應用型本科運動控制課程立體化教學模式探討

熊田忠， 孫承志， 吉順平， 黃 捷， 張家海

(三江學院 機械與電氣工程學院，南京 210012)

應用型本科運動控制課程立體化教學模式探討

熊田忠， 孫承志， 吉順平， 黃 捷， 張家海

(三江學院 機械與電氣工程學院，南京 210012)

針對應用型本科運動控制課程，分析了學生情況、課程特點、師資條件、硬件設備、課程實施、教學資源等現狀，提出了課程立體化教學模式。對課程內容進行了優化；介紹了理論課、實踐課教材和其他超文本資源等立體化資源建設；闡述了項目教學、因材施教、因時施教、空間拓展等立體化教學方法。實踐證明，這些教學改革有利于培養應用型人才，取得了比較好的教學效果。

應用型本科； 運動控制； 立體化教學模式； 內容優化； 立體化資源； 教學方法

0 引 言

《中國制造2025》將帶來全新的制造業時代，對高校教育而言，集中反映在如何培養適應時代需要的高素質人才上[1]。高校一般分為3種基本類型[2]：學術性研究型大學，專業性應用型大學和職業性技能型院校(高職高專)。在我國，介于研究型和技能型人才之間將高深學問轉化為社會生產力的應用型人才，近年來逐步受到重視，應用型人才成為社會需求的大多數，培養應用型人才也成為多數高校的當務之急[2-4]。應用型人才根據學歷層次不同，又可分為專科、本科和研究生層次[5]，高校分類發展的最終目的是提高質量。任何教育最終效果取決于直接面對學生的課程建設和實施過程，因此課程建設是當前提高高等教育質量的核心環節，應用型本科也不例外[2,6]。關于應用型人才培養的討論許多文獻從不同視角進行了討論[2-10]，筆者認為，工科應用型人才培養方案和課程建設要瞄準工程應用、多元交叉的技術知識結構、創新意識、社會責任感、工程師素質和工匠精神等多方面來進行立體化教學改革實踐。

在自動化相關專業課程體系中，運動控制課程是一門具有知識面寬，專業知識背景深，綜合性和實踐性強的主干課程，其教學質量好壞對學生未來的就業和深造將產生直接影響[11-14]。本文以應用型本科運動控制課程為例，從教學內容優化、教學資源建設、教學方法等方面進行立體化教學模式的探討。

1 現狀與模式提出

得益于扎實的基礎教育，我國應用型本科生源較好，通常為高考錄取本科第二、第三批學生。總體來看，這些學生靜下心來鉆研抽象理論的能力相對欠缺；但其優點也很明顯：通常有較強的動覺，對應用技術有較濃的興趣，對新技術易于接受，勇于實踐，有較好的計算機應用和外語基礎，受過一定挫折(至少高考相對失利)后心里承受能力較強，這就具備了應用型人才很好的毛胚；當然，由于家庭、學校、社會的綜合影響，這些“溫室花朵”新生代們也大量存在慵懶、迷茫、自尊心較強、自信心不足、表達溝通能力欠缺、團隊合作意識不強等現象。

課程特點上，由于運動控制和過程控制是自動化的兩個分支，絕大多數應用領域的控制問題都可歸結為這兩類控制，具有基礎性、典型性；而運動控制主要與機械自動化直接相關，其應用廣泛、連接直觀、實時性要求高，綜合了機械、電子、計算機、電氣、控制理論等技術，具有幾種技術復合交叉的性質，特別適合作為應用型人才培養的核心課程來開設。

師資方面，多數應用型本科高校為新建本科院校，師資嚴重缺乏，呈現出青黃不接、行業應用經驗不足、沿襲傳統教育方式需要轉型等問題。應用型本科教育的效果很大程度上取決于教師的引導，可采取請進有豐富工程應用經驗和有授課熱情與能力的企業工程師進行實踐課程教學；既有專業課教師特別是年輕骨干教師走出去到企業實習鍛煉，學校政策上鼓勵他們多承接企業橫向科研項目。采取“引進來，走出去”建設一支理論和實踐雙能的專業課師資隊伍。

硬件條件，多數新建應用型高校沒有太大歷史包袱，運動控制相關實驗設備的配置上可以比較新、起點較高，甚至可以直接采用工業領域通用的設備。為克服資金不足和鍛煉師生實踐能力，在充分調研基礎上，可以鼓勵師生通過課外創新活動、畢業設計等環節自制實驗設備，充分體現管理的靈活與創新。

課程實施，目前應用型本科院校在理論教學上力求緊跟傳統重點高校，教學內容體現難度和水平，有些“不甘落后”，其結果往往是學生難以消化吸收，導致疲于應付考試乃至最終放棄；而實踐教學上往往流于形式，導致學生不動腦的“動手”，只會照搬照抄。

教學資源方面，傳統單一課本模式已經不適合當代求新求變的大學生們，不適應快節奏的社會生活，顯得非常落后了。教學項目的選取存在不夠典型、載體不夠明確、主線不鮮明、結構不完整，呈現出碎片化、邏輯混亂的現象。

本文根據應用型本科運動控制課程特點，遵循理論到位夠用、注重技術交叉的知識廣度、加強項目實踐、關注認知規律進行課程立體化教學模式探討，如圖1所示。

圖1 運動控制課程立體化教學模式框圖

圖1所示立體化教學模式目標是培養學科技術綜合交叉復合應用型人才；頂層是以優化教學內容為重點的理論課教材、以項目實踐為重點的實踐課教材和超文本資源等立體化的教學資源建設；最底層是以三種常用控制器為主線的嵌入式與系統集成設計，分立元件與集成芯片相結合的硬件設計為訓練要素，以機器人、智能車、自動化專機為載體的項目教學作基礎；并輔以因材施教為主的教學方法。該模式不是“泥沙俱下，狂轟濫炸”，而是有主線意識，提供的都是“干貨”，各有側重點，勿使簡單重復、枯燥乏味、貪多嚼不爛。實施時也需動之以情、曉之以理、做出實物、展示前景、激發興趣，使得學生有成就感、自豪感，注重非智力因素的作用[16-17]。

2 課程內容優化

課程內容不宜沿襲重點高校相關課程傳統做法，大量理論知識須弱化，更應注重系統外特性和各部分選型匹配；為符合本科層次教學要求，也不能將課程要求無故降低，學生僅會“依葫蘆畫瓢”也是不行的。

2.1 傳感器、執行器

重點講解運動控制相關且應用廣泛的旋轉變壓器、編碼器、光柵尺等傳感器原理、特點、主要參數、選型等。將相關傳感器在空間上垂直或錯開1/4節距，正弦、余弦電信號的這種“正交”概念進行一般化，重點講解其中一種原理，讓學生體會其辨別方向的共性，做到既不重復，又及時總結得出結論。

借用過程控制的執行器概念，將弱電到強電信號轉換放大部分和具體執行元件合起來稱為運動控制執行器，附加說明過程控制領域執行器的兩部分是合起來一個產品，而運動控制領域有可能分開。主要講解步進電動機、直流伺服電動機、無刷直流電動機、兩相交流伺服電動機、三相異步電動機、永磁同步電動機等，從結構、控制電壓電流波形、原理、驅動器主電路、數字控制、特點應用等方面以表格方式總結出各控制電機相互之間的區別和聯系。驅動放大器部分，介紹分立元件和集成芯片加外圍電路兩種形式設計各類電機驅動器。步進電動機還需增加數字電路或軟件實現環形脈沖分配器的原理。另外，直線電動機、超聲波電動機、液壓與氣動基本組成、原理、特點等可概略選講。

2.2 步進、直流、交流伺服系統

首先理清“伺服”概念，學術上對速度、位置、力等的跟蹤統稱伺服系統，工業界通常將精確定位(位置伺服)稱為伺服系統，這樣既定義準確又接地氣。

步進伺服部分，主要說明步進電動機速度和定位數字化控制容易，在低速度、低負載、低精度場合應用廣泛。另從系統的角度，重點講解機電匹配設計，將轉動慣量、傳動比、轉矩、末端速度、脈沖當量、精度等選取原則以及相互關系講清楚，做到權衡、折中，滿足工藝要求。機電匹配問題在其他伺服系統中，其設計思路類似，故不再重復。

直流伺服部分，說明直流伺服電動機與普通直流電動機相比，在原理上的一致性和結構上的特殊性；復習電機學課程直流電動機機械特性、電磁力矩、反電動勢等公式，以及電壓平衡、轉矩動態平衡方程式，解析法推導其控制的數學模型，并做模型簡化，讓學生了解推導過程并掌握結論，從而理解直流電動機系統數學模型簡單、控制容易的特點；重點講解速度單閉環PI調節器的動態過程，以及最終理解速度電流雙閉環控制(串級控制)的快速性、抗干擾性和超調特點，這部分理論較抽象，有一定難度，但又必須突破；另外，通過Matlab、C語言程序示例指數平滑濾波、傳遞函數的雙線性變換、PID等基本數字化實現方法，可以將抽象概念向實際應用推進一步。

交流伺服部分，簡介變頻調速理論，包括矢量控制。矢量控制理論對于應用型本科學生很難從數學、理論上深入下去，只談坐標變換的目的、由來及結論，最后落實到三相異步電動機定子磁場定向直接矢量控制框圖上，讓學生了解矢量控制思想即可。

2.3 單軸位置伺服

單軸位置伺服主要講解其組成、結構、特性、性能改善措施等，以位置、速度、電流三閉環結構最普遍，并講解數字控制時三環采樣周期及其相互關系。指出位置通常不能有超調，故采用比例或比例-微分調節器。

2.4 多軸協調控制

多軸運動控制協調主要講解3種應用：點位控制、輪廓控制和同步控制。點位控制強調終點位置的準確性和運動過程的快速性的兼顧；輪廓控制強調輪廓誤差控制是第一位的，通常速度較低；同步控制包括電子齒輪和電子凸輪，且電子齒輪是電子凸輪的特殊形式。

另外介紹插補原理、數控技術基礎。說明插補原理是輪廓控制的基礎，以逐點比較法為例講解，便于學生理解，但要說明該插補原理工業上幾乎不用了。數控技術基礎不需涉及太多機械加工工藝，可讓學生采用數控代碼繪制自選有特色的輪廓圖形，以提高學習興趣；學生理解運動控制底層原理后，再看數控代碼實現輪廓控制，會產生先難后易的喜悅，非數控專業方向的學生對數控也不再感到神秘難懂。

2.5 可選內容

運動控制技術是發展的，一些實用性、前瞻性相關技術均可在本課程適當選講，以拓展視野、指明方向，如運動控制仿真、機器視覺、機器人等。特別是教師科研等實際應用項目案例可以適當向學生介紹。

2.6 與相關課程的銜接、分工

運動控制是綜合性、應用性較強的課程，與電機學、電力拖動自動控制系統、控制電機、機電控制技術、Matlab、單片機、C語言、監控組態軟件、傳感器與檢測技術、自動控制原理、電力電子技術、電子技術、數控技術、機器人等課程都相關，要做好先修和后續課程之間銜接、分工，避免重復，又要相互映襯，形成統一整體。

3 立體化教學資源建設

3.1 理論課教材

運動控制課程理論課教材，除概念系統化、體現知識體系外，按照以上內容優化進行組織編寫，理論足夠到位；輕公式推導，重結論意義；輕內部原理，重外部特性和選型應用。編寫了《運動控制技術與應用》教材，列為中國輕工業出版社應用型本科 “十二五”規劃教材，目前已是第二版，被國內諸多高校選用，經過幾輪使用，效果良好。

3.2 實踐課教材

編寫了《運動控制實踐教程》一書，獲江蘇省教育廳2015年高等學校重點教材立項建設。內容包括運動控制技術的概述、基本實驗、課程設計類課題、畢業設計類課題和創新實踐等。以基于PC運動控制卡的XY平臺為基本實驗載體，還包括工程實際常用的變頻器、伺服驅動器、PLC定位模塊、PLC的PID控制、機床回零及其實現、運動控制卡的VC/VB開發、基于單片機的運動控制、電機驅動器開發應用、工業機器人、機器視覺應用初步、服務機器人研制、四旋翼飛行器設計等內容。采用了圖文步驟說明方式便于讀者快速入門；大量典型實例，便于讀者DIY(Do It Yourself)；部分實例來源于實際工程項目。本書兼顧教材和工程應用性，沒有過多理論，讀者按照所描述的步驟即能入門，完成簡單的工程，并循序漸進、不斷深入。

3.3 其他超文本教學資源

理論和實踐課程課件要配套做好；直觀的圖片視頻展示，可以有效彌補行業知識的不足，應當精心準備；工控網等網站、論壇應向學生介紹，鼓勵他們多看多問多參與；網絡課程可以適時開展，加強師生互動。這些超文本教學資源可以很好地輔助課程學習，有時會起到意想不到的良好效果。

4 立體化教學方法

4.1 項目教學

項目教學法是應用型本科人才培養實踐教學的主流模式，運動控制的技術交叉綜合性的特點更需要項目教學來提升效果，著力培養學生嚴謹創新的工程師素質和精益求精的工匠精神。要注意項目的典型性、多層次、多類型、全過程、漸進性等特點。

項目的設計和選取要根據實際情況，有重點地體現電子、電力電子、單片機、控制方法、機電設計、計算機等技術的綜合運用；要有意識有重點地培養電路設計、嵌入式開發、軟件應用、硬件選型、系統集成、資料搜索、團隊管理、匯報交流等能力；綜合性項目要體現開放性，使得學生在充分調研現有技術基礎上，綜合運用已學知識，主動自學新知識，分析和解決實際問題，培養創新思維。

必做項目的選取要具有典型性，需要找到運動控制項目的“果蠅”。單片機控制步進電動機就是運動控制入門級項目，其核心是環形脈沖分配器+放大器的驅動器設計和軟件控制脈沖個數和頻率。該項目也可演變成多種類型：選取不同單片機或PLC控制器；驅動器(環形脈沖分配器+放大器)部分可選取分立元器件設計、集成芯片設計、或直接購置步進電動機驅動器產品等方式；軟件控制上可采取定時器中斷控制、加減速控制、直接利用單片機PWM資源控制、軟件實現環形脈沖分配器控制、兩臺電動機的插補控制、多電動機同步控制等；結合智能窗簾、遙控小車等實現具體應用控制；結合人機界面、網絡等控制方式進行群控。中高級項目可以采用PC運動控制板卡的VC/VB編程實現多軸點位或輪廓控制，ARM/DSP控制無刷直流電動機、三相異步電動機、永磁同步電動機等。綜合性項目可以開發掃地、擦黑板移動機器人，開發直角坐標工業機器人如貼片機、雕刻機等，飛行器控制等。

結合電子、電力電子技術的電動機驅動器設計開發方面，可以采用芯片L297、IR2103、IR2130、L298N、MC34932、TB6560、電力MOSFET、IGBT模塊等，實現各電動機的驅動器電路設計。

4.2 因材施教

首先，根據前述當代應用型本科學生普遍特點，需要喚醒學生專業學習熱情，揚長補短，以豐富多彩的形式吸引大部分學生參與到本課程的項目實踐中來。

應用型本科學生可有研究型、應用型、技能型等幾種定位。少部分學生可通過考研等途徑，分化成研究型人才，可引導他們加強理論深入學習和算法實踐；少部分同學走技能型方向，可引導他們從規范操作、接線、調試等入手，按高級技師要求加強動手能力訓練；對于大部分應用型定位的學生，根據本人意愿和表現還可細分成研發、工藝、管理、市場、售后、技術支持、測試等不同崗位方向，項目教學時可通過分工合作來完成綜合性的項目。應用型定位的學生也不排除適當的理論理解和實踐項目中的技能訓練。

運動控制課程可在自動化、“專轉本”自動化、機械電子工程、電氣工程及其自動化、建筑電氣與智能化等專業開設，對于不同專業背景的學生，課程內容、項目選取、教學方法上也應有所不同。自動化專業該課程作為專業核心課，理論課、實驗課、課程設計對于所有學生都是必修，授課注重控制理論應用、與過程控制區別聯系、課程的系統性通用性全面性；“專轉本”自動化學生通常來自專科或高職的不同專業，其授課特點筆者在文獻[17]已有較詳細論述；機械電子工程專業要多與機械自動化聯系起來，項目教學上與機械設計、力學分析、材料等結合起來；其他相關專業學生，可以開設少課時選修課的方式，講解運動控制導論。

4.3 因時施教

除合適的教學內容、豐富的教學資源、典型的項目、分層次分專業的因材施教外，科學的實施順序，對運動控制課程教學效果的影響也同樣極為重要。

在大學不同階段，相關教育需要適時到位。一年級，可在專業導論課講解運動控制地位、應用場合、發展前景、基本特點，展示運動控制應用視頻，可組織學生到實驗室參觀，實地展示機器人、學生作品、倒立擺等，讓學生產生濃厚興趣；二年級，可吸收部分同學參加課外興趣小組，為后續參加學科競賽做準備；三年級，進入專業課程的系統學習階段，要深入項目實際操作，按照實踐教程要求或提示，進行實驗、課程設計類項目，并可根據自己興趣進一步設計、實踐中等難度項目；四年級，可結合畢業設計，進行綜合項目訓練。

運動控制課程開設期間，要重視緒論課和第一次實踐課的組織安排；可以選取跳一跳能夠得著的入門項目，適當吃點“快餐”，讓學生按說明書式的步驟一步步實現，確保絕大多數學生能按時完成，獲得一定的成就感，遵循先易后難、循序漸進的認知規律，再逐步加大難度，引導學生深入學習；配合理論課進度，課程實驗要適時穿插進行，趁熱打鐵效果更佳；畢業設計項目要早定人選、早選擇方向、早搜集資料，做到早啟動，以期出精品，力爭做出優秀畢業設計論文。

在綜合性項目進行過程中，教師還要適時提醒學生抓住主要問題。比如筆者指導的“擦黑板機器人研制”課題，學生對控制很有把握，但對機械結構、力學設計顯得有些無從下手；然而，該課題首要問題是機器人在垂直黑板表面的可靠吸附與移動，指導教師就要適時點出該問題不可回避，需要知難而進，鼓勵學生從履帶式、磁輪式、真空式等方向調研和試驗，最終通過手工制作磁輪成功解決了吸附問題，再通過計算試驗選擇電動機與減速器從而實現360°移動問題；一旦掃除了這個“攔路虎”，后續設計就非常順利了；論文撰寫時，再回到力學理論，從特殊到一般，總結出類似產品的設計原則。該畢業設計獲得省優秀畢業設計三等獎，并申請發明專利一項，整個項目完成過程是環環相扣的，需要及時指明方向，才不至于中途放棄，甚至有時需要教師和學生一起摸爬滾打攻克難關。

應用型本科綜合性項目課題多為現有技術的組合應用，一般經努力都能夠完成。而應用型本科畢業生初次就業目標多為中小企業，企業的技術攻關也恰好是類似的過程。中小企業往往需要員工一專多能，因此本課程項目教學的目標之一是培養一專多能的復合應用型人才，缺什么補什么，最終也需要培養學生刻苦鉆研、“敢啃硬骨頭”的精神。

4.4 空間拓展

運動控制是實踐性、應用性很強的技術，也是不斷發展的，單一的課堂教學不能滿足要求，要結合課堂、實驗室、學生創新工作室等滿足不同層次、不同階段的需求組織教學。同時結合企業參觀、暑期社會實踐、行業展會、虛擬社區、歷屆優秀學生作品展示、參加教師科研、校企合作實踐基地等形式，拓展教學空間，對課程學習大有幫助。

應用型人才培養采取閉門造車方式固然不行，但立體化全方位教學方式有時會讓人覺得花樣百出、眼花繚亂，“快餐”吃多了也不利于健康，還要適時引導學生多到圖書館或書桌前靜心地研究技術問題，任何技巧都抵不過刻苦鉆研。運動控制課程和技術學習，不沉下心坐下來研究，就不可能獲得多大的收獲。

5 結 語

本文從現狀分析、立體化教學資源、立體化教學方法等幾個方面探討了應用型本科運動控制課程立體化教學模式，經過幾年的實踐，該模式取得了很好的效果。隨著我國對應用型人才需求的數量不斷擴大、質量不斷提高，該教學模式還需在實踐中繼續發展完善。

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TheDiscussiononTree-dimensionalTeachingModeinAppliedUndergraduateMotionControlCourse

XIONGTianzhong，SUNChengzhi，JIShunping，HUANGJie，ZHANGJiahai

(College of Mechanical & Electrical Engineering， Sanjiang University, Nanjing 210012, China)

According to the applied undergraduate motion control course, the students, the features of course, the teachers, the hardware, the implement of course and the teaching resources in Sanjiang University are analyzed, and then a three-dimensional teaching mode of the course isproposed. The content of course is optimized. The theory course book, the practical course book and other hypertext resources are introduced. The three-dimensional teaching methods such as the project teaching, teaching students in accordance with their aptitude, teaching students in accordance with context and the teaching space expansion are expounded. It has been showed that the teaching reform benefitstocultivateapplied talents, and has been gained the better teaching effects.

applied undergraduate； motion control； three-dimensional teaching mode； content optimization； three-dimensional teaching resource； teaching methods

G 642.0

A

1006-7167(2017)11-0189-05

2016-10-20

江蘇省教育廳2015年高等學校重點教材項目(2015-2-033);三江學院品牌專業建設工程一期項目(J15021);三江學院2014年本科教學工程二期項目(J14011)

熊田忠(1976-)，男，江蘇如皋人，碩士，副教授，從事自動化方面的教學與研究。

Tel.：15345185026；E-mail：beartz@163.com