“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程建設(shè)的探討

摘要：“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的主干專業(yè)課程，該課程具有理論抽象但實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。針對該課程的特點(diǎn)，主要在課程體系、課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、考核方法、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)等方面進(jìn)行改革與建設(shè)，通過2年的教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)質(zhì)量顯著提高。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動控制系統(tǒng)；課程建設(shè)；教學(xué)方法；4A網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺

作者簡介：雷美珍（1980-），女，浙江麗水人，浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，講師；任佳（1977-），女，山西太原人，浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，副教授。（浙江 杭州 310018）

基金項(xiàng)目：本文系浙江理工大學(xué)“嵌入式運(yùn)動控制系統(tǒng)”系列課程建設(shè)、“運(yùn)動控制系統(tǒng)”4A精品網(wǎng)絡(luò)課程的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）25-0124-02

“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程是以交直流電動機(jī)為控制對象，利用電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和自動控制原理等知識來實(shí)現(xiàn)對拖動系統(tǒng)的控制，具有知識面寬、綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，如何改革和建設(shè)該課程顯得十分必要。[1]該課程體系內(nèi)容主要包括直流拖動控制系統(tǒng)、交流調(diào)速控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)三大塊，其理論與方法可在數(shù)控加工、鋼材軋制、物料輸送及機(jī)器人運(yùn)動等多個(gè)行業(yè)、領(lǐng)域應(yīng)用，是一類充分體現(xiàn)專業(yè)辦學(xué)特色的課程，即“強(qiáng)弱電結(jié)合、電力與電子技術(shù)結(jié)合、軟件與硬件結(jié)合、元件與系統(tǒng)結(jié)合”的課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生不僅具備從事運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行的能力，而且能夠根據(jù)不同的控制對象及要求，選擇合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、單元部件和控制規(guī)律。[2]

“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程的傳統(tǒng)教學(xué)一般按照教材內(nèi)容，從理論上對運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)也是非常有限，如浙江理工大學(xué)（以下簡稱“我校”）“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程總共48學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)僅6學(xué)時(shí)。學(xué)生在有限的課堂教學(xué)里很難掌握到各種因素變化給運(yùn)動控制系統(tǒng)帶來的具體影響；在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，也很難重現(xiàn)各種錯(cuò)誤設(shè)計(jì)和故障過程，[3]因而教學(xué)效果和質(zhì)量很難提高，有必要進(jìn)行重點(diǎn)改革與建設(shè)。本文結(jié)合運(yùn)動控制系統(tǒng)重點(diǎn)課程建設(shè)和精品網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)，就教學(xué)體系、課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、考核方式及網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)等方面進(jìn)行了一系列的優(yōu)化與改革，實(shí)踐證明了該課程建設(shè)與改革提高了教學(xué)質(zhì)量，受到學(xué)生好評。

一、課程體系優(yōu)化

按照電氣工程及其自動化專業(yè)培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱的要求，進(jìn)行“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使課程內(nèi)容既能充分展示本課程的核心領(lǐng)域知識，又能反映該領(lǐng)域的最新技術(shù)發(fā)展，體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展方向。在強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)的同時(shí)，更加注重實(shí)踐性環(huán)節(jié)的建設(shè)，新增技能操作、仿真訓(xùn)練、綜合應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決實(shí)際問題的能力?！斑\(yùn)動控制系統(tǒng)”課程優(yōu)化后的課程體系如圖1所示。

由于專業(yè)學(xué)時(shí)的壓縮，“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程總學(xué)時(shí)從原來的96學(xué)時(shí)減到現(xiàn)在48學(xué)時(shí)，但課程內(nèi)容并沒有減少，因此必須對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新和選擇，使教學(xué)和先進(jìn)運(yùn)動控制技術(shù)發(fā)展同步。課程教學(xué)內(nèi)容要淘汰或淡化落后的調(diào)速方式：例如在直流調(diào)速系統(tǒng)中的有環(huán)流晶閘管可逆調(diào)速系統(tǒng)；在交流調(diào)速系統(tǒng)中，交流調(diào)壓調(diào)速方式只做簡要介紹。另外需要適當(dāng)補(bǔ)充新型調(diào)速方式內(nèi)容：異步電動機(jī)矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制及永磁同步電動機(jī)的矢量控制等。

二、課堂教學(xué)改革

由于“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程內(nèi)容多，課時(shí)相對較少，目前傳統(tǒng)的教學(xué)模式以“滿堂灌”為主，從而造成學(xué)生養(yǎng)成依賴心理，學(xué)習(xí)主動性和積極性不高。根據(jù)該課程的特點(diǎn)，進(jìn)行課堂教學(xué)改革，主要有以下幾個(gè)方面：

1.采用案例式、啟發(fā)式和討論式教學(xué)方法

在講解新內(nèi)容時(shí)，教師可以提前準(zhǔn)備好典型應(yīng)用實(shí)例，然后有針對性地提出問題，引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識進(jìn)行分組討論，分析和解決問題，然后得出結(jié)論，最后由教師加以補(bǔ)充總結(jié)。該教學(xué)方法的改革增強(qiáng)了師生之間的互動性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)課堂

以“基于單片機(jī)的電瓶車調(diào)速器設(shè)計(jì)”為項(xiàng)目案例。首先讓學(xué)生了解一下電瓶車的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后將實(shí)際系統(tǒng)包括有刷直流電機(jī)或無刷直流電機(jī)、功率主電路、電源電路、單片機(jī)控制電路等將實(shí)驗(yàn)板直接在課堂進(jìn)行演示。學(xué)生能接觸到實(shí)際系統(tǒng)，有很好的感性認(rèn)識，就會產(chǎn)生很高的積極性。最后開始講解該系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框架和思路，可將系統(tǒng)分解為硬件部分和軟件部分來講解。自制實(shí)驗(yàn)板如圖2所示。

3.采用軟件仿真技術(shù)

由于硬件資源有限，而課程內(nèi)容全面，無法一一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用軟件仿真技術(shù)（如Matlab軟件）輔助課堂教學(xué)，運(yùn)動控制系統(tǒng)的建?？蓞⒖嘉墨I(xiàn)。[4]該方法不僅驗(yàn)證了書本上的結(jié)論，還使學(xué)生掌握了參數(shù)或環(huán)節(jié)變化對運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新

目前，我?！斑\(yùn)動控制系統(tǒng)”課程只能設(shè)置2個(gè)實(shí)驗(yàn)，直流拖動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與交流拖動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)類型以驗(yàn)證性為主，并且要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)在固定的實(shí)驗(yàn)臺上完成。學(xué)生往往對按規(guī)定程序操作的指定性實(shí)驗(yàn)不感興趣。即使學(xué)生有一些新想法也很難進(jìn)行驗(yàn)證，這顯然不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。[5]為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，本課程建設(shè)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了改革和創(chuàng)新。從工程應(yīng)用角度出發(fā)，開發(fā)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)。具體有以下幾個(gè)方面：

第一，本課程團(tuán)隊(duì)先修訂實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，開發(fā)了雙閉環(huán)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)、SPWM變頻器設(shè)計(jì)和機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)等設(shè)計(jì)性及綜合性實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的動手能力與科研素質(zhì)。

第二，利用MATLAB/simulink中的電力系統(tǒng)工具箱搭建典型的運(yùn)動控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)各種仿真模型，開發(fā)了電流截止負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)、SVPWM交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)等創(chuàng)新型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的simulink仿真模型，利用該模型學(xué)生可以分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動性能、系統(tǒng)突加減變負(fù)載運(yùn)行工況下的速度、電流及轉(zhuǎn)矩變化情況以及系統(tǒng)抗電網(wǎng)電壓等各種擾動下的速度響應(yīng)。

第三，教師分層次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，[6]即針對學(xué)生基礎(chǔ)、能力層次的不同，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐方面對學(xué)生也要有不同的要求。對于具有較好專業(yè)基礎(chǔ)、創(chuàng)新能力和主動性的學(xué)生，可在教師的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方案，一般選2人一組，分別設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。包括控制電路、功率主電路、信號檢測電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路和軟件控制算法，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)為學(xué)生提供主要電子元器件及開發(fā)調(diào)試環(huán)境。實(shí)驗(yàn)控制方案可以超越實(shí)驗(yàn)平臺控制方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合專業(yè)素質(zhì)。

第四，增加開放性實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)部分優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室鍛煉并參與科研。在開放性實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生可以焊接并調(diào)試硬件電路板，編寫并調(diào)試運(yùn)動控制程序，開展運(yùn)動控制系統(tǒng)帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)等。

四、考核方法改革

課程建設(shè)和改革不僅要有知識的更新，也要有科學(xué)的考核方式。傳統(tǒng)的以期末“一考定成績”的評價(jià)方式，在很大程度上制約教育質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，不利于素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育的順利開展。為此根據(jù)“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程的性質(zhì)和特點(diǎn)，本團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了課程考核方式改革。具體分以下幾個(gè)方面：

第一，選用課程體系的核心內(nèi)容，采用體現(xiàn)創(chuàng)新特點(diǎn)的考試題型，開發(fā)“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程的試題庫，期末考試題將從試題庫中隨機(jī)抽取。

第二，注重對學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)狀況與效果的考查，其中課后作業(yè)、仿真大作業(yè)、自制電路板等均計(jì)入期末總成績。

第三，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)單獨(dú)考核，注重對實(shí)驗(yàn)基本原理、操作步驟及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的考核。

第四，“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程相關(guān)的科技論文和專利等均可進(jìn)行學(xué)術(shù)創(chuàng)新加分，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)術(shù)研究，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。

五、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺建設(shè)

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺能存儲、處理、傳遞教育信息，既是承載數(shù)字課程資源的載體，也成為教師進(jìn)行教學(xué)改革提高教學(xué)質(zhì)量的途徑與基礎(chǔ)。本團(tuán)隊(duì)將4A網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺引入“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程建設(shè)，實(shí)施混合式教學(xué)。4A網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺提供了包括答疑、討論、課程作業(yè)等多種師生互動方式，通過這些方式，教師可以展開對學(xué)生的學(xué)習(xí)指導(dǎo)、答疑、批改作業(yè)及討論交流等教學(xué)活動的互動。通過4A網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺可以及時(shí)解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中遇到的各種問題，為師生互動提供便捷途徑。通過數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)資源的建設(shè)，將課程的前沿文獻(xiàn)、電機(jī)控制程序、功率驅(qū)動芯片資料、TI官方文檔等重要的資源放到網(wǎng)絡(luò)平臺上進(jìn)行共享，有利于拓寬學(xué)生的知識面。

六、總結(jié)

根據(jù)“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程的性質(zhì)和特點(diǎn)，進(jìn)行重點(diǎn)建設(shè)和改革，對課程體系進(jìn)行了優(yōu)化，對課堂理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及考核方式進(jìn)行了改革，并對4A網(wǎng)絡(luò)平臺的數(shù)字化資源進(jìn)行建設(shè)和擴(kuò)展。教學(xué)實(shí)踐證明，本團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的一系列教學(xué)模式改革和課程建設(shè)獲得了較好的教學(xué)效果，對于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和實(shí)踐動手能力都有很大的幫助，特別是自制實(shí)驗(yàn)板進(jìn)課堂和仿真輔助教學(xué)等教學(xué)模式值得推廣。

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（責(zé)任編輯：王意琴）