工程教育認證背景下的運動控制系統教學改革探索與實踐

蘇建強

（內蒙古工業大學電力學院，內蒙古 呼和浩特010080）

新一輪科技革命和產業革命正蓬勃興起，工程技術人才作為科技和產業革命的主力軍，其培養質量關系中國在未來產業中的地位，為推進工程人才培養與國際接軌，中國在2016年正式加入工程教育學位互認協議《華盛頓協議》，國內各高校遵循“以學生為中心、成果導向、持續改進”的基本理念，持續推進工程教育專業認證[1-2]。內蒙古工業大學自動化專業以培養在電力、能源工業等領域從事控制系統的分析、設計、開發、運行及管理等方面工作的高素質應用型工程技術人才為目標，通過設置科學合理課程模塊，搭建校企合作實訓基地等一系措施，突出培養學生解決復雜工程問題的能力，增強了專業核心競爭力。運動控制系統作為自動化專業的一門核心課程，課程涉及電力電子技術、電機與拖動、自動控制原理等基礎專業知識，作為核心專業課其課程目標定位不僅僅是專業知識的積累，更重要的是系統分析、設計能力和實踐動手能力的培養，從而支撐自動化專業的畢業目標[3-4]。

1 運動控制系統課程面臨的問題

運動控制系統作為自動化專業的核心課程，在實踐中課程建設面臨著一些新的問題，與工程教育認證的三大理念不相適應，難以滿足自動化專業人才培養需求。

（1）課程內容陳舊，難以滿足工業發展需求。原來的運動控制系統教學內容以直流電機調速為主，而隨著控制理論、電力電子以及微電子技術的發展，在工業領域交流調速系統逐步取代直流調速系統已是不爭的事實，交流調速系統正朝著大容量、高性能、網絡化的方向快速發展。高校作為科技排頭兵，如果不能及時更新授課內容，難以有效支撐人才培養要求，難以滿足產業化要求。

（2）以教授知識為主，難以滿足工程認證對能力培養要求。工程認證更加突出對學生能力的培養，強調產出導向，在前期課程實踐中，運動控制系統授課主要突出綜合應用所學的電機、電力電子等相關知識，注重教授書本知識，缺少工程認證中要求學生具備對復雜工程問題的分析、設計以及研究能力的培養。

（3）學生參與度不高，難以有效激發學生學習熱情。工程教育專業認證要求教學是以學生為“中心”，以“培養學生主動學習，解決復雜工程問題和團隊合作能力”為目標。原先教學模式，由于課程涉及知識多、專業性強，導致學生不愿意深入課程學習，更多的以刷題為題，滿足于會做題，不去深究，學生學習積極性不高，更難以培養學生的自學能力。

（4）實驗單一，難以滿足學生工程實踐能力提升要求。原先的運動控制系統實驗，依托浙江求是實驗平臺，在兩周內完成直流調速四個實驗，學生按部就班按照實驗指導書完成實驗，實驗裝置功能單一且都封閉在箱柜里，學生難以將理論和實驗有機統一，對硬件知識一知半解，對實驗中存在的現象知其然不知其所以然，工程實踐能力難以得到有效鍛煉。

2 運動控制系統課程體系改革

結合產業背景根據工程認證三大理念要求以及自動化培養目標定位，制定了運動控制系統新的課程標準。在制定課程標準的基礎上，從課程內容、教學方法、實驗教學三個方面進行改革與探索。

2.1 基于工程背景的課程內容改革

結合運動控制系統的發展、社會需求和自動化專業的師資隊伍、學生學習情況以及學校硬件建設情況，對教學內容進行全面改革。

（1）在保留直流調速基本內容體系的基礎上，刪減直流調速部分內容。增加交流調速內容，主要包含基于穩態模型的變壓變頻調速和基于動態模型的矢量控制調速。直流和交流部分各占到學時的50%，一方面，直流調速的學習為交流調速的奠定基礎，另一方面，交流調速適應新的產業需要，同時滿足了工程認證中對復雜工程問題的要求。

（2）根據工程認證中畢業目標要求，調整電氣傳動控制系統模塊課程中相關內容。結合專業中課程模塊設置，運動控制系統作為該模塊中最后一門專業課，對其他支撐課程進行適度調整。

（3）結合產業背景，增加項目案例教學內容。運動控制是一門理論性高、實踐性強的課程，為進一步加強課程理論與工程實驗聯系，并以此激發同學的學習興趣，課堂上主要增加了風力發電控制系統、電動汽車電機驅動系統、機械臂控制系統等教學案例。

2.2 基于學生為中心的教學方法改革

運動控制系統按傳統的教學方法以教師為中心講授，課程理論抽象，學生理解難，參與度不高。工程教育專業認證中更加強調以學生為中心，基于此在原有教學方法的基礎上引入新的教學方法。

（1）加入學生主講的研討式教學方法。根據案例教學內容提供的項目，學生3人一組，選定項目，進行查閱資料、方案設計、撰寫報告，并在課堂上講解。教師僅起引導作用，教學的主體是學生，從而培養學生的主動學習能力、團隊精神與合作能力。

（2）將雨課堂引入課程中。為進一步增加學生參與度，在課前將PPT發送給學生；在課堂上通過雨課堂的在線測試功能，并針對學生的共性問題進行重點解答；課程后與學生在線交流。雨課堂中的動畫演示、視頻以及其他網絡資源等現代教學輔助方法，有效提高了學生的興趣。

（3）增加了課下項目作業。在課下增加了項目作業，通過在Matlab中建模，并進行仿真分析，參數設計。一方面，提升了學生的主動自學以及查閱資料的能力，讓學生了解有關運動控制系統的前沿知識，拓展了學生的視野；另一方面，通過仿真將理論知識與實驗聯系起來，克服了先前理論和實驗“兩層皮”的問題，同時也為實驗教學奠定基礎。

2.3 基于四層級設計的實驗教學改革

針對工程教育專業認證的要求，實驗課將理論與實驗緊密結合、將實驗與能力培養緊密結合，改變傳統接線、測數據的實驗教學模式，采用了電機參數測試—建模仿真—整體設計—實驗調試的教學模式。首先依托實驗平臺對被控對象—電機進行參數測量；而后結合前期的項目作業，根據搭建的仿真模型，依托基礎實驗中測的電機相關參數，進行模型修正，并進行仿真分析；再根據實驗中具體指標要求進行電流環、轉速環PI控制器參數設計；最后進行實驗平臺實驗，對比分析仿真結果、計算結果與實驗結果是否一致，如達不到設計指標要求繼續進行新一輪仿真、設計，直至達到預期效果。通過參數測試、理論設計、仿真分析、綜合實驗的四層實驗教學改革，有效提高了學生的工程設計能力。

2.4 教學改革效果對比分析

經過兩個年級的教學改革與探索，本課程的改革方式無論在教學效果和學生的滿意程度上都有較好表現，預定課程目標全部達成，尤其是學生的分析問題、設計運動控制系統能力明顯增強。最近一次運動控制系統理論教學和實驗教學課程目標達成度調查中，優秀率11%，良好率24.3%，優良率提升了23.1%。

3 總結

結合工程教育專業認證，對運動控制系統課程的教學改革進行了深入的思考并做了一些有益的教學改革實踐與探索。以工程認證三大理念為導向，重點在課程內容、教學方法、實驗教學三個方面進行改革與探索，全方位鍛煉了學生解決復雜工程問題的能力。