運(yùn)動控制系統(tǒng)課程基于OBE理念的教學(xué)改革研究與實踐

徐穎 潘佳琦 田思慶

摘 ?要 運(yùn)動控制系統(tǒng)課程是自動化專業(yè)的核心課程。在佳木斯大學(xué)進(jìn)行工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，借鑒OBE理念，以成果為導(dǎo)向，分析自動化專業(yè)學(xué)生應(yīng)具備的能力，反向設(shè)計教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核評價等方面，并通過實際授課進(jìn)行驗證，得到良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 OBE;運(yùn)動控制系統(tǒng);教學(xué)改革;工程教育;PPT;自動化專業(yè);實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）11-0088-03

1 前言

運(yùn)動控制系統(tǒng)課程是自動化專業(yè)的必修課程，也是核心課程，是一門多學(xué)科交叉的綜合性課程[1]。該課程涉及六門學(xué)科，分別是電機(jī)學(xué)、自動控制原理、電力電子、信號檢測與處理技術(shù)、計算機(jī)控制、微電子技術(shù)，具有知識面廣、綜合性強(qiáng)、實踐性強(qiáng)的特點(diǎn)[2]。隨著運(yùn)動控制系統(tǒng)學(xué)科的發(fā)展，原有的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)方法已經(jīng)不適合培養(yǎng)與當(dāng)前社會需求相匹配的應(yīng)用型人才。

OBE理念（Outcomes-based education）是以成果為導(dǎo)向的新的教育理念，由美國首先提出，并且迅速得到廣泛認(rèn)可。目前，美國工程教育協(xié)會已經(jīng)將OBE理念貫穿于工程教育認(rèn)證的始終，形成了完整的理論體系。佳木斯大學(xué)正著手準(zhǔn)備工程教育專業(yè)認(rèn)證工作，在這樣的背景下，把OBE理念引入運(yùn)動控制系統(tǒng)課程，推動自動化專業(yè)工程教育認(rèn)證工作，具有重要的借鑒意義[3]。

2 OBE理念

傳統(tǒng)的教育以學(xué)科為導(dǎo)向，更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的完整性，強(qiáng)調(diào)教師能教什么，而不是學(xué)生能學(xué)到什么。隨著科技的發(fā)展，社會對技術(shù)型人才的需求在不斷變化，這種以學(xué)科為導(dǎo)向的教育理念忽視了對學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)，使學(xué)生具備的能力與素質(zhì)和社會需求脫節(jié)，增大了就業(yè)壓力。

OBE理念以學(xué)生能力為導(dǎo)向，聚焦學(xué)生能做什么，而不是知道什么;理解什么，而不是記憶什么。OBE理念反向設(shè)計教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段，強(qiáng)調(diào)學(xué)生個性化發(fā)展，擴(kuò)大機(jī)會，為每個學(xué)生提供展示所學(xué)的機(jī)會，而不是標(biāo)準(zhǔn)化的授課方式、標(biāo)準(zhǔn)化的評價考核方式;強(qiáng)調(diào)實用性，注重知識與實際貼合，而不是容易忘記的知識片段;強(qiáng)調(diào)的不僅僅是學(xué)習(xí)能力，還有表達(dá)能力、實際動手能力、解決實際問題能力、團(tuán)隊協(xié)作能力，還涉及相關(guān)價值觀和情感因素。OBE理念下的課程建設(shè)，由于目標(biāo)十分明確，以未來社會對人才的需求為目標(biāo)，使學(xué)生明確能力培養(yǎng)方向，從而激發(fā)學(xué)生的內(nèi)生動力、學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生避免迷茫，樹立信心，最終達(dá)到能力要求，解決就業(yè)壓力與社會需求不對稱的矛盾。

3 基于OBE理念的運(yùn)動控制系統(tǒng)課程

教學(xué)方法 ?佳木斯大學(xué)為應(yīng)用型本科院校，自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)為工程應(yīng)用人才，未來的就業(yè)崗位主要為服務(wù)工程師，主要從事自動控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試和維修工作。將OBE理念應(yīng)用到運(yùn)動控制系統(tǒng)課程，應(yīng)用型本科院校的自動化專業(yè)學(xué)生應(yīng)該具備的能力主要是運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計能力、系統(tǒng)思維能力、較強(qiáng)的動手實踐和解決實際工程問題的能力。

1）理論課內(nèi)容。在講授的課程內(nèi)容上，應(yīng)該強(qiáng)化知識的廣度，弱化知識的深度。如在講解第六章“基于動態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)”時，異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型、坐標(biāo)變換這部分內(nèi)容涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式和推導(dǎo)。數(shù)學(xué)模型這部分內(nèi)容在講授的時候重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是模型的特點(diǎn)，即高階、非線性、強(qiáng)耦合、多變量，讓學(xué)生有感性的認(rèn)識，而不是詳細(xì)講述動態(tài)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)過程，試圖鍛煉學(xué)生的數(shù)理演算能力，啟發(fā)學(xué)生思考為什么異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如此復(fù)雜，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力，并且啟發(fā)學(xué)生思考如何使動態(tài)數(shù)學(xué)模型簡化，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力;繼而引出坐標(biāo)變換方法，啟發(fā)學(xué)生思考坐標(biāo)變換的目的是什么;強(qiáng)調(diào)變換過程中異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的變化，而不是數(shù)學(xué)公式怎么推導(dǎo)而來。

比如從異步電動機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系（定子αβ，轉(zhuǎn)子α′β′）后，結(jié)合圖示，先定性分析定子間、轉(zhuǎn)子間和定子與轉(zhuǎn)子間的電磁耦合關(guān)系，然后通過數(shù)學(xué)模型方程加以驗證，并指出變換后數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)：降低了方程的維度，消除定子三相繞組間和轉(zhuǎn)子三相繞組間的電磁耦合，簡化了磁鏈方程。再進(jìn)一步分析從兩相坐標(biāo)（定子αβ，轉(zhuǎn)子α′β′）變換到靜止兩相坐標(biāo)（αβ）后，數(shù)學(xué)模型的變化特點(diǎn)：消除了定子、轉(zhuǎn)子間的電磁耦合，磁鏈方程變?yōu)榫€性方程。同理，直接分析從兩相坐標(biāo)系（定子αβ，轉(zhuǎn)子α′β′）變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq）后的異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型，通過和靜止兩相坐標(biāo)系（αβ）下的數(shù)學(xué)模型相比較，啟發(fā)學(xué)生思考兩者差異，并分析為什么要用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq）。

在講授的內(nèi)容上，應(yīng)該以實際項目為主線，注重知識的實用性，而不是孤立地、片面地講解理論知識。為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以智能電動輪椅項目為例，通過硬件和軟件兩方面介紹，串聯(lián)不同學(xué)科的知識，培養(yǎng)系統(tǒng)化思維。比如信號和主要電路硬件分為單片機(jī)、驅(qū)動電路、主電路（橋式可逆PWM電路）、故障檢測電路、電源電路、操作與現(xiàn)實電路（操作桿、液晶顯示器、按鍵）。單片機(jī)對于自動化專業(yè)的學(xué)生而言并不陌生，但之前所學(xué)為8051單片機(jī)。本課程可以介紹運(yùn)動控制系統(tǒng)專用的單片機(jī)，如TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812 DSP。驅(qū)動電路和主電路是電力電子課程涉及的，可以只做回顧。軟件部分為直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制算法（轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)PI算法）等。對于交流調(diào)速系統(tǒng)，可以采用對比的方法，引入可逆軋鋼機(jī)運(yùn)控控制系統(tǒng)的工程實例，介紹項目的軟件部分和硬件部分。

在講授內(nèi)容上，補(bǔ)充教材未涉及但是實際工程中經(jīng)常使用的設(shè)備。對于運(yùn)動控制系統(tǒng)而言，變頻器和步進(jìn)電機(jī)是高頻使用的設(shè)備。在介紹變頻器時，增加變頻器的選型、安裝和維護(hù)內(nèi)容。步進(jìn)電機(jī)由于控制信號為脈沖信號，更適合應(yīng)用于數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)中。數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)是運(yùn)動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，在數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。有必要介紹步進(jìn)電機(jī)的控制方式、驅(qū)動器設(shè)定等內(nèi)容，擴(kuò)展學(xué)生的知識面。

2）理論課形式。改變傳統(tǒng)的整節(jié)課都是教師講授的方式，改為學(xué)生總結(jié)—教師講授—學(xué)生總結(jié)的方式。為增加學(xué)生的表現(xiàn)機(jī)會，鍛煉學(xué)生的口頭表達(dá)能力、整合知識的邏輯思維能力，每三人組成一個學(xué)習(xí)小組，每堂課課前10分鐘，讓一個小組出一名代表，利用五分鐘口述上節(jié)課主要內(nèi)容、知識間的邏輯關(guān)系等;另外兩個小組成員接受班級其他學(xué)生的提問，最后由教師點(diǎn)評。教師開始新內(nèi)容的講授，并且在課程結(jié)束前留出五分鐘，隨機(jī)抽取或者讓主動舉手的學(xué)生總結(jié)本節(jié)課內(nèi)容，記小組分，作為平時成績的一部分。

3）理論課工具。多媒體教學(xué)已經(jīng)深入人心，通過PPT展示，省去在黑板上書寫復(fù)雜原理圖、復(fù)雜電路圖、復(fù)雜公式，節(jié)省了大量的寶貴課堂時間。但是，一方面，PPT往往是整頁呈現(xiàn)，沒有給學(xué)生充足的思考時間;另一方面，由于運(yùn)控控制系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，需要不時幫助學(xué)生回顧其他學(xué)科的知識，如直流電機(jī)的運(yùn)行原理、頻率特性曲線繪制、整流橋工作原理等，將這些內(nèi)容補(bǔ)充到運(yùn)動控制系統(tǒng)課程PPT上，會打亂PPT的呈現(xiàn)邏輯，并且這些內(nèi)容的講授會隨著學(xué)生不同而具有選擇性、隨機(jī)性?；诖?，需要PPT與板書相結(jié)合，做到講授效率與講授效果兼顧。

4）實驗課教學(xué)。本門課是實踐性很強(qiáng)的課程，學(xué)生需要通過實驗，加深對算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理解，提高動手能力和解決實際問題的能力。為此，需要仿真實驗和實驗室實驗相結(jié)合。運(yùn)動控制系統(tǒng)課程內(nèi)容比較抽象，MATLAB軟件安裝方便且免費(fèi)，具有仿真交互性[4]。學(xué)生不必受限于實驗室資源，在自己的計算機(jī)上就可以搭建仿真系統(tǒng)。通過搭建系統(tǒng)，改變參數(shù)得到不同的仿真曲線，不但能使調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速效果直觀化，加深學(xué)生對于調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理的理解，而且能提高學(xué)生的系統(tǒng)性思維能力，提高工程設(shè)計能力，彌補(bǔ)實驗環(huán)節(jié)的不足。如搭建按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制的仿真系統(tǒng)，觀察起動過程中，電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量波形、轉(zhuǎn)矩波形、轉(zhuǎn)速波形、磁鏈波形。在線修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，將結(jié)果相對比，形成直觀的印象，加深對抽象的矢量控制知識的理解。

基于OBE理念，佳木斯大學(xué)自動化專業(yè)畢業(yè)學(xué)生未來就業(yè)崗位多為服務(wù)工程師，就業(yè)通常涉及控制系統(tǒng)產(chǎn)品安裝和調(diào)試工作，公司的培訓(xùn)時間有限，需要服務(wù)工程師根據(jù)公司的內(nèi)部安裝手冊、調(diào)試手冊等學(xué)會產(chǎn)品的具體安裝調(diào)試?？紤]到學(xué)生的個性差異，將實驗分為三個層次進(jìn)行教學(xué)。

1）驗證性為導(dǎo)向的實驗教學(xué)。通常教師進(jìn)行演示，學(xué)生模仿搭建，這在一定程度上鍛煉了學(xué)生的動手能力，滿足對本課程持有一般興趣的學(xué)生的需求。

2）解決問題為導(dǎo)向的實驗教學(xué)。提供搭建好的實驗平臺，但是留幾個錯誤接線或者是錯誤的參數(shù)設(shè)置，使得系統(tǒng)不能正常使用，讓完成驗證性實驗的學(xué)生自愿調(diào)試。如對于直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，試驗臺總開關(guān)閉合，而勵磁開關(guān)斷開，其他設(shè)置正常，電動機(jī)不運(yùn)行，但是數(shù)字給定顯示器有數(shù)值變化。通過實驗，讓學(xué)生學(xué)會排查問題，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的工程能力。

3）自主設(shè)計為導(dǎo)向的開放性實驗。不指定實驗題目，僅為學(xué)生提供實驗室設(shè)備，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣自行設(shè)計實驗內(nèi)容，鍛煉學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的工程能力。

評價考核 ?考核內(nèi)容包括平時成績和考試成績。OBE理念下，考評體系需要個性化、非標(biāo)準(zhǔn)化。因此，學(xué)生可以選擇完成多次作業(yè)獲得平時成績，也可以選擇做項目獲得平時成績，為學(xué)生提供更多的選擇余地。學(xué)生自主參與各種運(yùn)控控制系統(tǒng)相關(guān)項目，模仿公司做項目的流程，熟悉公司項目運(yùn)作及歸檔過程;提交歸檔材料，如項目需求說明書、項目概要設(shè)計、項目詳細(xì)設(shè)計說明書;并且完成項目口頭答辯，教師給予相應(yīng)評價，即平時成績=課堂總結(jié)表現(xiàn)+標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)或者做項目+出勤。

4 結(jié)語

OBE理念下的運(yùn)動控制系統(tǒng)課程教學(xué)改革，培養(yǎng)方向目標(biāo)十分明確，學(xué)生有目標(biāo)感，有驅(qū)動力。學(xué)生在項目策劃與團(tuán)隊協(xié)作能力上，在溝通表達(dá)能力上，在動手實踐能力上，在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力上，均取得較大的進(jìn)步，為未來從事服務(wù)型工程師工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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