“運動控制系統”課程設計在SRTP中的探索

李新德 閆冬文 李和清 余 樂

(1.東南大學 自動化學院,南京 210096)(2.東南大學 網絡空間安全學院,南京 210096)

隨著我國高等教育的不斷改革,SRTP(Student Research Training Program,大學生科研訓練計劃)已在高校中得到廣泛認可,在培養學生創新思維和創新能力方面,具有較好的引導和推動作用?！斑\動控制系統”是自動化類專業本科階段的核心課程,在SRTP中廣泛應用,但多數學生僅停留在基礎理論層面,難以較好地應用于實戰工程項目中。項目導向型教學模式是讓學生從“0”到“1”完成與課程相關的項目,提倡“理論與實踐結合,課堂與實驗室結合,能力與項目結合”的教學新方式。基于項目導向型的“運動控制系統”課程設計模式有助于培養學生的綜合實踐能力和項目管理能力,對全面提升課程教學質量具有重要意義。

1 項目導向型課程設計實施的必要性

“運動控制系統”是電力電子技術、計算機控制技術、自動控制原理和電機學等多學科相互交叉的課程,具有綜合性強、知識面廣的特點[1]。如果采用傳統教學方式,即課堂講授理論知識、講解例題,學生理解起來較為抽象,可能造成學生只會做題,不會動手的“怪”現象,嚴重偏離教學初衷[2]。

基于上述問題,本文以“運動控制系統”課程設計為例,提出項目導向型的教學模式,如圖1所示。該教學模式圍繞課程知識的運用為中心,選取實際應用中典型的若干項目作為課程載體,將理論知識和實戰應用技能融合到項目中,學生通過完成項目中設定的任務達到自我綜合能力提升的教學目的[3]。在傳統教課方式的基礎上,以實踐為前提,知識運用為目標,以學生合作型自主學習為主,教師指導為輔,全面培養學生從“敢想,敢說,敢做”到“能想,能說,能做”。

在“運動控制系統”中采用項目導向型教學模式,既保留了傳統教學模式的優點,又充分融合了實踐過程與知識運用。同時強調了以項目實踐為教學導向,讓學生在項目中既能鞏固、運用知識,又能培養團隊合作、創新以及問題的分析和處理能力。

2 項目導向型課程設計的實施方案

“運動控制系統”課程的重要內容有交、直流調速系統兩個部分,其中直流電機的調速系統具有結構簡單,應用范圍廣的特點,是經典的學習和分析對象[4]。本文以直流調速系統為知識背景,提出以“兩棲無人機的研制”作為項目導向型教學實例。

兩棲無人機的五大設計環節如圖2所示,分為三大部分:①原理分析:兩棲無人機的飛行原理和控制方案設計;②硬件設計:系統硬件框架結構設計,無人機3D模型設計,硬件選型以及電路設計;③軟件設計:無人機控制算法設計。本節以“兩棲無人機的研制”項目的三大部分實施過程中涉及的知識板塊為背景,討論項目導向型教學模式中學生和教師兩個主體間存在的交互方式以及相互影響發揮的作用。

圖2 兩棲無人機設計環節

2.1 自主學習與團隊協作

由知識與實踐導向的實驗型合作項目能培養學生的團隊協作能力。在“兩棲無人機的研制”項目中,從理論分析到硬件和軟件設計,包括飛行原理分析、構建系統結構框架、硬件選型與設計、飛行控制方案設計和軟件實現等步驟,由學生組成的項目團隊協商完成。通過自主學習與團隊協作能力培養,重點培養學生以下幾方面能力:

1)鞏固理論知識和統籌能力

兩棲無人機設計中的硬件和軟件設計,如電子元件選取、電路設計、PCB板制作、電路板焊接、單片機程序實現等,在模擬電路、數字電路、單片機、C語言等專業基礎課中均有涉及。

在“運動控制系統”課程中采用項目導向型教學模式能夠鞏固學生所學過的知識,并使其在項目中得到應用。如圖3所示是兩棲無人機的系統組成,可以看出小到濾波電路、穩壓電路的設計,大到整個系統硬件架構設計,均需要多門課程知識交織綜合才能完成。

圖3 兩棲無人機的系統組成框圖

2)知識拓展和進階學習能力

如圖4所示是兩棲無人機姿態控制結構框圖,學生需要學習和應用姿態控制算法,自行建立無人機的姿態運算模型。其中,姿態控制需要復雜的數學運算求解,如建立動力學和運動學模型、姿態解算等,均需要學生自行拓展學習。

圖4 兩棲無人機姿態控制結構框圖

學生通過自主學習和探索,以舊知識為基礎,探索式的發現和掌握新知識。該過程從意識層面上提高學生的求知欲和對新知識的包容度,有利于培養學生攻克困難的信心,使學生形成正向回饋,在不斷學習中實現對無人機姿態的可靠、快速、精確的控制。

3)多學科交叉和創新能力

創新是技術進步的核心,是引領發展的第一驅動力。多學科交叉具有綜合性、系統性和滲透性等特點,有利于培養學生成為復合型人才?！皟蓷珶o人機的研制”是一個系統性項目,涉及機械工程、電子工程、控制工程等多學科領域。如圖5所示是兩棲無人機的機體模型,機體3D建模與仿真常使用SOLIDWORKS、CATIA等專業軟件。該內容在“運動控制系統”課程中沒有涉及,學生需要根據項目需求的自行建模分析。通過多學科交叉融合,有助于學生開拓視野,更好地完成項目研究。

(a)水空無人機模型

4)學思并用,團隊管理能力

SRTP通常由2～5人組成的項目團隊承擔,其中1人擔任隊長。在管理學領域可稱之為“組織”。任何一個有組織的集體活動,不論其性質如何,都只有在管理者對它加以管理的條件下,才能按照所要求的方向進行。“兩棲無人機系統的研制”項目需要小組成員盡己所能搜集資料,集思廣益,討論制定項目具體的技術方案。隊長根據組員的情況和項目難度,將完整項目拆解,形成完整的技術方案。同時,團隊定期召開討論會議,總結項目研究進展[5]。這里我們發現團隊的定期會議尤為重要,提出“周組會”和“月組會”兩種方案。前者有利于及時發現項目的短期內存在的難題,后者注重中長期科研任務的規劃和總結。

2.2 教師指導為輔

在項目導向型教學模式中,教師扮演“技術顧問”的角色。包括確定項目任務、制定項目驗收時間節點、定期答疑和最終考核標準等[6]。在“兩棲無人機系統的研制”項目中,根據團隊定期提交的總結報告提供指導性意見,避免研究方法和研究方向出現偏差,對于團隊提出的科研進展難題,尋求最優解決方案。此外,實驗室科研氛圍也是開展SRTP成敗的關鍵,在“兩棲無人機系統的研制”項目中,配置了除教師之外的“科研小導師”,他們是由一群科研成果突出的“學長、學姐”等組成,以此營造“幫扶型、鼓勵型和分享型”的科研團隊,促進實驗室良好的科研氛圍。

2.3 項目成果考核

如圖6所示是基于項目導向型教學模式,不同團隊完成的兩棲無人機項目成果實物圖。傳統的教學成果以考試成績論英雄的方式不再適用,我們采用學生自評、組員互評、項目答辯得分和教師評分的綜合評價方式[7]。同時,鼓勵學生將有價值的項目成果積極參與各類別科研競賽、申請知識產權、發表國內外期刊論文等,做到科研成果有效輸出和反饋。

(a)水空兩棲無人機實物圖(由團隊1開發)

3 項目導向型課程設計在SRTP中的思考

SRTP為學生培養科研能力、創新意識提供了廣闊的平臺,但多數學生僅停留在基礎理論層面,難以較好地將理論知識應用于實戰工程項目中,缺乏知識應用到實踐中的意識,如果不提前培養他們的動手實踐能力,即便提供發展平臺,也無法發揮其自身優勢[8]?！斑\動控制系統”是一門綜合其他理論課程而成的強實踐性課程,為學生今后進行科研項目有較大的促進作用。在這門課程中采用項目導向型教學模式有助于培養學生的“項目意識”和“知識實踐意識”。

在課程項目中,學生經歷了發現問題,交流、合作并解決問題的過程,這將有助于培養其自身的積極性和主觀能動性,增強創新意識和動手能力,引導形成嚴謹的科學態度以及團隊合作精神[9]。對培養單位而言,教師與學生均是教學體系中的主人,在實踐中應積極探索新時代背景下的教學新需求。在“運動控制系統”課程中采用項目導向型教學模式有利于讓學生重視理論與實踐融合發展;有利于推動學生對學習和科研的新認知;有利于培養創新性、綜合性人才,響應國家對高校培育高質量人才的需求和號召,進一步提高學生的綜合素質[10]。

4 結語

“運動控制系統”是一門緊密結合理論和實踐的綜合性課程。針對教學過程中發現的新需求和新問題,本文提出了項目導向型教學新模式,該模式讓學生從“0”到“1”完成與課程相關項目,提倡“理論與實踐結合,課堂與實驗室結合,能力與項目結合”的教學新模式;我們以直流調速系統為知識背景,設置“兩棲無人機的研制”作為項目導向型教學實例,通過培養學生“鞏固理論知識和統籌”和“多學科交叉和創新”等能力,有效提升學生綜合科研素養;基于項目導向型的“運動控制系統”課程教學新模式,對全面提升課程教學質量具有重要意義。學生通過解決實際問題,提高了綜合實踐能力和項目管理能力。