新工科理念下變頻控制技術(shù)課程混合式教學(xué)模式探索

付麗君 孫金根 吳東升

[摘 要]新工科建設(shè)勢在必行，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及各種教學(xué)模式的探索和信息化教學(xué)平臺的建設(shè)，都為變頻控制技術(shù)課程教學(xué)的改革奠定了基礎(chǔ)。高等教育的教學(xué)模式應(yīng)當(dāng)與時俱進(jìn)，筆者結(jié)合多年來教學(xué)和指導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生競賽的經(jīng)驗(yàn)，將各種適合本課程的教學(xué)模式進(jìn)行融合，引入教學(xué)中，提高了工程教育的人才培養(yǎng)水平。

[關(guān)鍵詞]新工科;教學(xué)模式融合;信息化教育;項(xiàng)目式教學(xué)

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）10-0102-03

為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“一帶一路”等一系列國家戰(zhàn)略，完成加快中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的轉(zhuǎn)變，國家急需培養(yǎng)一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐。為此，2016年國家提出了“新工科”這一概念[1]。

為了新工科的實(shí)施，2017年教育部組織國內(nèi)高校進(jìn)行深入研討，積極推進(jìn)新工科的建設(shè)，在形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”的基礎(chǔ)上，2017年6月9日，來自高校、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的30余位專家，在北京召開新工科研究與實(shí)踐專家組成立暨第一次工作會議，全面地啟動、系統(tǒng)地部署新工科建設(shè)。在對科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟(jì)背景帶來的時代新機(jī)遇、聚焦國家新需求、謀劃工程教育新發(fā)展進(jìn)行深入研討下，此次會議審議通過了《新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》，即“北京指南”，為新工科建設(shè)制訂了指導(dǎo)指南，為探索領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式的形成，為工程教育提供中國經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)指明了方向[1-3]。

新工科相對于傳統(tǒng)工科專業(yè)人才培養(yǎng)，是以新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)為背景，為未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型人才。新工科更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通信、電子控制、軟件設(shè)計(jì)等新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合[2]。自動化專業(yè)作為傳統(tǒng)工科專業(yè)，如何加快專業(yè)的改造升級，主動融合信息、電子科學(xué)與技術(shù)以及計(jì)算機(jī)等專業(yè)的新理論和新技術(shù)，打造自動化專業(yè)建設(shè)的新格局，彰顯自動化專業(yè)發(fā)展及建設(shè)的新活力，適應(yīng)國家新工科發(fā)展戰(zhàn)略是專業(yè)研究的課題。

變頻控制技術(shù)是高等學(xué)校自動化專業(yè)的主干專業(yè)課程，對培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)有非常大的作用，在專業(yè)教學(xué)和建設(shè)中占有重要地位。變頻控制技術(shù)是自動控制領(lǐng)域非常重要的實(shí)用技術(shù)，對于高等本科教育來說，變頻控制技術(shù)課程教學(xué)大綱要求學(xué)生既要掌握變頻控制理論也要掌握變頻器應(yīng)用知識，是一門理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[4]。如何在教學(xué)中優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，將各種先進(jìn)的教學(xué)模式以及信息化技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，是新工科培養(yǎng)導(dǎo)向下變頻控制技術(shù)教學(xué)開展中需要解決的問題。

一、變頻控制技術(shù)教學(xué)中存在的問題

變頻控制技術(shù)教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生既要掌握變頻控制技術(shù)的基本概念和先進(jìn)的變頻技術(shù)理論，又要掌握變頻器的基本構(gòu)造及新型變頻器的使用和調(diào)試方法，為工業(yè)現(xiàn)場培養(yǎng)從事變頻調(diào)速系統(tǒng)方面的科研、設(shè)計(jì)、調(diào)試的電氣工程技術(shù)人員。變頻控制理論涉及自動控制理論、電機(jī)與拖動、電力電子技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課內(nèi)容;變頻器是由單片機(jī)或數(shù)字信號處理器構(gòu)成的一個強(qiáng)弱電結(jié)合的電氣設(shè)備，變頻器應(yīng)用涉及可編程控制技術(shù)、常規(guī)電氣控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等。為保證學(xué)生在學(xué)習(xí)前有足夠的專業(yè)知識，本課程都安排在教學(xué)計(jì)劃的最后，具有鮮明的工程特色，在培養(yǎng)學(xué)生建立工程概念、工程實(shí)踐能力，提高學(xué)生的工程綜合素質(zhì)有重要作用[4]。隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，課堂教學(xué)時數(shù)少與教學(xué)內(nèi)容多的矛盾越來越突出。如何依托新工科教學(xué)理念，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，利用先進(jìn)的信息化教學(xué)技術(shù)，探索培養(yǎng)新工科人才的教學(xué)模式，提高教學(xué)效率是亟待研究探討的問題。

二、變頻控制技術(shù)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

變頻控制技術(shù)課程理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，如何合理地安排變頻控制技術(shù)理論和變頻器應(yīng)用內(nèi)容，使學(xué)生高質(zhì)量地既能掌握變頻控制理論，又能掌握先進(jìn)的變頻器使用和調(diào)試方法，是我們教學(xué)中要研究和探索的任務(wù)。根據(jù)課程大綱要求和教學(xué)內(nèi)容，我們將內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化，分成了五個部分：（1）變頻控制理論;（2）變頻器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu);（3）變頻器產(chǎn)品介紹;（4）變頻器的常用功能及參數(shù)設(shè)置與調(diào)試;（5）變頻器應(yīng)用及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

變頻控制理論部分內(nèi)容主要有變頻變壓原理、交流電動機(jī)采用變頻供電后對機(jī)械特性的影響、三種逆變器的脈寬調(diào)制技術(shù)、矢量控制理論和直接轉(zhuǎn)矩控制理論。變頻器內(nèi)部電路構(gòu)成部分內(nèi)容主要講授最常用的交-直-交變頻器，介紹各部分電路的組成與作用。變頻器的常用功能主要以目前高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備中廣泛使用的西門子公司MM4系列變頻器為主進(jìn)行講解，并根據(jù)變頻器最新發(fā)展情況，升級課程內(nèi)容，將西門子新型伺服驅(qū)動器SINAMICS S120引入教學(xué)中。該驅(qū)動器能實(shí)現(xiàn)伺服控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，該伺服驅(qū)動器采用模塊化結(jié)構(gòu)，電源模塊具有三種類型，包括基本電源模塊（BLM）、具有回饋功能的非調(diào)節(jié)電源模塊（SLM）和具有回饋功能并采用專利技術(shù)AFE的調(diào)節(jié)型電源模塊（ALM），各模塊之間采用了Drive-CLIQ接口通信，是未來變頻器的發(fā)展方向，也是目前教育部“西門子杯”智能制造挑戰(zhàn)賽運(yùn)動控制比賽中所采用的驅(qū)動器。變頻器的常用功能以西門子MM4系列變頻器為例講授，并講授利用操作面板設(shè)置參數(shù)及調(diào)試方法。隨著驅(qū)動產(chǎn)品功能的越來越強(qiáng)，變頻器的調(diào)試經(jīng)常采用調(diào)試工具軟件進(jìn)行，因此以SINAMICS S120為例講解利用工具軟件STARTER調(diào)試的方法。通信技術(shù)已廣泛地應(yīng)用到現(xiàn)代運(yùn)動控制系統(tǒng)中，因此在教學(xué)中介紹了現(xiàn)代運(yùn)動控制系統(tǒng)的構(gòu)成，講解可編程控制器（PLC）、觸摸屏（HMI）和變頻器在運(yùn)動控制系統(tǒng)中的作用，以及它們之間的通信方法，使教學(xué)內(nèi)容更貼近實(shí)際。變頻器產(chǎn)品部分主要簡單介紹國內(nèi)外變頻器廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品。變頻器應(yīng)用及系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容講解了三類負(fù)載采用變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并以六個實(shí)例講解變頻器的應(yīng)用。

三、變頻控制技術(shù)教學(xué)模式的改革

我們將變頻控制技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容分成了五個部分，而這五個部分的內(nèi)容各有特點(diǎn)，有單獨(dú)的理論部分，有單獨(dú)的變頻器調(diào)試部分等。如果課程講授只是采用一種教學(xué)模式，就會很難達(dá)到較好的教學(xué)效果?！氨本┲改稀敝袕?qiáng)調(diào)新工科更加注重模式創(chuàng)新，所以我們應(yīng)針對不同的教學(xué)內(nèi)容采用不同的教學(xué)模式，嘗試在一門課的教學(xué)中采用多種教學(xué)方法的融合，形成一種混合式教學(xué)模式。

（一）課堂教學(xué)與網(wǎng)上資源共享課融合的教學(xué)模式

變頻控制理論學(xué)習(xí)有一定的難度，尤其是矢量控制理論，學(xué)生接受起來很困難，學(xué)生學(xué)習(xí)起來也感到枯燥乏味，如果學(xué)時不充裕的話很難達(dá)到較好的教學(xué)效果。教育的信息化為我們教學(xué)的開展創(chuàng)立了新的平臺，國家和各省都開展了精品共享課的建設(shè)，為各個高校提供共享的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。遼寧省本科教學(xué)管理平臺的共享課資源交流拖動自動控制系統(tǒng)課程，系統(tǒng)地講授了交流調(diào)速的理論知識，包括交流電動機(jī)的變頻調(diào)速理論。因此，變頻控制理論部分的教學(xué)我們采用課堂教學(xué)與網(wǎng)上資源共享課教學(xué)相結(jié)合的模式開展。我們在課堂上根據(jù)內(nèi)容，首先提出需要掌握的知識點(diǎn)，讓學(xué)生帶著問題到網(wǎng)上資源共享課中學(xué)習(xí)，找答案。如學(xué)習(xí)變頻調(diào)速原理時，提出：是不是在實(shí)際的交流電動機(jī)調(diào)速中，只變頻就可以達(dá)到改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制？矢量控制的基本思路是什么，為什么矢量控制中要進(jìn)行坐標(biāo)變換？在學(xué)生上網(wǎng)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生在課堂上進(jìn)行討論，師生互動，改變傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)生只管“聽”的多年積弊，將“單聲道”的課堂教學(xué)模式變?yōu)榻涣鳌懻摰摹岸嗦暤馈苯虒W(xué)模式。這樣，既調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，又達(dá)到了很好的學(xué)習(xí)效果，充分地利用了教育信息化的資源，提高了課堂教學(xué)的效率，節(jié)省了課堂時數(shù)。

（二）將各大變頻器生產(chǎn)廠商宣傳資源引入教學(xué)

在變頻器介紹中，充分利用國內(nèi)外各大生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品宣傳片，如Simense MM4系列變頻器、RockWell變頻器和大陸希望集團(tuán)的森蘭變頻器等，讓學(xué)生通過視頻了解變頻器的生產(chǎn)過程、變頻器實(shí)際內(nèi)部構(gòu)件，使學(xué)生既了解到變頻器實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)情況，又對變頻器有了感性認(rèn)知，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

（三）利用多媒體教學(xué)的優(yōu)勢開展變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)教學(xué)

在講授變頻器內(nèi)部電路時，利用多媒體教學(xué)的優(yōu)勢，可以加入大量變頻器內(nèi)部構(gòu)造以及外部端子的排列圖片，增大傳授的信息量，克服了傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生只停留在電路的學(xué)習(xí)，跟實(shí)際電氣產(chǎn)品相脫鉤的弊端。

（四）引進(jìn)項(xiàng)目式教學(xué)模式

根據(jù)變頻器常用功能參數(shù)設(shè)置與調(diào)試部分教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，我們覺得更適合采用項(xiàng)目式教學(xué)模式。為此，根據(jù)實(shí)際變頻器應(yīng)用系統(tǒng)中常用的基本功能，我們結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，在充分考慮學(xué)生需要掌握哪些知識點(diǎn)和操作技能的情況下，有針對性和實(shí)用性地設(shè)置了四個項(xiàng)目，見表1所示。教學(xué)由淺入深地，將變頻器常用功能的參數(shù)設(shè)置與調(diào)試方法通過一個個具體的項(xiàng)目串聯(lián)起來展開，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握變頻器的常用功能使用和調(diào)試方法，使學(xué)生綜合運(yùn)用變頻器的能力得到提高[4-6]。

在學(xué)生對項(xiàng)目充分準(zhǔn)備后，將進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室按項(xiàng)目要求逐一開展實(shí)踐教學(xué)過程，由簡單任務(wù)到復(fù)雜任務(wù)，使學(xué)生對變頻器的操作日益熟練。學(xué)生看到自己按項(xiàng)目要求實(shí)現(xiàn)了功能操作，有了成就感，也提高了學(xué)習(xí)的興趣。在整個項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐過程中，學(xué)生在具有一定的理論知識后，通過準(zhǔn)備，再通過實(shí)踐驗(yàn)證理論知識，并在項(xiàng)目的實(shí)施過程中針對不斷出現(xiàn)的問題，學(xué)會了解決問題的方法，使工程素質(zhì)有了很大提升。

通過讓學(xué)生帶著項(xiàng)目去學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為中心”和“回歸工程”新工科教育理念，培養(yǎng)學(xué)生不僅只是學(xué)習(xí)書本上的內(nèi)容，還會根據(jù)問題學(xué)會查閱技術(shù)手冊解決問題的習(xí)慣，增強(qiáng)了學(xué)生獨(dú)立思考能力，加強(qiáng)對未來工程師的素質(zhì)培養(yǎng)。

（五）引導(dǎo)式教學(xué)與課程設(shè)計(jì)無縫銜接

變頻控制技術(shù)課程一般都設(shè)置課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，注重理念的引領(lǐng)。變頻控制技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的知識采用了引導(dǎo)式教學(xué)模式，以某個類型負(fù)載變頻調(diào)速系統(tǒng)為例，從電機(jī)容量的選擇、變頻器的選擇，到外圍電氣器件的選擇，只講解設(shè)計(jì)思路，具體如何計(jì)算、選擇和設(shè)計(jì)留到課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中由學(xué)生自學(xué)，然后完成設(shè)計(jì)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)課程與課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)的銜接，培養(yǎng)學(xué)生工程整體概念和設(shè)計(jì)能力。

四、結(jié)束語

變頻控制技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)是理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，從多年的授課經(jīng)驗(yàn)來看，單獨(dú)一種教學(xué)模式并不適合該門課程的教學(xué)。新工科強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)教學(xué)模式的創(chuàng)新，作為老工科專業(yè)的課程應(yīng)當(dāng)與時俱進(jìn)，因此在教學(xué)中要探索將多種教學(xué)模式進(jìn)行融合，并利用信息化的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源開展教學(xué)。由省優(yōu)秀教師在共享課信息化教學(xué)平臺上講授，使學(xué)生能夠系統(tǒng)地學(xué)習(xí)變頻控制理論，也可以解決課程內(nèi)容多學(xué)時少的矛盾;采用項(xiàng)目式教學(xué)模式，通過設(shè)置由簡單到復(fù)雜的項(xiàng)目任務(wù)，使學(xué)生學(xué)中做，做中學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目實(shí)施，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和求知欲，也提高了學(xué)生獨(dú)立思考問題能力、實(shí)際操作變頻器能力和解決問題能力;將變頻器生產(chǎn)廠商的宣傳片引入教學(xué)，真實(shí)展現(xiàn)了變頻器的應(yīng)用，開闊了視野，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)動力;對照多媒體教學(xué)演示的實(shí)際產(chǎn)品構(gòu)造圖片講解，拋開了照本宣科式的枯燥教學(xué)，更能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;采用引導(dǎo)式教學(xué)，可以與課程設(shè)計(jì)更好地銜接，為后續(xù)教學(xué)工作取得更好的效果打下基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]