運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程體系改進(jìn)與創(chuàng)新

陳衛(wèi)東， 韓 兵， 楊 明， 王景川， 盧俊國(guó)

(上海交通大學(xué)自動(dòng)化系，系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引言

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在航天航空、機(jī)器人、生產(chǎn)制造、交通能源乃至家用電器等方面有著極為廣泛的應(yīng)用，是自動(dòng)化教學(xué)的重要組成部分。清華大學(xué)自動(dòng)化系為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建研究型自動(dòng)化教學(xué)體系、培養(yǎng)創(chuàng)新型專業(yè)拔尖人才的目標(biāo)，針對(duì)出現(xiàn)的矛盾和問題，在培養(yǎng)方案、課程體系、課程設(shè)置、精品課建設(shè)、課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行了多方位的改革與實(shí)踐[1]，東南大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)就教學(xué)研究與實(shí)踐團(tuán)隊(duì)的發(fā)展、目標(biāo)定位和人員結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索，取得的一系列教學(xué)研究與改革創(chuàng)新成果[2]。由于先進(jìn)的電子、計(jì)算機(jī)、控制技術(shù)和理論不斷發(fā)展，不斷充實(shí)更新教學(xué)內(nèi)容[3]，自動(dòng)化工程觀念的培養(yǎng)[4]，完善教學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)[5-9]，探索教學(xué)方法和實(shí)踐[10-13]等方面的工作不斷被推出，為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建自動(dòng)化專業(yè)研究型教學(xué)體系，培養(yǎng)創(chuàng)新型專業(yè)拔尖人才的目標(biāo)指出了方向。

本文針對(duì)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)中出現(xiàn)的種種問題，從課程體系建設(shè)與教學(xué)理念改革兩方面入手，通過建立各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)新競(jìng)賽工作室、參與科技競(jìng)賽活動(dòng)、創(chuàng)辦國(guó)際化課程等手段，逐步形成了一套以創(chuàng)新為主體的運(yùn)動(dòng)控制課程體系[14-16]，并且不斷更新教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)理念，形成以實(shí)踐為中心、以創(chuàng)新為目的的教學(xué)模式，解決了理論教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)踐的結(jié)合問題。

1 存在問題與瓶頸

國(guó)外高校運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)已經(jīng)綜合了當(dāng)前國(guó)際上迅速發(fā)展的各種先進(jìn)技術(shù)，集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子通信技術(shù)、人機(jī)界面與組態(tài)軟件技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)和方法，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用了集全數(shù)字化、智能化、光機(jī)電一體化的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)知名理工科院校有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)或類似課程，它涵蓋了控制理論、電力電子技術(shù)、電子學(xué)、電機(jī)學(xué)、計(jì)算機(jī)和工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科內(nèi)容。部分國(guó)內(nèi)重點(diǎn)高校也建立運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室，但在開展運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面與國(guó)外仍有一定差距。

我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程教學(xué)和實(shí)踐等方面，雖然已經(jīng)取得一定的成績(jī)，但與國(guó)際一流水平相比尚有較大差距，體現(xiàn)在:重視課堂教學(xué)，輕視雙向交流和面向問題的研討;重視傳統(tǒng)技術(shù)教授，輕視傳授和講解當(dāng)代先進(jìn)技術(shù);多為一般理論分析和教學(xué)實(shí)驗(yàn)、缺乏復(fù)雜系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)與手段上的描述;體系內(nèi)課程內(nèi)容更新緩慢，缺乏有效的、全面綜合的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等，使得課程體系難以適應(yīng)時(shí)代對(duì)創(chuàng)新型拔尖人才培養(yǎng)的要求。

2 課程體系建設(shè)

我們建立的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的課程體系如圖1所示，課程體系中既有優(yōu)質(zhì)課程為代表的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也有以科技創(chuàng)新課程為代表的實(shí)踐課程，通過理論教學(xué)與創(chuàng)新實(shí)踐交叉結(jié)合，培養(yǎng)理工科復(fù)合型人才。

(1)課堂教學(xué)。主要講解相關(guān)基礎(chǔ)課和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理，并將工業(yè)生產(chǎn)、交通和家電中應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制問題等融入基本原理的講解，使同學(xué)們更好地理解運(yùn)動(dòng)控制原理、提高對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的興趣、初步了解運(yùn)動(dòng)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、理論體系和設(shè)計(jì)應(yīng)用方法。

圖1 創(chuàng)新實(shí)踐為主體的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程體系

(2)培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。將教學(xué)實(shí)踐和創(chuàng)新人才培養(yǎng)相結(jié)合，培養(yǎng)同學(xué)的動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生對(duì)于自動(dòng)控制、人工智能、嵌入式系統(tǒng)、機(jī)器人學(xué)等多學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，解決了理論教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)踐的結(jié)合問題，為培養(yǎng)高素質(zhì)的復(fù)合型創(chuàng)新人才打下基礎(chǔ)。

針對(duì)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)涉及知識(shí)面廣、知識(shí)結(jié)構(gòu)更新快的特點(diǎn)，以主干專業(yè)課“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”為抓手，協(xié)調(diào)統(tǒng)籌上下游的相關(guān)課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，向下對(duì)接專業(yè)基礎(chǔ)課“變流技術(shù)”、“PLC技術(shù)”和“自動(dòng)控制理論”的基礎(chǔ)理論和技術(shù)，向上支撐科技創(chuàng)新課“智能車控制算法設(shè)計(jì)和實(shí)踐”、“智能車嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論與實(shí)踐”和“智能機(jī)器人開發(fā)與實(shí)踐”，理順各課程之間的銜接和支撐關(guān)系，逐步建立起一套系統(tǒng)化的運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)體系。

同時(shí)，為順應(yīng)國(guó)際化教學(xué)的發(fā)展，我們以人工智能和機(jī)器人教育為主題，創(chuàng)辦國(guó)際化教育課程“上海人工智能系列講座”，采用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教育手段、聘請(qǐng)國(guó)際大師實(shí)時(shí)在線授課、全球師生在線互動(dòng)交流、虛擬三維環(huán)境進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式。解決了國(guó)際化教學(xué)中人員成本高，交通不便以及缺乏多國(guó)學(xué)生交流的問題，建立了工程技術(shù)國(guó)際化教育的新模式和新手段。同時(shí)，通過國(guó)際化課程搭建的交流與合作平臺(tái)極大地開拓了學(xué)生們的視野，為他們今后的理工科學(xué)習(xí)指明了方向、樹立了遠(yuǎn)大目標(biāo)。

3 教學(xué)理念改革

3.1 不斷更新教育思想與教育理念

在我校原有的“厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐”前提下，進(jìn)一步拓展學(xué)生自主學(xué)習(xí)與互動(dòng)交流相結(jié)合、科學(xué)創(chuàng)新與應(yīng)用創(chuàng)新相結(jié)合的能力。同時(shí)，優(yōu)化教學(xué)結(jié)構(gòu)、需因材施教、重視個(gè)性化教育、建立和諧師生關(guān)系、開拓學(xué)生國(guó)際視野，推動(dòng)教學(xué)理念向國(guó)際化、現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)教育的先進(jìn)水平靠近;結(jié)合自動(dòng)化專業(yè)特點(diǎn)，將“反饋—權(quán)衡—優(yōu)化”的思想應(yīng)用于教學(xué)中，逐漸改進(jìn)教學(xué)方式、方法，在理論性強(qiáng)的課程教學(xué)中，注重抽象概念和實(shí)際應(yīng)用的物理意義的聯(lián)系，而在實(shí)踐性較強(qiáng)的課程中則結(jié)合理論的指導(dǎo)意義使之融會(huì)貫通，逐漸摸索出以下規(guī)律:

(1)注重培養(yǎng)學(xué)生興趣和動(dòng)手能力的培養(yǎng);

(2)注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。引導(dǎo)學(xué)生自覺地將所學(xué)過的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行聯(lián)系，從理論上分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題;

(3)注重引導(dǎo)學(xué)生了解相關(guān)領(lǐng)域的最新動(dòng)向;

(4)注重學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)他們從較早時(shí)間開始接觸以項(xiàng)目為目標(biāo)的工程概念。

3.2 不斷更新教學(xué)內(nèi)容，完善教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，不斷調(diào)整課程體系的教學(xué)內(nèi)容。逐漸增加數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制、光電運(yùn)動(dòng)控制等內(nèi)容，同時(shí)，更新部分電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)容，編譯精密運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)參考書，在保留原有教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，形成以拓展運(yùn)動(dòng)控制專業(yè)特色技術(shù)為內(nèi)容的課程體系。研制應(yīng)用于實(shí)踐教育的模塊化機(jī)器人實(shí)踐平臺(tái)[16]，突破傳統(tǒng)的訓(xùn)練式教育模式，利用機(jī)器人多學(xué)科交叉、融合的特點(diǎn)，將機(jī)器人系統(tǒng)軟硬件以模塊形式搭建，使得學(xué)生在實(shí)踐、創(chuàng)新中獲取、鞏固理論知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、分析解決問題能力，極大提高學(xué)生的自信心和學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，在原有“直流調(diào)速控制系統(tǒng)”和“交流調(diào)速控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開設(shè)“直流伺服系統(tǒng)”、“交流伺服系統(tǒng)”、“光電數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”、“現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制”實(shí)驗(yàn)。

3.3 不斷優(yōu)化師資結(jié)構(gòu)、提高教學(xué)水平

在課程體系建設(shè)與改革過程中，培養(yǎng)了一批骨干和年輕教師，進(jìn)一步完善運(yùn)動(dòng)控制課程體系教學(xué)隊(duì)伍，在“985”三期項(xiàng)目的支撐下提高師資隊(duì)伍的教學(xué)水平、教學(xué)研究和創(chuàng)新性研究的能力，在教學(xué)工作、創(chuàng)新型教育和培養(yǎng)優(yōu)秀人才方面努力上臺(tái)階、上水平。

3.4 以賽帶練、不斷改進(jìn)考核方法

為考量學(xué)生在課程中獲得的理論與實(shí)踐能力，不斷改進(jìn)考核方法，形成了一套綜合考察學(xué)生了解掌握運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)理論、技術(shù)和應(yīng)用的能力的考核方法。針對(duì)國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的機(jī)器人和人工智能競(jìng)賽平臺(tái)RoboCup機(jī)器人世界杯賽與教育部“飛思卡爾杯”全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽，組織自動(dòng)化專業(yè)的本科生和研究生，系統(tǒng)化、有組織地開展科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和科技競(jìng)賽活動(dòng)。在競(jìng)賽中不斷取得的佳績(jī)，極大的增強(qiáng)了參與學(xué)生們的積極性和創(chuàng)造性，使得他們更有激情、更有興趣的參與科學(xué)、研究，形成了“人才培養(yǎng)—競(jìng)賽成績(jī)優(yōu)異—科研創(chuàng)新”的良性循環(huán)。同時(shí)，在創(chuàng)新型應(yīng)用設(shè)計(jì)、實(shí)踐、PRP項(xiàng)目、撰寫研究論文等多方面綜合考量，探索培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的新思路。

4 結(jié)語(yǔ)

上海交通大學(xué)自動(dòng)化系在本科生、研究生的教學(xué)中長(zhǎng)期積累，建設(shè)以創(chuàng)新為主體的運(yùn)動(dòng)控制課程體系，以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)、參與競(jìng)賽以及國(guó)際化課程等手段增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工科課程的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生對(duì)于自動(dòng)控制、人工智能、嵌入式系統(tǒng)、機(jī)器人學(xué)等多學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，為自動(dòng)化創(chuàng)新人才的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)，也為創(chuàng)新競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)室及自動(dòng)化技術(shù)研究提供大量?jī)?yōu)秀人才。

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