新工科背景下“DSP數(shù)字控制技術(shù)”課程四位一體教學(xué)模式探索

陳榮 康偉 趙仁德

摘 ? ?要：“DSP數(shù)字控制技術(shù)”是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)課，其課程內(nèi)容多且分散、學(xué)時少，教學(xué)內(nèi)容及方法難于把握和學(xué)生不重視等影響了教學(xué)效果與學(xué)生能力的提高。為了提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng) “新工科”人才，文章提出“課堂教學(xué)+編程實踐+實驗驗證+工程訓(xùn)練”四位一體教學(xué)模式。教學(xué)實踐表明，四位一體教學(xué)模式可以有效改善教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的能力，進而提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：新工科;教學(xué)模式;DSP數(shù)字控制技術(shù)

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2019）09-0038-03

近年來，國內(nèi)工科院校的教學(xué)改革工作如火如荼，特別是“教育部關(guān)于中央部門所屬高校深化教育教學(xué)改革的指導(dǎo)意見”的提出，明確到2020年，中央部門所屬高校人才培養(yǎng)中心地位和本科教學(xué)基礎(chǔ)地位得到進一步鞏固和加強，學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)和人才培養(yǎng)類型結(jié)構(gòu)更加適應(yīng)國家和區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展需要，以支撐新工科背景下，創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展導(dǎo)向[1-3]，使得各工科院校不斷推進教學(xué)改革，有效提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量，但也存在部分專業(yè)課程教學(xué)理念相對滯后，課程內(nèi)容陳舊，教學(xué)方法單一，實踐教學(xué)比較薄弱的問題[4-5]。

數(shù)字信號處理器（Digital signal processor，簡稱DSP），與之相關(guān)的“DSP數(shù)字控制技術(shù)”是中國石油大學(xué)（華東）電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)課，是“電力電子技術(shù)”“電機學(xué)”和“電力拖動自動控制系統(tǒng)”等課程的后續(xù)課程，又是“風(fēng)力發(fā)電技術(shù)”“太陽能發(fā)電技術(shù)”“微電網(wǎng)技術(shù)”和“柔性輸變電技術(shù)”等課程的先修課程?！癉SP數(shù)字控制技術(shù)”的課程特點使得原有的“教師傳授模式”，以教材、教師和教室為中心，教師在教室講教材，學(xué)生在實驗室做實驗，已不能滿足新工科背景下，課程學(xué)時減少，重學(xué)生能力培養(yǎng)的要求[6-9];必須轉(zhuǎn)變已有“課堂教學(xué)+實驗驗證”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，引入“課堂教學(xué)+編程實踐+實驗驗證+工程訓(xùn)練”四位一體教學(xué)模式[10]，既有助于學(xué)生更好地掌握“DSP數(shù)字控制技術(shù)”基礎(chǔ)知識，“帶著問題學(xué)”又有利于學(xué)生將所學(xué)知識融會貫通，真正實現(xiàn)由“教會、會學(xué)”向“想學(xué)、享學(xué)”的轉(zhuǎn)變。

一、“DSP數(shù)字控制技術(shù)”教學(xué)現(xiàn)狀

相較于電氣工程及其自動化專業(yè)的其他專業(yè)課程，“DSP數(shù)字控制技術(shù)”有其獨特特點，比如內(nèi)容多且松散、內(nèi)容擴展性強和強調(diào)應(yīng)用等，使得課程教學(xué)過程中會遇到諸多問題，解決不好將影響課程教學(xué)效果和學(xué)生能力的提升。

（一）課程內(nèi)容多且分散，學(xué)時少

該課程包含DSP和數(shù)字控制兩部分內(nèi)容，特別是DSP部分，主要包含以下內(nèi)容：DSP的基本工作原理、系統(tǒng)時鐘及定時器、統(tǒng)一尋址的數(shù)據(jù)/程序存儲器、集成化開發(fā)環(huán)境、輸入/輸出端口、中斷系統(tǒng)、A/D變換器、PWM單元、正交編碼模塊和其他外擴接口等，其中A/D變換器、PWM單元和正交編碼模塊在電氣工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，需要作為重點內(nèi)容進行講授;作為基礎(chǔ)的工作原理、系統(tǒng)時鐘及定時器、統(tǒng)一尋址的數(shù)據(jù)/程序存儲器、輸入/輸出端口和中斷系統(tǒng)等也需要進行講解。基于DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)實現(xiàn)，尤其是系統(tǒng)控制算法的應(yīng)用，需要結(jié)合具體電氣工程領(lǐng)域應(yīng)用進行闡述。對電氣工程及其自動化專業(yè)的學(xué)生而言，該課程內(nèi)容多且分散、學(xué)習(xí)內(nèi)容難記;對講授該課程的教師而言，教學(xué)學(xué)時少且學(xué)生水平參差不齊，很難合理安排教學(xué)內(nèi)容，重基礎(chǔ)輕應(yīng)用，對電氣工程領(lǐng)域應(yīng)用內(nèi)容很少涉及，不利于學(xué)生所學(xué)知識的融會貫通。

（二）教師對課程內(nèi)容與教學(xué)方法的把握不到位

課程教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不一樣，同時教學(xué)學(xué)時少，教學(xué)內(nèi)容與規(guī)劃必須合理，這樣對教師提出了更高要求。整個課程體系，既要涉及先修課程的教學(xué)內(nèi)容，比如“C語言”“微機原理”“電力電子技術(shù)”和“自動控制原理”等，又要涉及DSP的知識和數(shù)字控制內(nèi)容，還要求學(xué)生將所學(xué)知識融會貫通，這些都要求教師能很好地把握教學(xué)內(nèi)容及進度并設(shè)計合理可行的課程設(shè)計任務(wù)。一旦教師對先修課程講授內(nèi)容掌握得不夠好，對課程教學(xué)內(nèi)容安排及教學(xué)要求把握不到位，未能將本課程內(nèi)容與前后課程內(nèi)容融會貫通，不能將所學(xué)知識與專業(yè)應(yīng)用有機結(jié)合，都將影響課程教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

（三）學(xué)生不夠重視

1.近幾年電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)壓力較小，尤其是中國石油大學(xué)的電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)生，三分之一以上去了電業(yè)公司，同時其他行業(yè)對電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的需求也較大，只要能畢業(yè)就能找到不錯的工作，直接導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性變差，上課睡覺、玩手機的現(xiàn)象時有發(fā)生，缺乏學(xué)習(xí)的動力。

2.部分課程的教學(xué)內(nèi)容老化、各課程教學(xué)內(nèi)容條塊分割，使得學(xué)生只知“所以然”，不知“如何用”，喪失了學(xué)習(xí)的動機。學(xué)習(xí)動力的欠缺和學(xué)習(xí)動機的喪失，更是直接影響了學(xué)生對課程知識的掌握水平。

二、“課堂教學(xué)+編程實踐+實驗驗證+工程訓(xùn)練”四位一體教學(xué)模式的構(gòu)建

針對“DSP數(shù)字控制技術(shù)”課程內(nèi)容多且分散、教學(xué)課時較少、教學(xué)內(nèi)容難于把握和學(xué)生重視度不夠的現(xiàn)狀，在教學(xué)過程中，教師必須把握教學(xué)大綱要求、理解教學(xué)目的，改變傳統(tǒng)的“教學(xué)內(nèi)容老化、條塊分割”教學(xué)模式，結(jié)合學(xué)生情況和課程教學(xué)要求，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計適合“教中學(xué)、實踐中學(xué)”的新教學(xué)方法，有的放矢，充分利用現(xiàn)有的教學(xué)學(xué)時，有效提高學(xué)生對該課程內(nèi)容的掌握水平，提升電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生理論聯(lián)系實際、解決實際問題的能力，推動學(xué)生由被動學(xué)習(xí)向主動學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變。基于上述考慮，本文提出“課堂教學(xué)+編程實踐+實驗驗證+工程訓(xùn)練”四位一體教學(xué)模式。

（一）任務(wù)驅(qū)動的模塊化內(nèi)容教學(xué)

1.考慮到“DSP數(shù)字控制技術(shù)”課程課堂教學(xué)內(nèi)容多且分散，易忘不易記，不利于學(xué)生對其掌握的實際，結(jié)合DSP功能模塊化、編程寄存器化的特點，發(fā)揮功能模塊寄存器操作便于標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)勢，講授DSP功能時，重點講授其中一種或幾種功能的實現(xiàn)過程，由點及面，快速擴展，真正實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的模塊化。

2.結(jié)合電氣技術(shù)及其自動化專業(yè)的三個培養(yǎng)方向

（電力拖動、電力系統(tǒng)和新能源）的需求，選擇四個典型的項目作為設(shè)計目標(biāo)，由學(xué)生自主選擇完成其中的一個，分別是電流控制單相并網(wǎng)逆變器設(shè)計、電壓空間矢量控制三相逆變器程序設(shè)計、三相電網(wǎng)多功能（電壓、電流、功率等）參數(shù)測量儀設(shè)計和矢量控制高性能三相逆變器設(shè)計等，每個項目又可分解為若干小任務(wù)，課堂教學(xué)過程中穿插進行講解，再配合課下小組討論完善設(shè)計內(nèi)容。在教學(xué)實施過程中，需實驗室提供基礎(chǔ)硬件，學(xué)生自行設(shè)計外圍電路，以提高學(xué)生的設(shè)計能力。

（二）重基礎(chǔ)和應(yīng)用的編程實踐

任務(wù)驅(qū)動的模塊化內(nèi)容教學(xué)部分，前文提出了四個典型項目，通過對項目設(shè)計任務(wù)的分析可知，涉及輸入輸出、系統(tǒng)時鐘、中斷控制、A/D變換、PWM變換、正交編碼等功能，故將上述內(nèi)容作為教學(xué)的核心內(nèi)容并設(shè)計相應(yīng)的實驗內(nèi)容，要求學(xué)生編寫相應(yīng)的程序并設(shè)計驗證用硬件電路。在課堂講授、編程實踐和設(shè)計驗證用硬件電路過程中，學(xué)生可深入理解DSP的程序設(shè)計思路、外圍電路設(shè)計方法和實驗過程，進而提高學(xué)生理解知識、掌握知識和應(yīng)用知識解決實際問題的能力。

（三）基于專業(yè)需求的實驗驗證

結(jié)合電氣工程及其自動化專業(yè)背景，前文提出的四個典型設(shè)計項目，從新能源[11]、電力拖動[12]和電力系統(tǒng)的應(yīng)用角度，規(guī)劃設(shè)計內(nèi)容，并提出設(shè)計要求。編程實踐部分主要完成基本功能，如輸入輸出、簡單A/D變換、單一PWM變換和頻率測量等，并未將相關(guān)內(nèi)容與電氣行業(yè)應(yīng)用有機結(jié)合，因而有必要將所學(xué)知識與電氣行業(yè)應(yīng)用結(jié)合起來。實驗驗證部分，需將編程實踐部分的內(nèi)容進行組合，功能重新設(shè)計。以電壓空間矢量控制三相逆變器程序設(shè)計為例，主要包含逆變器啟?？刂?、逆變器輸出控制、逆變器保護和逆變器人機接口等功能模塊，其中逆變器輸出控制又分為輸出頻率控制和PWM調(diào)制輸出兩部分，上述功能的實現(xiàn)，需要實時監(jiān)測輸入端口和控制輸出端口狀態(tài)，實時測量逆變器輸入、輸出端電壓和電流，均是編程實踐部分功能的深入應(yīng)用，在學(xué)時有限的情況下，需要學(xué)生選擇實現(xiàn)部分功能。

（四）新工科背景下的工程實踐

科技發(fā)展日新月異，新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式對電氣工程及其自動化專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了更高要求，需要教師根據(jù)需要，對教學(xué)過程進行實時調(diào)整，以滿足“新工科”人才培養(yǎng)的需要。結(jié)合前文提出的四個設(shè)計目標(biāo)，緊扣行業(yè)應(yīng)用設(shè)計實踐環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生從硬件和軟件兩個角度，設(shè)計實現(xiàn)方案，優(yōu)化設(shè)計方案，鼓勵學(xué)生借助軟件仿真、自行搭建控制電路或利用實驗室已有實驗平臺驗證設(shè)計方案的可行性，在“課堂教學(xué)+編程實踐+實驗驗證”的基礎(chǔ)上，完成應(yīng)用背景下的工程訓(xùn)練，使得學(xué)生可以從專業(yè)背景的角度審視所學(xué)知識，學(xué)會用所學(xué)知識解決實際問題，進而提高自身專業(yè)素養(yǎng)。

三、新能源綜合實踐環(huán)節(jié)

在前文提出的四個典型設(shè)計任務(wù)之一的“電流控制單相并網(wǎng)逆變器” 基礎(chǔ)上，“DSP數(shù)字控制技術(shù)”課程組教師，結(jié)合新能源發(fā)展趨勢，補充實驗內(nèi)容，將其升格為必修環(huán)節(jié)，即新能源綜合實踐環(huán)節(jié)。與原有的實驗內(nèi)容相比，（1）調(diào)整了DSP型號，將課程中講授的TMS320F28335調(diào)整為TMS320F28377S，選擇同系列的更新型號，以強化訓(xùn)練學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的能力;（2）從太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電的角度，利用實驗室現(xiàn)有條件，引導(dǎo)學(xué)生模擬太陽能發(fā)電場景，提高學(xué)生解決問題的能力，培養(yǎng)解決問題的“工程思維”。光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由光伏電池模擬環(huán)節(jié)、并網(wǎng)逆變器（DC/AC）、并網(wǎng)模擬環(huán)節(jié)和控制環(huán)節(jié)等四部分組成。（1）光伏電池模擬環(huán)節(jié)，通過實時采集可編程直流電源的輸出電壓和電流，編寫程序?qū)崟r控制可編程直流電源輸出，從而模擬太陽能電池陣列的輸出特性[13];（2）并網(wǎng)模擬環(huán)節(jié)，主要模擬電網(wǎng)變換，利用LC濾波環(huán)節(jié)，濾除并網(wǎng)逆變器（DC/AC）輸出的高頻干擾，確保流過負(fù)載電流按照電網(wǎng)規(guī)律變化，并可根據(jù)負(fù)載變化進行控制;（3）控制環(huán)節(jié)以TMS320F28377S為控制核心，主要實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器（DC/AC）輸入電壓、電流采集，電網(wǎng)電壓采集和負(fù)載電流、電壓采集，控制負(fù)載電流按照預(yù)期規(guī)律變化。

借助新能源綜合實踐環(huán)節(jié)，既可以提高學(xué)生對“DSP數(shù)字控制技術(shù)”課程相關(guān)知識的掌握水平，又可以將所學(xué)知識，如電壓、電流閉環(huán)控制和光伏發(fā)電最大功率跟蹤控制等相結(jié)合，實現(xiàn)所學(xué)知識的融會貫通;DSP數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用，承上啟下，從專業(yè)角度“帶著問題學(xué)”，實現(xiàn)由“教會、會學(xué)”向“想學(xué)、享學(xué)”的轉(zhuǎn)變，有利于學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的進一步提高。

“課堂教學(xué)+編程實踐+實驗驗證+工程訓(xùn)練” 四位一體教學(xué)模式，是電氣工程及其自動化專業(yè)課程教學(xué)的一種嘗試，是在既有教學(xué)模式基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前發(fā)展趨勢，在學(xué)習(xí)目的、動機和方法方面的一種探索，其核心是從單純理論教學(xué)到項目驅(qū)動式教學(xué)的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)“被動學(xué)”到“主動學(xué)”的范式轉(zhuǎn)變。電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生還處在打基礎(chǔ)階段，所以“課堂教學(xué)+編程實踐”可有效夯實基礎(chǔ)，而“實驗驗證+工程訓(xùn)練”又可以完成專業(yè)技能訓(xùn)練，克服理論教學(xué)脫離實踐的不足，在理論、實踐再理論、實踐的過程中，不斷提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。

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