機器人工程專業(yè)電機類課程教學改革探索

王曉華 張蕾 李珣

摘要：結(jié)合國內(nèi)機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)要求，對機器人工程專業(yè)電機類課程的教學內(nèi)容、教學方法、實踐教學以及考核方式等進行了改革，以促進機器人專業(yè)技術人才的培養(yǎng)。

關鍵詞：機器人工程專業(yè)；電機課程；人才培養(yǎng)

一、引言

機器人技術是新經(jīng)濟發(fā)展進程中的新業(yè)態(tài)，是綜合性和交叉性的前沿制造技術。機器人工程專業(yè)以新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)為背景，具有新興工科和傳統(tǒng)工科相結(jié)合的學科專業(yè)特點。普通高校培養(yǎng)的機器人工程專業(yè)人才應該是典型的交叉學科的高級應用型人才，課程內(nèi)容的設置要以加強學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為目標。

機器人由本體與電機外加控制器以及傳感器構(gòu)成，電機的重要性不言而喻。電機類課程不僅要涉及電機結(jié)構(gòu)及其建模仿真分析，還涉及到運動控制以及機器人控制等實踐應用等問題，是理論與實踐聯(lián)系較強的一門課程。這就要求我們對課程內(nèi)容進行梳理，重新構(gòu)建課程體系，使修完這一課程的學生真正具備相關的工程能力，做到學以致用。

課程教學組進行了課程體系、教學內(nèi)容、教學手段與方法以及教學實踐環(huán)節(jié)等全方位的改革，每個教學環(huán)節(jié)都緊密結(jié)合工程素質(zhì)的培養(yǎng)，使傳統(tǒng)電機類課程教學從過分理論化走向綜合應用化，激發(fā)學生學習的積極性和主動性，提高了機器人工程專業(yè)學生應用電機的能力和工程實踐能力。

二、電機及其控制課程體系改革

為適應新工科背景下應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標的要求，從課程體系到教學模式做了全方位的改革。首先，將電機學、控制電機、電機與拖動三門課調(diào)整為適合該專業(yè)培養(yǎng)要求的控制電機一門課；其次，在后續(xù)的運動控制系統(tǒng)課程中，增加DSP運動控制卡原理及使用以及現(xiàn)場總線內(nèi)容。使得學生學習完電機類課程，即可實現(xiàn)對多軸機器人的運動控制。同時，針對課程內(nèi)容的特點以及培養(yǎng)要求，為之配備完善豐富的工具類教學軟件資源，使學生更好掌握內(nèi)容的同時學習到分析問題能力與工程創(chuàng)新能力。

1.控制電機課程內(nèi)容調(diào)整

控制電機這門課的教學目標是使學生懂得常用電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，能選擇合適的電機，應用電機實現(xiàn)生產(chǎn)過程中設備的運動控制。教學組教師梳理各種電機內(nèi)容中的共性知識點集中講授，強化電機拖動及應用知識點。將內(nèi)容按照電機類型分類，按照電機的結(jié)構(gòu)-原理-運行分析-拖動技術的主線進行教學，打破了以往按照教材章節(jié)教學講授的順序，形成了直流電機-直流電機拖動-交流電機共同理論-異步電機-異步電機拖動-同步電機-微控電機的內(nèi)容主線，使得同類電機知識結(jié)構(gòu)緊湊，提高了教與學的效率。同時，引入Saber軟件以及Proteus軟件，為電機及其控制仿真提供了自主設計平臺，為學生理解電機應用、電機控制等相關內(nèi)容提供了基礎。

2.運動控制系統(tǒng)課程內(nèi)容調(diào)整

在傳統(tǒng)運動控制系統(tǒng)課程講述基本控制原理、系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)特點、分析和設計方法的基礎上，增加應用部分的內(nèi)容?？紤]到目前DSP 運動控制卡是構(gòu)建機器人硬件控制平臺的主流方式，同時，現(xiàn)場總線技術使得控制卡易于在普通工控機上實現(xiàn)與功能擴充。將課程內(nèi)容構(gòu)建為直流調(diào)速系統(tǒng)-可逆調(diào)速系統(tǒng)-直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)-交流調(diào)速系統(tǒng)-運動系統(tǒng)的控制技術-DSP多軸運動控制技術-現(xiàn)場總線技術-機器人控制技術，打破以往按照課程進行內(nèi)容設置的框架，使得電機控制在機器人載體上得到具體體現(xiàn)。引入DSP開發(fā)軟件，為實現(xiàn)電機的運動控制提供了平臺，為學生使用電機提供了基礎。

三、教學方法改革

改變過去教學中學生主體作用未能體現(xiàn)的缺點，注重學生素質(zhì)的教育和學習能力的培養(yǎng)。

1.豐富教學資源

多媒體教學方式已經(jīng)廣泛走入課堂教學中，教學組教師充分開發(fā)了電機原理、電機結(jié)構(gòu)、運動控制等動畫內(nèi)容，改變了簡單使用PPT展示內(nèi)容的狀況。同時開發(fā)了電動機啟動、電機運行特性、電動機調(diào)速特性、電機制動、運動控制中交、直流調(diào)速等內(nèi)容的仿真以及分析，將呆板的文字轉(zhuǎn)化為生動形象的內(nèi)容，增強學生對內(nèi)容的理解。

在講解電機結(jié)構(gòu)時，將部分實物零件帶入課堂，解決了平面圖缺乏立體感而不能準確理解復雜結(jié)構(gòu)的情況。

在講解DSP原理、DSP多軸控制技術以及現(xiàn)場總線技術時，提供簡單的程序以及運行結(jié)果，幫助學生快速掌握課程內(nèi)容。

2.多種教學方法靈活應用

采用啟發(fā)式教學引導學生自學，培養(yǎng)學生的學習能力。在講授完重點以及難點內(nèi)容后，對輻射性內(nèi)容講授分析思路，然后安排學生自查資料，并且應用仿真分析軟件進行分析，并且在實際實驗中驗證。采用項目式教學法，在完整講授一個模塊內(nèi)容后，布置內(nèi)容相關的小項目任務，從方案設計、電機選型到安裝調(diào)試均由學生團隊自主完成，教師只是起到指導作用。

四、課程實踐教學改革

在理論教學不斷改革的同時，也對實踐教學進行了改革，改變原來只做課程實驗的情況，增加了實踐教學環(huán)節(jié)，總體上構(gòu)建了三個層次的實踐課程體系。首先，通過課程實驗使學生獲得基本技能的訓練；其次，增加 “電機控制課程設計”環(huán)節(jié)，引導學生按照自動化系統(tǒng)的要求，合理選擇電機，應用電機構(gòu)成控制系統(tǒng)，提升學生的工程實踐能力；最后，在運動控制課程結(jié)束后，安排學生進行電機綜合訓練環(huán)節(jié)，引導學生應用DSP技術與現(xiàn)場總線技術調(diào)試機器人系統(tǒng)進行多電機協(xié)同工作，推動學生綜合設計能力與工程創(chuàng)新實踐能力的提升。

五、考核方式改革

電機類課程是理論與實踐結(jié)合性較強的課程。簡單傳統(tǒng)的閉卷考核方式難以達到考核學生綜合應用能力的目的。將考核方式多樣化，考核內(nèi)容涵蓋課堂討論、仿真報告、課程設計、綜合實驗答辯、閉卷考試5個部分。各個考核環(huán)節(jié)的實施，不但做到了對學習過程的監(jiān)控，使得學生學習的主觀能動性提高，真正成為教學主體。各個環(huán)節(jié)的設置，也培養(yǎng)了學生的綜合能力，報告撰寫環(huán)節(jié)鍛煉了學生的文字組織能力，通過答辯環(huán)節(jié)提升學生的語言表達能力，綜合實驗過程培養(yǎng)了團隊協(xié)作能力。

六、結(jié)束語

機器人工程電機類課程的改革，全面提升了電機類課程的內(nèi)涵，使得學生更加重視“學—用”結(jié)合學生學習效果明顯，對工程教育背景下學生自身能力的提高以及終身學習習慣的培養(yǎng)具有重要意義。

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基金項目：教育部人文社會科學研究專項任務項目（工程科技人才培養(yǎng)研究）資助，項目編號：18JDGC029；西安工程大學基礎課程質(zhì)量提升項目資助，編號：201713.

作者簡介：王曉華（1972—），女，漢，黑龍江，工學博士，教授，主要從事機器人技術的教學與科研工作。

（作者單位：西安工程大學電子信息學院）