基于任務驅動法的電氣自動化技術專業教學——以“伺服電機”課程為例

沙 鷗，宋嘯天

(1. 鎮江高等專科學校 丹陽師范學院，江蘇 丹陽 212300； 2. 鎮江市審計局 社會保障審計處，江蘇 鎮江 212003)

“伺服電機”是電氣自動化技術專業的重要專業課程。通過學習，學生能夠掌握感應電機、永磁同步電機等類型電機伺服控制系統的工作原理和控制策略，為今后從事電機裝配工、調試工等電氣自動化技術專業工作奠定理論基礎。但“伺服電機”綜合了電機學、電磁學、自動控制原理(Principle of Automatic Control，PAC)、電力電子技術(Power Electronical Technology，PET)、數字電子技術、模擬電子技術等專業基礎知識，學習難度較大[1]。專科學生理論基礎較薄弱，缺少獨立分析能力[2]，若僅僅靠教師“一對多”模式授課，則無法針對每個學生的實際學習狀況有效開展課程教學，學生遇到難點、疑點時，就會難以理解，從而產生厭學情緒。為打破這種局面，有必要變革授課模式，探索和創新教學內容、教學方法等[3]。

1 任務驅動教學法

任務驅動教學法，是教師依據教學進度和學生已掌握知識的程度，針對教學內容整體設計涵蓋目標知識點的綜合性任務，學生分組完成任務，在真實的問題情境下運用舊知識探索新知識，鞏固和加深所學知識的過程[4]。

如將任務驅動法運用于PLC課程教學，根據真實的生產過程確定具體任務，詳細講解主電路、控制回路輸入端子、梯形圖等關鍵知識點，帶領學生圍繞任務做可行性分析，引導學生優化程序，通過自主探究完成任務，完整地學習PLC控制電機正反停轉的全過程[5]。采用任務驅動教學法，保持了知識點的系統性和整體性，學生不僅了解PLC編程方法、主電路工作原理等關鍵知識點，而且理解各知識點間的關系，啟發獨立思考，培養自學能力。任務是從實際生產過程中提煉出來的，具有很強的實踐性。如修改梯形圖中的1個元件，主電路的工作方式就會發生變化，學生通過應對這種變化可以提高實踐操作能力，就業后能夠迅速適應生產企業的需要，提高就業競爭力。

“伺服電機”課程教學中，設計一系列電機組裝、調試等任務，讓學生在完成任務中發現各類功率開關器件和傳感器的特性，學會根據不同的電機特性、應用場合選擇不同的控制策略，進而深入理解各類電機伺服控制系統的結構和工作原理，牢固掌握伺服電機知識。

2 高職課程運用任務驅動教學法的必要性

2.1 貼合普專學情特點

相對于本科學生，專科學生專業理論功底較薄弱，很難消化吸收抽象的理論和概念，“滿堂灌式”課堂教學中，難以跟隨教師的授課節奏快速學習理論知識。長此以往，學生只能靠死記硬背應付考試，不能真正理解“伺服電機”理論知識，無法融會貫通，更不能舉一反三，培養創新思維，容易出現怕學、厭學情緒。任務驅動教學法以任務為導向，將目標知識融入具體任務，學生在完成任務中通過實際操作全面了解理論知識，激發興趣，培養創新能力和動手能力，掌握電機結構和工作原理知識。

2.2 滿足就業市場需求

普專學生畢業后多從事操作技能類崗位工作，如電機裝配工、調試工、維修工等。這類崗位對實踐能力和動手能力要求較高。因此，專科學校在教學過程中應以就業市場需求為切入點，注重學生實踐操作技能的培養。采用任務驅動教學法，以完成實際操作任務為主線，學生在實際操作中學習理論知識、培養動手能力，可以滿足就業市場的要求。

2.3 培養學生自學能力

教師課前布置教學任務，學生自學書本知識的同時，通過網絡、圖書館等學習解決問題的方法，進而整合消化所學知識，完成相關任務，真正實現自主學習[6]。這個過程有助于培養學生自學能力，提升綜合素質。

3 任務驅動教學法在“伺服電機”中的應用

以2018—2019學年“伺服電機”課程為例，采用任務驅動教學法，共計48課時，授課對象為2017級電氣自動化技術專業學生。該專業學生動手實踐能力較強，但理論推導能力較弱。根據任務驅動教學法的設計要求，分別設計了4項主線任務，如表1所示。

表1 “伺服電機”任務列表

3.1 課前任務預設與預習

任務驅動教學法要求教師在課前做好任務預設，打破書本章節的信息壁壘，選擇與實際生產生活相適應的任務。該任務能夠串聯各章節的相關知識點，讓學生在學習各組成單元原理的同時對伺服系統有總體性、宏觀性的把握。以第1項任務物料計量螺桿裝置設計為例，物料計量螺桿實際是由步進電機帶動的，電機轉速直接關系物料計量的準確度，因此可以設計以步進電機為核心的伺服系統。完整的伺服電機系統包括交流伺服電機、傳感器、控制器、功率變換電路等，如圖1所示[7]3-4。

圖1 交流伺服系統框圖

由于電機帶動螺桿旋轉的圈數直接影響下料量，即影響計量精度，因此，學生在設計伺服系統時必須提高系統的魯棒性、改善系統的響應特性，主要考慮3個要素：功率開關器件、控制策略、傳感器，即選用何種功率開關器件組成系統的功率變換電路，采取何種控制策略，選用何種傳感器。學生利用圖書館、互聯網等進行課前預習，初步了解各類功率開關器件特性、常用控制策略和傳感器。

3.2 推進任務實施

授課的第1環節為知識系統構建，共2課時。首先，教師闡述GTR，MOSFET，IGBT開關器件的動靜態特性，比較三者的容量和開關頻率，引導學生選用容量大、開關頻率高的IGBT作為功率開關器件。其次，教師介紹各類速度位置傳感器和電流傳感器的工作特性，學生根據實際應用場景，開展小組討論，選擇響應速度快、溫度漂移低的混合式光電編碼器作為速度位置傳感器，采用體積小、抗干擾能強的霍爾電流傳感器檢測電流。

授課的第2環節為模擬仿真驗證，共4課時。教師講解2自由度PID控制策略，并畫出系統的控制框圖，學生根據框圖求出閉環傳遞函數，利用矩陣實驗室(Matrix Laboratory，MATBLE)進行轉矩、轉速、電流波形仿真，通過調節2自由度參數α，β和TI，TD，KP參數獲得較理想的仿真波形。通過小組討論和經驗交流，引導學生認識到2自由度參數α，β影響目標跟蹤特性，比例積分微分參數影響系統抗干擾特性。

授課的第3環節為實驗動手操作，共4課時。教師帶領學生設計以步進電機為核心的伺服控制系統，將經過仿真驗證的控制參數輸入控制器，通過實驗驗證系統的響應速度、抗干擾特性和魯棒性。完成目標任務過程中，始終堅持以學生為主體、教師為主導的原則，給學生充足的交流討論時間，充分發揮學生的主觀能動性，提高其自主學習能力和動手實踐能力。

3.3 做好任務總結評價

任務完成后及時總結評價，共2課時。學生闡述伺服系統的基本組成，如功率變換單元和測量單元選用了何種元器件，采用何種控制方法，系統設計過程是怎樣的，是否還有更好的設計思路。

比如有學生提出疑問：“普通PID控制策略就可以實現步進電機的穩定控制，為何采用運算復雜的2自由度PID控制策略？”教師可以引導學生討論評價并修改控制參數，設置α，β為0，觀察系統的輸出轉矩波形，讓學生認識到引入2自由度控制可以增強系統的目標跟蹤特性，提高物料計量的精確性。

此外，教師還可以對任務場景的具體參數做一些合理范圍內的變動，以提高學生在操作過程中的應急應變能力。如預設物料計量螺桿裝置的工作環境高溫高濕、粉塵較大，學生在選用傳感器時應盡可能選用磁性傳感器，提高測量系統的精確性。

任務的總結評價是雙向的。當1項任務完成后，教師應及時總結本次任務驅動教學中的不足之處并進行修正。

任務驅動教學法是一種開放式的教學方法，教師應該及時反思教學過程中出現的問題，根據學生的特點進行針對性指導，確保課程進度按計劃進行，激發學生的興趣等。

4 結束語

以電氣自動化技術專業“伺服電機”課程為例，采用任務驅動教學法，以實踐任務為主線，將教學內容巧妙地穿插在任務中，有利于學生將理論知識轉化為實踐技能，提高創新能力和動手能力，畢業后快速成為企業生產一線的合格員工。