“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的探討

李新德，孫家明

(東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210096)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，將傳統(tǒng)教學(xué)方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化改造已是現(xiàn)代化教學(xué)的必由之路。“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程是電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的主要專(zhuān)業(yè)課，如何將這門(mén)課進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化改造，以提高教學(xué)水平，是一個(gè)值得深入探討的課題[1，2]。

1 網(wǎng)絡(luò)化教改的必要性

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程具有知識(shí)面寬、系統(tǒng)集成化程度高和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，和本科階段的“電力電子技術(shù)”、“自動(dòng)控制原理”、“單片機(jī)原理”和“模擬電子技術(shù)”等課程關(guān)系緊密。例如針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，學(xué)生必須掌握電機(jī)原理，模擬電路和自動(dòng)控制原理中的PID調(diào)節(jié)等知識(shí)。如果進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)或動(dòng)手制作簡(jiǎn)單的控制電路板，還必須掌握電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)使用和印制電路板制作等技能。然而，教師不可能在一門(mén)課程中面面俱到講到所有相關(guān)課程中的知識(shí)點(diǎn)，也很難在課堂上兼顧到所有參差不齊的學(xué)生，因此有必要對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行改革和創(chuàng)新。以便提高本課程的教學(xué)水平，也為學(xué)生建立課程間的橫向知識(shí)網(wǎng)絡(luò)提供幫助。

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程網(wǎng)絡(luò)化改造是一個(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義并符合發(fā)展趨勢(shì)的教學(xué)方法改革。網(wǎng)絡(luò)化改造完成后，課程可以成為一個(gè)開(kāi)放式的學(xué)習(xí)平臺(tái)。學(xué)生不僅可以隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取到圖文并茂的課件，還能方便地和師生進(jìn)行在線(xiàn)交流，及時(shí)解決學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”這門(mén)課程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的目的就是化解課堂時(shí)間少和課程所需知識(shí)面寬和實(shí)踐性強(qiáng)之間的矛盾，讓學(xué)生能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)內(nèi)容豐富的課件資源。通過(guò)課件中的知識(shí)索引和導(dǎo)航獲取相關(guān)的課程知識(shí)點(diǎn)，并能夠在線(xiàn)得到教師的答疑和輔導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室電機(jī)在線(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)、控制電路板的制作和遠(yuǎn)程電機(jī)控制等[3]。

2 網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源構(gòu)建

2.1 資源總體框架

我院的“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺(tái)主要致力于成為一個(gè)側(cè)重師生參與互動(dòng)和學(xué)生實(shí)踐的開(kāi)放性學(xué)習(xí)平臺(tái)。當(dāng)然，生動(dòng)新穎的多媒體課件等學(xué)習(xí)資料不可或缺，這是學(xué)生學(xué)習(xí)和培養(yǎng)興趣的起點(diǎn)。目前，平臺(tái)以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和直流控制電路板制作三個(gè)實(shí)踐性環(huán)節(jié)作為整個(gè)教學(xué)系統(tǒng)實(shí)踐部分的核心，平臺(tái)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)

由圖1可知，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)主要分為“信息共享”、“師生交互”和“學(xué)生實(shí)踐”三個(gè)部分。“信息共享”區(qū)主要是教師上傳以及學(xué)生共享的多媒體課件，內(nèi)容側(cè)重于表現(xiàn)形式多樣和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)導(dǎo)航;“師生交互”區(qū)通過(guò)應(yīng)用網(wǎng)頁(yè)內(nèi)嵌的實(shí)時(shí)聊天工具(如WEBQQ)、BBS討論區(qū)和網(wǎng)絡(luò)聊天室等實(shí)現(xiàn)師生間的交流互動(dòng);“學(xué)生實(shí)踐”區(qū)按照學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的規(guī)律提供三個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié):Matlab虛擬實(shí)驗(yàn)、電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控和直流控制電路板制作。鑒于篇幅，這里主要介紹學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)的三個(gè)內(nèi)容。

2.2 Matlab 虛擬實(shí)驗(yàn)

利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行虛擬電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)以后實(shí)踐電機(jī)控制原理和進(jìn)行控制實(shí)物電機(jī)實(shí)驗(yàn)之前的重要一步[4]。學(xué)生利用Matlab軟件的Power System Blockset(PSB)工具箱可以方便在Simulink環(huán)境下進(jìn)行電機(jī)控制系統(tǒng)的建模仿真，還可以觀察仿真的執(zhí)行過(guò)程。因此，選用Matlab軟件開(kāi)發(fā)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的虛擬實(shí)驗(yàn)比較合適。

使用Matlab進(jìn)行電機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)的步驟一般分為:①建立模型;②設(shè)置模型參數(shù);③模型仿真;④觀測(cè)仿真結(jié)果。

2.3 電機(jī)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)

盡管基于Matlab的虛擬電機(jī)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以針對(duì)直流電機(jī)和交流電機(jī)建立模型進(jìn)行仿真從而獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流曲線(xiàn)圖。但是，停留在這個(gè)階段學(xué)生無(wú)法建立起實(shí)物電機(jī)控制的感性認(rèn)識(shí)，所以虛擬實(shí)驗(yàn)之后學(xué)生應(yīng)進(jìn)行實(shí)物電機(jī)實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)階段由于存在實(shí)驗(yàn)室硬件資源有限和校區(qū)之間距離較遠(yuǎn)給學(xué)生做實(shí)驗(yàn)帶來(lái)不便等問(wèn)題，我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺(tái)上加入了基于嵌入Internet技術(shù)的電機(jī)遠(yuǎn)程控制的實(shí)驗(yàn)[5]。學(xué)生可以通過(guò)IE瀏覽器對(duì)實(shí)驗(yàn)室中電機(jī)進(jìn)行控制，并觀察電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況。

如圖2所示，電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)嵌入式WEB服務(wù)器模塊、交直流電機(jī)控制模塊以及電機(jī)構(gòu)成。

圖2 電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

學(xué)生通過(guò)IE瀏覽器(客戶(hù)端)登錄到實(shí)驗(yàn)室本地的嵌入式WEB服務(wù)器，打開(kāi)遠(yuǎn)程控制的頁(yè)面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。嵌入式WEB服務(wù)器是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的中樞，一方面接收遠(yuǎn)程客戶(hù)端(學(xué)生)發(fā)來(lái)的控制指令，通過(guò)RS232總線(xiàn)傳給電機(jī)控制模塊，實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端對(duì)實(shí)驗(yàn)室電機(jī)的控制;另一方面，它將電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)傳送給遠(yuǎn)程客戶(hù)端，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的監(jiān)視。

2.4 控制電路板的制作

經(jīng)過(guò)以上兩個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生基本學(xué)會(huì)了利用Matlab軟件提供的功能模塊搭建電機(jī)控制系統(tǒng)，并有了控制真實(shí)電機(jī)工作的直觀感受，于是很自然地產(chǎn)生了自己動(dòng)手制作簡(jiǎn)單的電機(jī)控制電路的想法。但對(duì)于從未接觸印制電路板制作的學(xué)生來(lái)說(shuō)，這是一件比較困難的事情。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上“直流控制電路板制作”這個(gè)實(shí)踐部分的目的就是對(duì)學(xué)生進(jìn)行動(dòng)手技能的輔導(dǎo)，幫助他們制作出自己的直流電機(jī)控制板。鑒于難度的考慮，這里選擇較易實(shí)現(xiàn)的“基于51單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)”作為制作的內(nèi)容。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)按照電路板制作的一般周期分步驟讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)。主要順序如圖3所示。

圖3 印制電路板制作的步驟

制作電路板的過(guò)程中，教師可以采用集中在線(xiàn)答疑或者進(jìn)行集中現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)中如果采用師生間面對(duì)面交流，不僅可以拉近師生關(guān)系，而且使學(xué)生更有熱情參與到本課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中。

在電路板制作過(guò)程中，可在網(wǎng)上幫助學(xué)生統(tǒng)一采購(gòu)元器件和焊接制作工具，給出電路板制作應(yīng)注意的常見(jiàn)和典型問(wèn)題，并提供在線(xiàn)答疑和留言窗口。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的特點(diǎn)提出了對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化改造的方法，主要以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐能力為核心構(gòu)建了梯次遞進(jìn)、層層提高的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源。學(xué)生通過(guò)本網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺(tái)不僅能夠建立起課程間的橫向知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，而且能在虛擬實(shí)驗(yàn)和制作控制板的過(guò)程中充分發(fā)揮自己的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造力。

[1]孫曜.《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》綜合型數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].成都:實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，6(2):144-146

[2]李新德，郝立，孟正大，戴先中.“電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)方法探討[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(6):94-95

[3]成謝鋒，蔣桂霞，馮志全，張少白.電工電子網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)[J].青島:青島大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)，2001，16(3):102-103

[4]汪小平，洪乃剛，范國(guó)偉.電機(jī)和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)課程虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)[J].安徽:安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24(5):131-132

[5]徐淑萍，梁晨艷，蘇小會(huì)，白曉軍.基于嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程電機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)[J].南京:計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(5):1058-1060