項目式教學(xué)推動下的電氣控制類課程群教學(xué)改革

孫鳳鳴 孫犇淵 黃超

摘 要：為順應(yīng)新工科建設(shè)中“新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式”的要求，同時滿足飛行器動力工程本科專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求中的“針對復(fù)雜工程問題，能夠發(fā)現(xiàn)、評估和選擇完成工程任務(wù)所需的方法和技術(shù)，確定解決方案”的指標(biāo)點，以課程群為教學(xué)研究對象，對學(xué)院電氣控制類課程群進(jìn)行優(yōu)化重構(gòu)。將“伺服電機驅(qū)動控制”這一項目按課程進(jìn)行分解，在“單片機原理與應(yīng)用”“電工學(xué)”和“自動控制原理”三門課程中實行項目分段式設(shè)計與實踐，增強課程群知識點間的銜接，培養(yǎng)學(xué)生以系統(tǒng)性思維解決實際問題的能力。同時，通過技術(shù)博客等形式，補充項目設(shè)計過程中課堂外的知識，實現(xiàn)線上線下關(guān)聯(lián)互通，拓寬學(xué)生知識視野。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問題；項目式教學(xué)改革；課程群；新能源

中圖分類號：G642? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 概述

為增強在新一輪產(chǎn)業(yè)升級和科技革命中的競爭力，中國教育界在2017年2月開始了新工科建設(shè)。新工科建設(shè)順應(yīng)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和“新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)”為代表的新經(jīng)濟發(fā)展趨勢，對工程科技人才的培養(yǎng)提出了更高要求。

新工科建設(shè)中，強調(diào)研究“學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)”，面向新經(jīng)濟發(fā)展需要、面向未來、面向世界，開展新興工科專業(yè)的研究與探索，對傳統(tǒng)工科專業(yè)進(jìn)行更新升級等［1］。飛行器動力工程專業(yè)作為一門培養(yǎng)從事飛行器動力及其他能源動力裝置設(shè)計、研究、生產(chǎn)運營和技術(shù)管理的復(fù)合型高級工程技術(shù)人才的專業(yè)，目前正面臨著能源動力裝置電氣化的挑戰(zhàn)。以全電飛機、多電飛機和新能源汽車為代表的電氣化浪潮正迅猛發(fā)展。而該專業(yè)的電氣控制類課程的課時相對有限，有必要以該類課程群為對象進(jìn)行教學(xué)研究與探索，以提升授課效率和效果，適應(yīng)傳統(tǒng)工科專業(yè)更新升級的需求。

中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院是中國民航大學(xué)與法國航空航天大學(xué)校集團合辦的教育部備案的中外合作辦學(xué)機構(gòu)。學(xué)院致力于培養(yǎng)具有深厚數(shù)理基礎(chǔ)、廣博學(xué)科專業(yè)知識、跨文化交流與協(xié)作、系統(tǒng)思維、卓越工程素質(zhì)與創(chuàng)新能力，從事航空工程領(lǐng)域的研發(fā)、制造與運行的國際化復(fù)合型高端人才［24］。對所設(shè)飛行器動力工程專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)要求中有“針對復(fù)雜工程問題，能夠發(fā)現(xiàn)、評估和選擇完成工程任務(wù)所需的方法和技術(shù)，確定解決方案”的指標(biāo)點。隨著國家對本科教育重視程度的不斷提高，國家科技創(chuàng)新需求對各層級技術(shù)與研究人員的下沉，解決復(fù)雜工程問題的能力越來越被重視，以往以課程為單元進(jìn)行項目式教學(xué)模式已逐漸不能滿足要求。從實際需求中選取實際項目加以簡化，選擇項目覆蓋知識點相關(guān)的課程群為單元進(jìn)行項目式教學(xué)，能夠使學(xué)生以系統(tǒng)性思維分析較為復(fù)雜的問題。

2 課程群教學(xué)改革的研究現(xiàn)狀

以課程群的形式統(tǒng)一組織教學(xué)內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)引起了眾多高校教師的研究興趣。謝啟等人對自動化測試技術(shù)課程群進(jìn)行了基于項目驅(qū)動的教學(xué)探索，以解決所屬各門課程之間教學(xué)內(nèi)容獨立而缺乏系統(tǒng)整合的問題［5］。許德智等人對運動控制類課程群采用學(xué)科競賽、科研項目開發(fā)、跨課程統(tǒng)一資源庫建設(shè)等手段進(jìn)行多維度教學(xué)模式的研究與實踐［6］。以課程群為對象進(jìn)行教學(xué)改革能夠有效銜接同一課程群的各門課程間的知識點，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

以項目的形式推進(jìn)課程群教學(xué)改革可以培養(yǎng)學(xué)生以系統(tǒng)性思維解決復(fù)雜工程問題的能力。項目式教學(xué)作為一種提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、鍛煉學(xué)生實踐能力的教學(xué)模式已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是在相近課程間的項目案例式教學(xué)往往存在以下問題：

2.1 項目碎片化，課程間缺乏知識關(guān)聯(lián)性

以中歐學(xué)院飛行器動力工程專業(yè)的課程為例，“單片機原理與應(yīng)用”“電工學(xué)”和“自動控制原理”三門課程是電氣控制課程群中三門相近課程，相互間有內(nèi)容援引。但是，其中的項目案例往往獨立設(shè)計，呈現(xiàn)碎片化，缺少關(guān)聯(lián)性，難以實現(xiàn)培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力的目標(biāo)。

2.2 缺乏市場調(diào)研，項目內(nèi)容與社會實踐脫節(jié)

在“單片機原理與應(yīng)用”課程中，所采用的AVR單片機是基于寄存器的編程方式，現(xiàn)已逐漸被基于庫函數(shù)和基于圖形化的編程方式代替。盡管單片機原理類似，但更新其內(nèi)容有助于提高學(xué)生將來的技術(shù)競爭力。在“電工學(xué)”課程中，通常圍繞傳統(tǒng)異步電機展開項目實踐。異步電機雖然在當(dāng)前社會仍占有相當(dāng)?shù)姆蓊~，但是在新能源應(yīng)用中已處于劣勢地位，逐漸被無刷直流電機和永磁同步電機代替。

2.3 項目案例培養(yǎng)目標(biāo)等級單一，難以因材施教

由于學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握程度、新知識接受能力和興趣愛好不一，應(yīng)在項目案例中實行分級指導(dǎo)措施。針對低需求的學(xué)生以引導(dǎo)其掌握基本原理為主，而對高需求的學(xué)生應(yīng)采取措施，提升其知識掌握與應(yīng)用程度。

3 項目式教學(xué)推動的課程群建設(shè)

通過對中歐學(xué)院電氣控制類課程群進(jìn)行優(yōu)化重構(gòu)，利用“伺服電機驅(qū)動控制”這一項目進(jìn)行仿真度較高的項目設(shè)計與實踐。在“單片機原理與應(yīng)用”“電工學(xué)”和“自動控制原理”三門課程中實行項目式教學(xué)改革和探索，并對整體項目分段式設(shè)計與實踐，以適應(yīng)課程群中不同課程的教學(xué)內(nèi)容。通過不斷優(yōu)化課程之間的銜接，創(chuàng)新教學(xué)方法和手段，努力培養(yǎng)學(xué)生以系統(tǒng)性思維解決復(fù)雜工程問題的能力，同時順應(yīng)多電飛機、純電飛機和電動汽車等新能源產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)需求。

中歐學(xué)院飛行器動力工程專業(yè)的電氣控制類課程群與伺服電機驅(qū)動控制技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)契合度較高，如下表所示，便于以該技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行課程群的整體項目式教學(xué)探索。

3.1 構(gòu)建以課程群為單元的項目式教學(xué)體系

在課程教學(xué)中引入案例項目是常見的教學(xué)手段，但各門課程所引案例往往差異較大，缺少必要的聯(lián)系。在三門課程中進(jìn)行同一個整體項目教學(xué)，根據(jù)課程內(nèi)容進(jìn)行項目分解和分段設(shè)計，在適應(yīng)單門課程的同時，增強知識間關(guān)聯(lián)度，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程體會到知識點的前后呼應(yīng)，增加知識學(xué)習(xí)的成就感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

首先，組織課程關(guān)聯(lián)度較高的授課教師建設(shè)課程群教學(xué)團隊。教學(xué)團隊成員間需要進(jìn)行及時溝通交流以加強課程知識點間的銜接。電氣控制類課程群教學(xué)團隊的三名授課教師屬于同一教研室，并具備“伺服電機驅(qū)動控制”的項目背景，有一定能力開展課程群的項目式教學(xué)。

其次，為實現(xiàn)較高仿真度的項目，還需要與一線企業(yè)進(jìn)行交流。課程組充分利用校企交流的機會，與合作單位（昂際航電、中航制動、藍(lán)天航空科技和天津直升機有限責(zé)任公司等）的技術(shù)專家進(jìn)行交流，對伺服電機驅(qū)動控制技術(shù)為基礎(chǔ)的項目設(shè)計與實踐進(jìn)行了技術(shù)調(diào)研。

3.2 整體項目分段式設(shè)計與實踐

該環(huán)節(jié)是項目式教學(xué)中最重要的部分，項目設(shè)計難度過于簡單則很難與企業(yè)項目仿真度；項目設(shè)計過于艱難則會讓學(xué)生耗費過多時間，并產(chǎn)生心理上的挫敗感，應(yīng)該在難度上充分調(diào)查以進(jìn)行折中。本課程組通過對已完成課程群學(xué)習(xí)的高年級學(xué)生進(jìn)行該類項目設(shè)計的測試，評估和調(diào)整項目難度。

3.2.1 企業(yè)項目設(shè)計流程的簡單引入

針對學(xué)生對企業(yè)項目了解較少的問題，在課程群教學(xué)的初始階段，以一個簡單的項目設(shè)計為例介紹企業(yè)項目流程，如圖1所示。以伺服電機驅(qū)動控制為例，以其在純電飛機或電動汽車行業(yè)中的發(fā)展引出項目需求；以轉(zhuǎn)速、響應(yīng)時間、電源供電形式和控制器形式等簡單參數(shù)為例介紹需求文檔；以電路圖、控制器代碼和測試手段介紹概要設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計。最后將整個過程中涉及的這些技術(shù)點與課程群的知識點進(jìn)行一一對應(yīng)，使學(xué)生對項目有感性認(rèn)識。

圖1 項目設(shè)計流程示意圖

3.2.2 整體項目的分段設(shè)計實現(xiàn)

經(jīng)過教學(xué)研討和技術(shù)調(diào)研，將伺服電機驅(qū)動控制整體項目按課程進(jìn)行分解，如圖2所示。

圖2 整體項目分解示意圖

“單片機原理及應(yīng)用”課程項目對應(yīng)硬件層的控制器設(shè)計。在講解控制器時，不僅要講明微控制器的發(fā)展歷程，還要重點講解其后續(xù)與電機控制相關(guān)的模塊。該環(huán)節(jié)以完成具有AD采集、PWM輸出和AD輸出的控制器的程序設(shè)計為階段性項目目標(biāo)。

“電工學(xué)”課程對應(yīng)驅(qū)動器電路設(shè)計和電機模型建立，其中的驅(qū)動器涉及課程的電力電子電路，而電機部分是課程的重點內(nèi)容，本環(huán)節(jié)的項目設(shè)計以完成驅(qū)動器功率轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計和電機選型為主。

“自動控制原理”對應(yīng)負(fù)載模型、控制器算法仿真和閉環(huán)回路設(shè)計等。在課程中利用SIMULINK完成整體系統(tǒng)仿真，設(shè)計PID等控制算法。本環(huán)節(jié)最終完成項目設(shè)計，實現(xiàn)電機速度控制。經(jīng)過項目分解，每門課程中的子項目相對簡單，有利于將伺服電機驅(qū)動控制這一技術(shù)分段設(shè)計與實現(xiàn)。

3.3 線上線下混合式的因材施教策略

從專業(yè)要求來看，電氣控制類課程并不是飛行器動力工程專業(yè)學(xué)生需要重點掌握的知識。然而，隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為動力裝置的電機驅(qū)動愈顯重要，也逐漸成為飛行器動力工程專業(yè)的學(xué)生必須了解的知識。不同學(xué)生有不同的職業(yè)規(guī)劃，同時考慮到其知識接受難易程度，因此需要在項目式教學(xué)中對學(xué)生進(jìn)行分級指導(dǎo)。

首先，滿足大部分學(xué)生的畢業(yè)要求達(dá)成度。通過項目推動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和系統(tǒng)性思維能力，使學(xué)生對企業(yè)中較為完備的項目設(shè)計流程有基本的了解，并掌握該課程群對應(yīng)的知識點。

其次，課程群也需要充分考慮學(xué)有余力且對該項目感興趣的學(xué)生，不以項目設(shè)計作業(yè)或結(jié)課考試作為課程指導(dǎo)的終結(jié)，而是以技術(shù)博客或網(wǎng)絡(luò)視頻的形式對其進(jìn)行進(jìn)一步的指導(dǎo)，做到因材施教。技術(shù)博客作為一種線上的知識展現(xiàn)形式，已經(jīng)成為課堂授課的重要補充方式。將項目設(shè)計流程、項目設(shè)計過程中需要的基礎(chǔ)知識以技術(shù)博客的形式進(jìn)行展示，能夠?qū)φn堂授課與項目設(shè)計形成有效補充。

綜上，本項目計劃以課程群為對象，采用整體項目分段設(shè)計與實踐的方式和線上線下混合式的因材施教策略，鍛煉學(xué)生系統(tǒng)思維和解決復(fù)雜工程問題的能力，并順應(yīng)新工科建設(shè)中“新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式”要求。

結(jié)語

針對培養(yǎng)學(xué)生以系統(tǒng)性思維解決復(fù)雜工程問題能力的要求，電氣控制類課程群以“伺服電機驅(qū)動控制”技術(shù)為中心，開展項目化、分段式教學(xué)與實踐。通過對專業(yè)典型復(fù)雜工程案例的項目分解與綜合，使每門課程都有與分解項目對應(yīng)的知識點。以一個整體項目貫穿于課程群教學(xué)內(nèi)容的始終，幫助學(xué)生將知識點串聯(lián)，并培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力。同時，通過線上技術(shù)博客的形式進(jìn)一步拓寬部分學(xué)生的知識視野，助其在該技術(shù)項目領(lǐng)域進(jìn)一步研究，做到因材施教。

參考文獻(xiàn)：

［1］教育部高等教育司.教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知.2017.

［2］林潔.基于價值引領(lǐng)和素養(yǎng)提升的高等數(shù)學(xué)一流課程建設(shè)——以中法合作辦學(xué)模式下“高等數(shù)學(xué)（6）”為例［J］.大學(xué)，2022，556（10）：3841.

［3］胡雪蘭，張艷峰，楊新湦，等.面向工程能力培養(yǎng)的大學(xué)物理教學(xué)模式創(chuàng)新［J］.實驗技術(shù)與管理，2020，37（06）：1014.

［4］陳亞軍，楊新湦，蘇志剛.基于中外合作辦學(xué)的實踐教學(xué)體系研究與應(yīng)用［J］.實驗技術(shù)與管理，2019，36（001）：203208.

［5］謝啟，陳飛，徐偉，等.基于項目驅(qū)動的自動化測試技術(shù)課程群建設(shè)［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2022，44（02）：8790.

［6］許德智，潘庭龍.運動控制類課程群多維度教學(xué)模式研究與實踐［J］.科教導(dǎo)刊，2021（26）：110112.

基金項目：中國民航大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項目“項目式教學(xué)推動下的電氣控制類課程群教學(xué)改革”（項目編號：CAUC2022C2017）

作者簡介：孫鳳鳴（1983— ），男，漢族，山東人，工學(xué)博士，講師，研究方向：電氣控制類課程的教學(xué)與改革。