項目驅動的主動教學方法在《電力拖動自動控制系統》教學中的應用

張巍巍 潘俊濤 張白 吳國強 薛敏

摘要：通過引入項目驅動的主動教學方法，從示例項目、仿真實驗項目到工程實踐項目三個方面，使得學生從理論學習—仿真分析—實物實驗三個層面全面掌握電力拖動自動控制系統課程的學習內容。

關鍵詞：項目驅動的主動教學方法；電力拖動控制系統；教學探索

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）27-0183-02

一、引言

隨著工業4.0的不斷推進，國家對運動控制技術人才的需求也日益增加。作為電氣工程和自動化專業的核心課程，電力拖動自動控制系統課程綜合性和實踐性強，是一門綜合了電機學、電力電子技術、自動控制原理等課程相關理論知識和實踐工程應用的典型課程。全國高校自動化專業根據各自的培養特色，制定了特色鮮明的課程體系，通過理論教學和實驗實踐教學結合的方式，培養學生工程實踐和創新能力，滿足社會發展的需要。

二、課程特點及教學現狀分析

1.課程特點。電力拖動自動控制系統是北方民族大學自動化本科專業開設的專業核心課程之一，教材為上海大學阮毅、陳伯時教授編寫的《電力拖動自動控制系統—運動控制系統（第四版）》。教材內容主要包括直流調速系統、交流調速系統和伺服系統三部分。雖然在實際應用中，交流調速系統已經成為主流，但是直流調速系統是調速的理論基礎，因此，教學中主要講授直流調速系統的基本原理、分析和設計方法。通過課程的學習，要求學生掌握直流電動機拖動系統的基本組成原理，單、上閉環控制系統的動、靜態性能分析以及控制系及控制系統的基本設計原理和工程設計方法。與其他課程相比，該課程具有以下特點。（1）課程綜合性強，知識覆蓋面廣。（2）課程與工程實際聯系緊密，技術更新較快。

2.教學現狀分析。通過綜合調查問卷和學生反饋，課程的教學過程和學生的學習過程中存在以下問題。理論課學習中知識點密集，涉及的專業基礎知識多，學生頭腦中缺乏電力拖動生產實際系統的影子，學生缺乏學習興趣，對一些工程原理和過程還是無法深入理解，不能從系統角度深入控制信號采集、輸入、處理和輸出，以及各個環節之間參數的設置和配合。

實驗部分和理論學習不能緊緊地聯系在一起，理論課上講解的不能作為實驗的引導知識。實驗授課過程中，使用的設備都是由實驗箱和實驗臺構成，實驗所需的相關電路、電氣元件、實驗設備都是在實驗箱內部。

三、課程教學改革

鑒于課程的特點和教學現狀，在電力拖動自動控制系統課程的教學中，將以課程理論知識體系為中心轉變為以“項目”為中心，可引起學生的好奇心，提高學習興趣，同時，以理論分析—仿真實驗—實物或半實物實驗開展實驗教學，可促進學生實踐技能的形成。采用項目驅動的主動教學方法，通過介紹典型電力拖動系統在實際工程中的應用，并結合《自動控制原理》、《電機拖動》、《電力電子技術》等多門課程中的基礎知識，用于實際電力拖動控制系統的分析和設計，以實際項目和工程經驗為出發點，驅動新知識的引入和學習，同時，根據學生的實際水平，在仿真實驗的基礎上，基于已經搭建的GUI仿真平臺，開發和完善不同類型的拖動控制仿真模型，學生可以從理論知識—仿真實驗—實際項目三個層次更加系統地掌握所學知識。

1.理論學習從示例項目開始。在講解每一個理論模塊時，首先系統介紹其具體應用場景和部分功能，將功能模塊或者應用場景作為示例項目，提出課程中需要掌握的內容和關鍵知識點。在講解轉速開環控制的直流調速系統內容時，結合先修的《電力電子技術》、《自動控制原理》和《電機拖動》等課程，以提問方式復習之前所學的課程相關內容，設計了他勵直流電機直接啟動、晶閘管-直流電動機開環調速和他勵直流電機開環調速三個仿真示例項目，其中晶閘管-直流電動機開環調速演示實驗如圖1所示。在Matlab-Simulink平臺下，通過課堂演示示例項目，結合新內容提出新的問題，引導學生自己思考，再將課本內容展開對比。通過這種模式，使學生對所學知識從項目角度開始思考，對之前所學知識點進行綜合，培養學生系統集成的能力。

2.從仿真項目到實驗驗證。在講解完理論模塊后，結合理論知識和示例項目，要求每個學生獨立完成基于仿真軟件的典型調速系統的仿真。仿真項目包括了晶閘管-電機閉環有靜差調速、無靜差調速、PWM變換器-電機有靜差調速、無靜差調速四個項目，如圖2所示。為了加深學生對實際系統的了解和認識，要求學生建立的仿真模型包括傳遞函數模型和物理模型。通過傳遞函數模型的建立，將學生前期學習的《自動控制原理》課程內容應用到以電動機為對象的電力拖動控制系統中；通過物理模型的建立，將《電力電子技術》和《電機拖動基礎》的課程內容結合起來，同時結合控制理論設計和調試控制器結構和參數。

3.實際項目引導工程實踐。在以原理為主的理論教學和以驗證為目的仿真實驗的基礎上，探索設計綜合的實際項目。以工業中廣泛應用的西門子全數字直流調速系統裝置為例，與課程內容相結合，介紹西門子6RA70系列全數字直流調速系統裝置的主電路結構、數字PI調節器模塊的圖形化結構和調節器參數調整方法，同時補充工程應用中的典型要求，著重就電樞電流調節器的參數設計和調試展開講述，如圖3所示。使得對于學習能力較強，對電力拖動控制技術具有濃厚興趣的學生，在仿真實驗的基礎上，了解典型的調速系統裝置的結構、編程方法和調整方法，培養學生分析、解決工程項目實際問題的能力。

四、結語

電力系統自動控制系統課程有一定的理論性和實踐性，通過示例項目在講解清楚基本原理的基礎上，重點通過仿真項目和實驗項目讓學生系統理解控制系統各個部分的物理意義和銜接過程，使得學生從理論學習—仿真分析—實物實驗三個層面全面掌握學習內容。學習過程也從被動地接受知識轉變為發現知識，利用知識完成實際項目設計，這樣可以充分調動學生的積極性和提高學習興趣，培養學生分析問題、解決實際問題的能力。通過不斷地探索和教學實踐，證明項目驅動的主動教學方法是提高教學質量的有效途徑。

參考文獻：

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