工程教育認(rèn)證背景下的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)改革探索與實(shí)踐

蘇建強(qiáng)

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010080）

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命正蓬勃興起，工程技術(shù)人才作為科技和產(chǎn)業(yè)革命的主力軍，其培養(yǎng)質(zhì)量關(guān)系中國在未來產(chǎn)業(yè)中的地位，為推進(jìn)工程人才培養(yǎng)與國際接軌，中國在2016年正式加入工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》，國內(nèi)各高校遵循“以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的基本理念，持續(xù)推進(jìn)工程教育專業(yè)認(rèn)證[1-2]。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)以培養(yǎng)在電力、能源工業(yè)等領(lǐng)域從事控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、運(yùn)行及管理等方面工作的高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才為目標(biāo)，通過設(shè)置科學(xué)合理課程模塊，搭建校企合作實(shí)訓(xùn)基地等一系措施，突出培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，增強(qiáng)了專業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為自動(dòng)化專業(yè)的一門核心課程，課程涉及電力電子技術(shù)、電機(jī)與拖動(dòng)、自動(dòng)控制原理等基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)，作為核心專業(yè)課其課程目標(biāo)定位不僅僅是專業(yè)知識(shí)的積累，更重要的是系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，從而支撐自動(dòng)化專業(yè)的畢業(yè)目標(biāo)[3-4]。

1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程面臨的問題

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為自動(dòng)化專業(yè)的核心課程，在實(shí)踐中課程建設(shè)面臨著一些新的問題，與工程教育認(rèn)證的三大理念不相適應(yīng)，難以滿足自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)需求。

（1）課程內(nèi)容陳舊，難以滿足工業(yè)發(fā)展需求。原來的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容以直流電機(jī)調(diào)速為主，而隨著控制理論、電力電子以及微電子技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域交流調(diào)速系統(tǒng)逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)已是不爭(zhēng)的事實(shí)，交流調(diào)速系統(tǒng)正朝著大容量、高性能、網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展。高校作為科技排頭兵，如果不能及時(shí)更新授課內(nèi)容，難以有效支撐人才培養(yǎng)要求，難以滿足產(chǎn)業(yè)化要求。

（2）以教授知識(shí)為主，難以滿足工程認(rèn)證對(duì)能力培養(yǎng)要求。工程認(rèn)證更加突出對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)出導(dǎo)向，在前期課程實(shí)踐中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)授課主要突出綜合應(yīng)用所學(xué)的電機(jī)、電力電子等相關(guān)知識(shí)，注重教授書本知識(shí)，缺少工程認(rèn)證中要求學(xué)生具備對(duì)復(fù)雜工程問題的分析、設(shè)計(jì)以及研究能力的培養(yǎng)。

（3）學(xué)生參與度不高，難以有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。工程教育專業(yè)認(rèn)證要求教學(xué)是以學(xué)生為“中心”，以“培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，解決復(fù)雜工程問題和團(tuán)隊(duì)合作能力”為目標(biāo)。原先教學(xué)模式，由于課程涉及知識(shí)多、專業(yè)性強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生不愿意深入課程學(xué)習(xí)，更多的以刷題為題，滿足于會(huì)做題，不去深究，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，更難以培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。

（4）實(shí)驗(yàn)單一，難以滿足學(xué)生工程實(shí)踐能力提升要求。原先的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，依托浙江求是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在兩周內(nèi)完成直流調(diào)速四個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生按部就班按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置功能單一且都封閉在箱柜里，學(xué)生難以將理論和實(shí)驗(yàn)有機(jī)統(tǒng)一，對(duì)硬件知識(shí)一知半解，對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的現(xiàn)象知其然不知其所以然，工程實(shí)踐能力難以得到有效鍛煉。

2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程體系改革

結(jié)合產(chǎn)業(yè)背景根據(jù)工程認(rèn)證三大理念要求以及自動(dòng)化培養(yǎng)目標(biāo)定位，制定了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)新的課程標(biāo)準(zhǔn)。在制定課程標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，從課程內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)三個(gè)方面進(jìn)行改革與探索。

2.1 基于工程背景的課程內(nèi)容改革

結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展、社會(huì)需求和自動(dòng)化專業(yè)的師資隊(duì)伍、學(xué)生學(xué)習(xí)情況以及學(xué)校硬件建設(shè)情況，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行全面改革。

（1）在保留直流調(diào)速基本內(nèi)容體系的基礎(chǔ)上，刪減直流調(diào)速部分內(nèi)容。增加交流調(diào)速內(nèi)容，主要包含基于穩(wěn)態(tài)模型的變壓變頻調(diào)速和基于動(dòng)態(tài)模型的矢量控制調(diào)速。直流和交流部分各占到學(xué)時(shí)的50%，一方面，直流調(diào)速的學(xué)習(xí)為交流調(diào)速的奠定基礎(chǔ)，另一方面，交流調(diào)速適應(yīng)新的產(chǎn)業(yè)需要，同時(shí)滿足了工程認(rèn)證中對(duì)復(fù)雜工程問題的要求。

（2）根據(jù)工程認(rèn)證中畢業(yè)目標(biāo)要求，調(diào)整電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)模塊課程中相關(guān)內(nèi)容。結(jié)合專業(yè)中課程模塊設(shè)置，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為該模塊中最后一門專業(yè)課，對(duì)其他支撐課程進(jìn)行適度調(diào)整。

（3）結(jié)合產(chǎn)業(yè)背景，增加項(xiàng)目案例教學(xué)內(nèi)容。運(yùn)動(dòng)控制是一門理論性高、實(shí)踐性強(qiáng)的課程，為進(jìn)一步加強(qiáng)課程理論與工程實(shí)驗(yàn)聯(lián)系，并以此激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，課堂上主要增加了風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)、電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械臂控制系統(tǒng)等教學(xué)案例。

2.2 基于學(xué)生為中心的教學(xué)方法改革

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)按傳統(tǒng)的教學(xué)方法以教師為中心講授，課程理論抽象，學(xué)生理解難，參與度不高。工程教育專業(yè)認(rèn)證中更加強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，基于此在原有教學(xué)方法的基礎(chǔ)上引入新的教學(xué)方法。

（1）加入學(xué)生主講的研討式教學(xué)方法。根據(jù)案例教學(xué)內(nèi)容提供的項(xiàng)目，學(xué)生3人一組，選定項(xiàng)目，進(jìn)行查閱資料、方案設(shè)計(jì)、撰寫報(bào)告，并在課堂上講解。教師僅起引導(dǎo)作用，教學(xué)的主體是學(xué)生，從而培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)精神與合作能力。

（2）將雨課堂引入課程中。為進(jìn)一步增加學(xué)生參與度，在課前將PPT發(fā)送給學(xué)生；在課堂上通過雨課堂的在線測(cè)試功能，并針對(duì)學(xué)生的共性問題進(jìn)行重點(diǎn)解答；課程后與學(xué)生在線交流。雨課堂中的動(dòng)畫演示、視頻以及其他網(wǎng)絡(luò)資源等現(xiàn)代教學(xué)輔助方法，有效提高了學(xué)生的興趣。

（3）增加了課下項(xiàng)目作業(yè)。在課下增加了項(xiàng)目作業(yè)，通過在Matlab中建模，并進(jìn)行仿真分析，參數(shù)設(shè)計(jì)。一方面，提升了學(xué)生的主動(dòng)自學(xué)以及查閱資料的能力，讓學(xué)生了解有關(guān)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的前沿知識(shí)，拓展了學(xué)生的視野；另一方面，通過仿真將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來，克服了先前理論和實(shí)驗(yàn)“兩層皮”的問題，同時(shí)也為實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定基礎(chǔ)。

2.3 基于四層級(jí)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

針對(duì)工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，實(shí)驗(yàn)課將理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合、將實(shí)驗(yàn)與能力培養(yǎng)緊密結(jié)合，改變傳統(tǒng)接線、測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，采用了電機(jī)參數(shù)測(cè)試—建模仿真—整體設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)調(diào)試的教學(xué)模式。首先依托實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)被控對(duì)象—電機(jī)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量；而后結(jié)合前期的項(xiàng)目作業(yè)，根據(jù)搭建的仿真模型，依托基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中測(cè)的電機(jī)相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行模型修正，并進(jìn)行仿真分析；再根據(jù)實(shí)驗(yàn)中具體指標(biāo)要求進(jìn)行電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析仿真結(jié)果、計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否一致，如達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求繼續(xù)進(jìn)行新一輪仿真、設(shè)計(jì)，直至達(dá)到預(yù)期效果。通過參數(shù)測(cè)試、理論設(shè)計(jì)、仿真分析、綜合實(shí)驗(yàn)的四層實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，有效提高了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。

2.4 教學(xué)改革效果對(duì)比分析

經(jīng)過兩個(gè)年級(jí)的教學(xué)改革與探索，本課程的改革方式無論在教學(xué)效果和學(xué)生的滿意程度上都有較好表現(xiàn)，預(yù)定課程目標(biāo)全部達(dá)成，尤其是學(xué)生的分析問題、設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能力明顯增強(qiáng)。最近一次運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程目標(biāo)達(dá)成度調(diào)查中，優(yōu)秀率11%，良好率24.3%，優(yōu)良率提升了23.1%。

3 總結(jié)

結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程的教學(xué)改革進(jìn)行了深入的思考并做了一些有益的教學(xué)改革實(shí)踐與探索。以工程認(rèn)證三大理念為導(dǎo)向，重點(diǎn)在課程內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)三個(gè)方面進(jìn)行改革與探索，全方位鍛煉了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。