“運動控制系統(tǒng)”實驗教學改革的探索

劉麗俊，趙明偉，劉海寬

(江蘇師范大學 電氣學院，江蘇 徐州221116)

運動控制作為自動化分支之一，在各行業(yè)具有廣泛的工程應用背景。“運動控制系統(tǒng)”實踐課程是課程教學的重要組成部分，其主要任務是結(jié)合工程背景，使學生通過實驗平臺了解運動控制系統(tǒng)的構(gòu)成，掌握測量、分析和設(shè)計運動控制系統(tǒng)的方法、手段，以及實驗技術(shù)、實驗理論、研究方法;掌握常規(guī)的運動控制系統(tǒng)儀器、控制設(shè)備的使用。

目前，我院電力電子、電力拖動相關(guān)課程實驗室的現(xiàn)有實驗裝置都是模擬控制裝置。它們以演示性、驗證性的實驗為主，缺少綜合性、設(shè)計性和研究性實驗。實驗內(nèi)容單一，學生不清楚所學知識如何運用，難以實現(xiàn)分析和解決問題能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［1］。為此，需要對“運動控制系統(tǒng)”實驗教學進行改革，構(gòu)建新的實驗教學體系，改變傳統(tǒng)實驗教學方式，改善實驗教學手段。本文就我院“運動控制系統(tǒng)”實驗教學改革的有關(guān)問題進行探討。

1 教學改革的目標和基本思路

實驗教學改革的思路是:以培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力為核心，與課程改革和課程建設(shè)同步，和理論教學相互依托形成良性互動;堅持課內(nèi)和課外結(jié)合:課內(nèi)注重問題引導、案例示范和啟發(fā)創(chuàng)新思維，課外實踐重在自主設(shè)計和研究，為學生參加工程實踐和研究創(chuàng)新實驗創(chuàng)造良好的條件和環(huán)境［2］。

改革的目標為:①突破實驗教學依附于理論教學的傳統(tǒng)觀念，開設(shè)包括基本性、綜合設(shè)計性、研究創(chuàng)新性三種類型的實驗課程，建立相對獨立于理論教學的新型三層次的實驗、實踐教學體系;②建設(shè)實驗示范中心，建立理論教學、實驗教學和實踐教學有機結(jié)合的“運動控制系統(tǒng)”課程教學新體系;③實現(xiàn)實驗教學資源的開放和共享，實現(xiàn)由單向知識傳授的教學模式向知識傳授與創(chuàng)新教育相結(jié)合的研究型教學模式轉(zhuǎn)變;④充分利用計算機、網(wǎng)絡通信技術(shù)，建立網(wǎng)絡化實驗教學平臺，開發(fā)虛擬實驗、實踐課件和實驗教學網(wǎng)絡資源，實現(xiàn)網(wǎng)上輔助實驗教學，為教師和學生提供網(wǎng)絡實驗教學的環(huán)境。

2 深化實驗教學改革

2.1 構(gòu)建層次化、模塊化實驗教學體系

本體系可分為基礎(chǔ)教學實驗、綜合設(shè)計類實驗和研究創(chuàng)新型實驗三個層次:主要環(huán)節(jié)為三個模塊:①認知實踐、課堂教學仿真和驗證性實驗;②各種形式的實習、工程訓練、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計;③科技活動、學生科研和開放實驗等。

(1)基礎(chǔ)教學實驗—這個層次通過認知實踐、課堂教學演示仿真和驗證性實驗諸環(huán)節(jié)來完成，這些環(huán)節(jié)作用各有側(cè)重。

認知實踐主要是為了適應課堂教學理論性強的特點，利用實驗室各個實驗環(huán)節(jié)將課堂講授的理論知識具體化，讓學生對理論內(nèi)容有更為直觀的認識，用一些工程實例將所學理論與實際應用相結(jié)合，提高學生的學習興趣。這是實驗教學的預習環(huán)節(jié)。

演示仿真實驗主要是通過利用Flash 軟件和Matlab 軟件建立的虛擬仿真實驗來配合理論課教學，在某些難以描述和講解的基本概念與基本現(xiàn)象的教學中，能起到事半功倍的效果［3］。

驗證性實驗一方面是驗證課堂所講理論的正確性，包括常用儀表的原理與使用。例如交直流調(diào)速系統(tǒng)的驗證實驗及通用變頻器系統(tǒng)的安裝與調(diào)試實驗就屬于這個環(huán)節(jié)。

(2)綜合設(shè)計類實驗—本層次以課程綜合性實驗和設(shè)計性實驗、課程設(shè)計/實訓/自動化系統(tǒng)工程師培訓、畢業(yè)設(shè)計等綜合實踐環(huán)節(jié)為主。

綜合性實驗是指學生在具備一定的基礎(chǔ)知識和基本操作技能的基礎(chǔ)上，運用綜合的實驗方法和手段，按照要求(或自擬實驗方案)完成實驗過程，例如基于PLC 的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)實驗，涉及到“自動控制系統(tǒng)”、“PLC 原理及應用”和“常規(guī)電氣控制”等課程的知識。

設(shè)計性實驗是由學生自己設(shè)計實驗方案、選擇實驗方法、選擇實驗器材擬定實驗操作程序和對結(jié)果進行分析處理的實驗。例如雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)是屬于課程設(shè)計/實訓環(huán)節(jié)，而變頻恒壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)的研究，變頻器上位機監(jiān)控系統(tǒng)的研究屬于畢業(yè)設(shè)計的環(huán)節(jié)［4，5］。

(3)研究創(chuàng)新型實驗—本層次實驗教學包括對新理論的研究、探索新的實驗方法、技術(shù)和儀器設(shè)備的改進，學生參加各種科技和競賽活動，學生科研立項或者參與教師的科/教研項目等。

這類實驗要突出綜合性的特點。例如基于DSP的交流異步電機矢量控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，就是教師的校級重點基金項目，要求學生完成方案的選擇，系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計、軟件的設(shè)計及編程，系統(tǒng)的調(diào)試及試驗等。

2.2 豐富實驗教學方法和手段

(1)利用多媒體技術(shù)，增強教學直觀性

實驗體系中利用Flash 軟件和Matlab 軟件的Simulink 和PowerSystem 工具箱搭建“運動控制系統(tǒng)”虛擬實驗平臺［1］［3］，在實驗教學過程中可以用多媒體技術(shù)等教學手段，最大限度地展示教學內(nèi)容，給學生耳目一新的感覺。如利用虛擬實驗平臺設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以對設(shè)計系統(tǒng)進行驗證，通過Matlab 仿真結(jié)果可以很直觀地分析系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能，判斷設(shè)計系統(tǒng)是否合理，參數(shù)是否需要調(diào)整。對于直流調(diào)速系統(tǒng)，通過Flash 軟件建立的仿真模型對加載過程中電機的速度變化有很直觀的動態(tài)顯示。在實驗教學過程中，由于實驗條件等因素的限制，一些實驗課開設(shè)不了，可應用多媒體教學手段彌補這部分的不足。

(2)利用開放式實驗，提高自主學習積極性

開放式是指在實驗教學過程中，實驗室在時間和空間上對學生全部開放，可提高學生進行自主學習和研究性學習的積極性。

(3)開展研究性教學，探索創(chuàng)新能力培養(yǎng)

通過鼓勵教師將在研課題內(nèi)容列入科研訓練課題，鼓勵和組織學生參加科研課題的研究活動來培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。近三年有很多學生參加教師的教研、科研課題，為教師的科、教研課題做了大量的實際工作，比如:校級教研項目《運動控制系統(tǒng)實驗虛擬技術(shù)新方法的實現(xiàn)》開發(fā)了基于PLC、計算機控制技術(shù)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng);?；痦椖俊懂惒诫姍C矢量控制系統(tǒng)的數(shù)字化實現(xiàn)》建立了矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)計了系統(tǒng)的硬件電路，完成了系統(tǒng)的調(diào)試與試驗等。

(4)建立網(wǎng)絡化教學平臺，加強教學互動性

學生通過網(wǎng)絡平臺可以獲取實驗課程大綱、講義和指導書等實驗教學資料;獲取軟件和專題學習資料等輔助教學資源;查看往屆學生實驗、實踐成果等。同時，網(wǎng)站還設(shè)有輔助教學模塊，為教師個性化的課外實驗學習輔導提供條件。

2.3 完善實驗考核制度

實施多元化的考核方法:在實驗教學中，根據(jù)不同的實驗層次，對學生采取不同的評價方法:①基礎(chǔ)教學實驗:平時成績+操作考試+答辯成績;②綜合設(shè)計實驗:平時成績+答辯成績;③研究創(chuàng)新實驗:科學報告+答辯成績;④自動化系統(tǒng)工程師培訓:⑤平時成績+理論考試+實際操作考試，按照工程師認證的方式進行考核。

3 實驗教學改革實施的效果

“運動控制系統(tǒng)”實驗教學體系已在三屆學生的教學中采用。使學生的動手能力、創(chuàng)新思維及綜合操作水平大為提高。

我們將實踐教學改革成果與理論教學改革相結(jié)合，完成了“電力拖動自動控制系統(tǒng)”校級重點課程的建設(shè)，在課程教學中獲得學生的充分肯定和好評。有一部分學生參加了自動化系統(tǒng)工程師認證的運動控制系統(tǒng)培訓，取得了自動化系統(tǒng)助理工程師證書。近三年學生的畢業(yè)論文水平的提高都得益于扎實的實驗技能、分析能力和綜合實驗研究的訓練。其中已有多篇學生論文被評為校級優(yōu)秀畢業(yè)論文。學生通過參與運動控制方面的科研和教研課題，獲得了不少收益。其中有些學生將其所做工作進行整理，在核心期刊上發(fā)表出來。

［1］ 劉興平等.警察院校學制下的實驗教學改革［J］.上海:實驗室研究與探索，2009，28(11):140-143

［2］ 宋立權(quán)等.機械基礎(chǔ)實驗實踐教學體系改革與實踐［J］.上海:實驗室研究與探索，2009，28(9):88-91

［3］ 洪乃剛.電力電子、電機控制系統(tǒng)的建模和仿真［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010

［4］ 鄭鳳翼.圖解電力拖動系統(tǒng)電路［M］.北京:人民郵電出版社，2009

［5］ 李方園.變頻器自動化工程實踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007