采取順序化和模塊化相結(jié)合，對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)及各種能力的培養(yǎng)及拓展極為有效。

1. 每一章都以一個(gè)典型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖將各節(jié)內(nèi)容串聯(lián)起來(lái)。在每一章的開(kāi)頭，給出這個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖并突出本章內(nèi)容在典型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中所處的位置，使讀者能夠直觀地看到本章知識(shí)的地位與作用及其與系統(tǒng)內(nèi)其他組成部分的聯(lián)系。

2. 借鑒國(guó)外成功教材的編寫模式，增加高清實(shí)物圖。書(shū)中所述的系統(tǒng)及部件不再是單純的方框圖的形式而是盡量來(lái)自工程實(shí)際的實(shí)物圖片，一方面增強(qiáng)了讀者閱讀興趣，同時(shí)也使讀者能迅速地將書(shū)本內(nèi)容與工程實(shí)際進(jìn)行對(duì)接，更有助于理論聯(lián)系實(shí)際。

3. 章節(jié)后面設(shè)置與工程實(shí)際相關(guān)的小貼士。在每章后面設(shè)置不同的小貼士，可以是小知識(shí)、小問(wèn)題，也可以是網(wǎng)址鏈接，以增強(qiáng)啟發(fā)性與互動(dòng)性。例如，在異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速的后面，可以設(shè)置通用型變頻器的選用方法介紹；在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容講述完畢后，可以設(shè)置個(gè)小問(wèn)題“如果轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的反饋線斷了，系統(tǒng)的輸出及性能將會(huì)怎樣？”等等。

（三）結(jié)合案例，以生產(chǎn)工程為導(dǎo)向，突出應(yīng)用能力培養(yǎng)

本書(shū)在交直流調(diào)速和伺服系統(tǒng)各章節(jié)中，根據(jù)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，首先引出典型工程應(yīng)用實(shí)例，以典型實(shí)例為主線，通過(guò)功能技術(shù)需求分析，提出設(shè)計(jì)任務(wù)和系統(tǒng)解決方案，引導(dǎo)學(xué)生建立系統(tǒng)概念，明確要解決的問(wèn)題，使學(xué)生能帶著問(wèn)題、帶著對(duì)知識(shí)和技術(shù)的需求學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。進(jìn)而以應(yīng)用例子為解決目標(biāo)，引出交直流調(diào)速系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等應(yīng)用較廣的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)、Matlab仿真設(shè)計(jì)、常用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式及工程實(shí)現(xiàn)方法，以突出應(yīng)用能力培養(yǎng)。

例如轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)案例——軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)”的案例描述為：“在許多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合生產(chǎn)設(shè)備都有調(diào)速的要求。上一章討論的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，用PI調(diào)節(jié)器雖然能保證動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，并用電流截止負(fù)反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現(xiàn)過(guò)電流現(xiàn)象，但在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)卻較少得到應(yīng)用，這是為什么呢？生產(chǎn)設(shè)備常用的直流調(diào)速方法是什么？本章將圍繞某廠軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行分析。”然后，給出場(chǎng)景描述“某廠軋機(jī)用于將厚度為2.6-6.0mm的紫銅或合金胚材軋制成厚度為1.0-2.5mm的成品薄板，軋制生產(chǎn)線傳動(dòng)子系統(tǒng)由直流電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、齒輪座和連接軸等組成”。軋機(jī)工作輥的直流傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能滿足如下的基本工藝要求：

1. 啟動(dòng)到給料速度——加速到規(guī)定速度-恒速軋制——制動(dòng)到給料速度一停止；

2. 在軋制時(shí)，軋機(jī)軋輥速度自動(dòng)保持不變；

3. 可根據(jù)不同的軋制要求對(duì)軋機(jī)軋輥速度進(jìn)行調(diào)節(jié)；

4. 能夠以系統(tǒng)允許的最大加速度快速啟動(dòng)及制動(dòng)。

（四）反映學(xué)科及應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展

在當(dāng)前“智能制造”背景下，數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化正在成為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主流，并且多軸、分布式、伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有非常廣泛的應(yīng)用，本書(shū)擬把這些知識(shí)獨(dú)立成章進(jìn)行詳細(xì)講解。最后，結(jié)合工程實(shí)際分析介紹恒壓供水系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、太陽(yáng)能雙軸伺服控制系統(tǒng)等典型應(yīng)用系統(tǒng)，以開(kāi)拓學(xué)生視野，加深學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用認(rèn)識(shí)。

四、教材立體化與資源建設(shè)

立體化教材是將現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，不僅拓展了教學(xué)資源的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，而且也促使了與之密切相關(guān)的課程教學(xué)模式的改變。它使得課程教學(xué)的時(shí)空結(jié)構(gòu)以及活動(dòng)方式發(fā)生了改變，使得學(xué)習(xí)的過(guò)程與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系更加緊密。這就要求在教材建設(shè)過(guò)程中，既要注重教材的編寫，還要注重教材數(shù)字資源的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)教材的立體化，以便從多個(gè)方面充實(shí)課程教學(xué)[5，6]。因此，我們?cè)凇斑\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”教材編寫的同時(shí)，也建設(shè)了與本教材配套的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，包括課程教學(xué)視頻、PPT、試題庫(kù)、重點(diǎn)與難點(diǎn)解析、習(xí)題解答、工程應(yīng)用視頻等。利用學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺(tái)，將這些數(shù)字化資源為學(xué)生所利用，并開(kāi)展自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)等研究型教學(xué)，使學(xué)生線上學(xué)習(xí)和線下學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)了師生互動(dòng)，拓廣了課程教學(xué)空間。此外，教學(xué)空間的拓廣也使得課程考核辦法更加多元化。例如，我們?cè)?014級(jí)自動(dòng)化專業(yè)實(shí)施了基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)課堂，基于手機(jī)APP的線上測(cè)試等等，多元化的教學(xué)空間促進(jìn)了多元化的考試方法改革，成績(jī)?cè)u(píng)定更加全面、真實(shí)、合理，實(shí)踐結(jié)果證明學(xué)生對(duì)課程的滿意度提高了2個(gè)百分點(diǎn)，實(shí)施教學(xué)改革的5個(gè)班，有3個(gè)班及格率為百分之百，另兩個(gè)班及格率為97%，總優(yōu)秀率達(dá)18%以上，同比2013級(jí)有顯著的提高。

隨著“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程立體化教材建設(shè)的深入進(jìn)行，以及相應(yīng)教學(xué)方法的應(yīng)用，課程教學(xué)改革可以有效地提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”應(yīng)用型教材建設(shè)的研究與實(shí)踐，作者提出以下三點(diǎn)建議：

（1）在應(yīng)用型教材內(nèi)容上應(yīng)以“實(shí)用為主，夠用為度”，并且要反映專業(yè)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的最新發(fā)展，而校企合作開(kāi)發(fā)教材能夠最大限度地滿足職業(yè)崗位能力需求。

（2）在應(yīng)用型教材編寫模式上力爭(zhēng)有更大的突破和創(chuàng)新，形成獨(dú)特的風(fēng)格和特色，并加以推廣應(yīng)用。

（3）大力推進(jìn)基于能力模塊的系列化應(yīng)用型教材建設(shè)、教材數(shù)字化資源建設(shè)，打造應(yīng)用型精品教材。

目前，我國(guó)應(yīng)用型本科院校的教材建設(shè)相對(duì)滯后，不能滿足地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和行業(yè)（企業(yè)）的用人需求。積極探索開(kāi)發(fā)和建設(shè)應(yīng)用型本科教材具有重要實(shí)際意義。

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