運動控制系統課程教學改革探索

魯敏 龔立嬌 郭天圣 周偉績

摘 要 運動控制系統是電氣工程及其自動化專業核心課程，難度大，綜合性強，實踐性更強。針對運動控制系統課程教學，從改革理論教學、優化實踐環節、面向實際工程培養等方面，實現課程群的建設與改善。

關鍵詞 運動控制系統；核心課程；課程群；仿真實踐教學；MATLAB；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）16-0093-03

1 引言

運動控制系統被廣泛地應用在國民經濟和社會生產的各個領域，運動控制系統課程電氣自動化及其自動化專業的專業核心課程。現代運動控制技術以各類電動機為控制對象，以計算機和其他電子裝置為控制手段，以電力電子裝置為弱電控制強電的紐帶，以自動控制理論和信息處理理論為理論基礎，以計算機數字仿真和計算機輔助設計為研究和開發的工具。由此可見，課程涉及電路理論、電機學、電力電子技術、自動控制原理、計算機控制、控制系統仿真、DSP原理等知識，是一門多學科相互交叉的綜合性學科。

運動控制系統分為直流部分、交流部分和伺服電機控制三部分，由于主要研究電機轉速的控制，也有書籍稱其為調速技術。該課程的綜合性強，與實際應用聯系緊密，對知識的融會貫通能力和實踐動手能力都有很高的要求。在實際教學過程中發現，如果學生不能將前期分散學習的各科基礎知識綜合地應用到該專業主干課程的學習中，將給運動控制系統課程的學習帶來很大困難，這也使得該課程成為自動化專業比較難教和難學的一門課程。因此，如何改革傳統的教學方式，提高運動控制系統課程的教學質量，是一項很有意義的教學嘗試。

2 改革理論教學

存在問題 目前，石河子大學機械電氣工程學院電氣工程及其自動化專業2017級之前的學生采用2014版人才培養方案，2017級學生采用2017版培養方案，這兩版人才培養方案對于運動控制系統課程的定位和開課時間基本沒有變化，說明目前人才培養方案對于運動控制系統課程的培養方式并沒有做出大的改動。電氣工程及其自動化專業教學大綱中設定的基礎課和專業基礎課程大多關注課程本身的知識重點、難點和深度，較少關注各門課程之間的關聯關系，因此使得每門課程之間的知識點容易出現相互脫節的現象。

運動控制系統一般在三年級下學期或四年級上學期開設，此時學生的專業基礎課和專業課已基本學完，然而在各門課程的知識理解和靈活運用上，相當一部分學生還有待提高，這就給學生學習該課程帶來困難。隨著課程進度的深入，一些學生會感覺跟不上課程的節奏，出現掉隊的現象，教師不得不在運動控制系統課程的課堂上重新復習以上專業基礎課程中的相關知識，在授課學時受限的情況下影響課程教學進度，很多與課程內容相關的前沿知識和擴展知識無法進行補充。課程內容經典但略顯陳舊，沒能完全調動起學生的內在主動性和學習積極性。因此需要對理論教學進行改革，課程群的概念應運而生。通過四屆學生的教學實踐，取得較好的效果，學生和教師反映也不錯。

建立運動控制系統課程群 為了解決上述問題，可以按照基礎課—專業基礎課—專業課的理論課程立體體系建設。在學生開始學習基礎課和專業基礎課時，圍繞運動控制系統課程的前期準備知識體系，建立運動控制系統課程群，群中涵蓋基礎課、專業基礎課和基礎課，包括高等數學、電路理論、電機學、電力電子技術、自動控制原理、計算機控制與仿真技術等相關課程，構建完整的運動控制系統課程教學體系，使學生在整個學習過程中能圍繞一根主線，知識層層遞進，內容逐漸加深，實踐性逐步增強。特別是在進行前期教學過程中，應考慮后續課程的內容關聯，可有意識地提前引入相關內容，使學生在整個學習過程中保持學習鏈完整、學習內容齊備。目前，石河子大學機電學院電氣系已經在開展運動控制系統群建設，學生反映效果較好，能夠將知識前后連貫，也可以對前面學習的課程理解得更加深入。

3 優化實踐環節

仿真實踐環節 運動控制系統課程實踐性很強，但是也需要從理論知識開始，因此，設定教學順序為理論教學→仿真實踐教學→實驗教學→案例研討教學。其中，仿真實踐環節和實驗教學環節是銜接理論教學和案例研討教學的橋梁。在仿真實踐教學環節，MATLAB的應用大大提高了學習質量和對理論的理解程度，應加大課時分配。在整個課程教學過程中，包括直流部分、交流部分和伺服部分，均可采用MATLAB建立模型和運行仿真。學生通過仿真分析，可以直觀地了解交直流電機和伺服電機的控制效果，特別是理論教學內容中關于電機控制部分，也可以將自己的控制算法寫入程序，驗證控制效果，是提高學生學習興趣和教學質量的有力工具。

同時，可以將仿真教學直接引入課堂，而不僅僅是在實驗室，在上課理論講解的同時，通過仿真，演示電機的運行狀態，直觀地展示控制策略對被控對象的控制效果，學生接受度會提高很多。目前的教學改革方案中加大了課堂仿真分析和演示的課時分配，編寫了課堂仿真實驗教案，積極推行教學改革，提高教學水平。

實驗教學環節 實驗教學是仿真教學的有益補充，學生在仿真分析后，已經有了基本的理論理解和初步的實驗設想，通過實際測量和操作實驗裝置，可以彌補仿真實驗中對具象（如電機）的理解。通過實際測量相關實驗數據，可以和仿真結果相對比，通過分析其中的異同，理解仿真和實驗對于理論知識的不同作用。對于程度較好的學生，可以提前進入實驗室，接觸相關研究平臺，提高學生的科研水平。實驗按照驗證性實驗→綜合性實驗→創新性實驗的順序進行。學生從驗證性實驗開始，對理論學習和仿真的模型和算法進行驗證，加深理解；然后可以將直流部分、交流部分的幾個相關實驗綜合在一起，對直流調速、交流調速有一個整體的印象；在此基礎上再開展創新性實驗，根據教師提出的設計要求，選擇器件，設計控制器，設置參數，最終完成一個完整的設計過程，整體水平有較大提高。

目前的實驗臺為掛件式，學生在設計實驗時同時需要選出所需掛件，配合實驗臺上的通用模塊（電源模塊、測量模塊等），完成一個完整的實驗過程。

案例研討教學 目前科技發展迅速，學生僅僅依靠課本上學習的知識已經不能跟上科技的發展、時代的發展，所以，文獻閱讀是本科學生需要掌握的一項新的技能。在以往的教學中，教學主體是教師，受體是學生，教師的水平決定了學生的水平。目前信息技術快速發展，使學生除了可以從教師處得到知識，也可以通過強大的互聯網得到最新發展，這就需要教師引導學生去關注和閱讀，并就和專業與課程相關的案例進行研討。在研討過程中，學生可以將已學過的知識和新知識融合，不斷開闊視野，提高學習能力。

案例教學一般是由教師根據所學內容，結合目前技術的發展，給學生制定一個范圍，讓學生在此范圍內查找相關實例，對實例進行相關技術的討論，最終以小組答辯的形式給出成績。在學生答辯時，不僅教師提問，其他學生也可以就相關內容提出疑問，增強互動性。案例教學在石河子大學電氣工程及其自動化專業已經實施四屆，效果逐漸體現：學生對于課程的興趣提高，查閱文獻和閱讀文獻的技能也不斷增長，這反映在學生做畢業設計時對文獻的查閱和快速反應上，對學生的幫助很大。

4 面向工程培養

運動控制系統是一門實踐性非常強的課程，本質上是面向工程的，但是在實際教學中，由于教學要求和培養模式的限制，無法使課程直接面向工程實際，這對一門實踐性強的課程來說，學習效果會大打折扣。因此，在運動控制系統課程教學中嘗試面向工程實際，通過實際的工程項目，使學生對課程的應用性有更加深刻的認識。本項目目前在申請學校的教改課題，將復雜的工程問題嵌入課堂教學中，達到理論聯系實際、實踐促進理論的目的。

學校在開展此項工作時取得較好的效果，學生對于課程學習的興趣增加，同時對于課本知識也由于實際的工程項目得到更新。學校還專門開展學生工程項目訓練工作，讓學生在教師的指導下，針對實際的工程問題，提出解決方案，并通過仿真和實驗的方法驗證，使學生的科研能力得到提升，并且可以完善后可以參加全國大學生創新創業競賽。經過幾年的實踐，學生的學習興趣得到提高，也有不少項目通過面向工程這種培養方式，使學生在繼續科研和就業方面具有優勢，收到良好效果。

5 結語

針對目前運動控制系統課程出現的教學手段和培養方式方面的問題，通過采用改革理論教學模式、優化實踐教學、面向工程實際培養等方式，制定了從基礎課到專業基礎課再到專業核心課的課程群方案，加強課程之間的關聯；通過加強MATLAB仿真實踐與實驗教學，提高學生的實踐能力。通過面向工程實際的培養方式，使學生在理論學習的同時，對于工程實際有了初步的了解，提高了學生的學習興趣，培養了學生的科學研究素養。此教學改革思路有助于解決運動控制系統課程難學和難教的問題，希望對于其他綜合性和實踐性較強的專業課程提高教學質量具有參考和借鑒價值。

參考文獻

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