新工科背景下《運動控制系統(tǒng)實驗》教學(xué)內(nèi)容改革探索

劉圣波 吳健 胡雪楊 趙燕東

摘? 要：結(jié)合新工科對學(xué)生能力的要求，本文探索了“運動控制系統(tǒng)”實驗教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法的改革，在傳統(tǒng)實驗基礎(chǔ)上將Matlab環(huán)境下的運動仿真，通過將現(xiàn)有實驗與仿真實驗的有機結(jié)合，降低驗證性實驗所占比重，加大設(shè)計型實驗比例，強化創(chuàng)新型實驗，嘗試新的教學(xué)方法。實驗結(jié)果表明，在新工科背景下的“運動控制系統(tǒng)實驗”教學(xué)內(nèi)容改革探索對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)與實踐能力具有重要作用。

關(guān)鍵詞：新工科? 運動控制系統(tǒng)實驗? 仿真實驗? 教學(xué)改革

中圖分類號：G420? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（c）-0211-03

Abstract： Combining with the requirements of the new engineering for students' abilities， this paper discusses the reform of the "motion control system" experimental teaching content and teaching methods. On the basis of traditional experiments， the motion simulation in the Matlab environment is combined by combining the existing experiments with the simulation experiments. To reduce the proportion of verification experiments， increase the proportion of design experiments， strengthen innovative experiments， and try new teaching methods. The experimental results show that under the new engineering background， the reform of the teaching content of the "Motion Control System Experiment" plays an important role in cultivating students' innovative literacy and practical ability.

Key Words： New engineering course; Motion control system Enperiment; Simulation experiment; Reform in education

2017年，教育部發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，并啟動“新工科研究與實踐”項目。在國家推進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展大背景下，“中國制造2025”、“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”等重大戰(zhàn)略以及部署，推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，這都要求工科人才具備更高的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，加快新工科建設(shè)，助力經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級。

《運動控制系統(tǒng)》是電氣工程及其自動化專業(yè)和自動化專業(yè)的專業(yè)必修課。課程綜合了《電力電子技術(shù)》《電機學(xué)》《自動控制原理》《模擬電子技術(shù)》《數(shù)字電子技術(shù)》等多學(xué)科的知識，具有很強的實踐性和實用性。北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院《運動控制系統(tǒng)實驗》原有8學(xué)時，教授對象為自動化和電氣工程專業(yè)四年級學(xué)生。原有課程實驗項目都是驗證性實驗，學(xué)生遵循實驗指導(dǎo)書的操作，就可完成實驗。整個實驗過程機械呆板，部分學(xué)生對于實驗原理無法透徹理解，與工程實際嚴(yán)重脫節(jié)，甚至有的學(xué)生認(rèn)為本實驗就是插線拔線，不符合“新工科”的要求。本課程學(xué)習(xí)需要深入理論分析，了解運動控制的工程實際問題，結(jié)合實驗操作和計算機仿真，提升分析和解決工程實際問題的能力。鑒于此，學(xué)院組織相關(guān)教師從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計和教學(xué)方法改進(jìn)兩方面著手，形成適應(yīng)新工科發(fā)展需要的實踐教學(xué)模式。

1? 《運動控制系統(tǒng)實驗》教學(xué)內(nèi)容的改革

實驗操作是《運控控制系統(tǒng)》課程教學(xué)環(huán)節(jié)中非常重要的一部分。改革前《運動控制系統(tǒng)》實驗教學(xué)內(nèi)容主要配合理論課程，使用DJDK-1型電力電子技術(shù)及電機控制實驗裝置，實驗項目如表1。

隨著教育部課程改革工作的推進(jìn)及“新工科”專業(yè)建設(shè)的深入要求，各高校都不斷加強實踐類課程建設(shè)。以工程教育認(rèn)證為基準(zhǔn)，實驗課學(xué)時得到了擴充，從原先8個學(xué)時拓展到了16個學(xué)時，實驗課程從理論課程中獨立出來，這就對于實驗教學(xué)提出了更高的要求。

調(diào)研最新技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)與雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)逐漸被引入PWM數(shù)字控制器的調(diào)速控制系統(tǒng)取代。在《運動控制系統(tǒng)實驗》的教學(xué)中，適當(dāng)增加當(dāng)下技術(shù)內(nèi)容，對現(xiàn)有基礎(chǔ)實驗進(jìn)行擴充，不僅能夠幫助學(xué)生更好了解技術(shù)走向，還能加深學(xué)生對專業(yè)的全面認(rèn)識。

同時，結(jié)合EDA仿真技術(shù)，將Matlab設(shè)計仿真融入課程中來，是現(xiàn)今《運動控制系統(tǒng)》教學(xué)的趨勢。實驗項目的設(shè)計要求學(xué)生自主選題、自行整定進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真，以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力為重點，注重激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維。

綜上改革要求，內(nèi)容改革后的課程增加安排學(xué)時。

2? 《運動控制系統(tǒng)實驗》教學(xué)方法改革

2.1 有機結(jié)合“仿”與“實”

原來實驗的過程中，學(xué)生2～3人為一組，依照實驗指導(dǎo)書開展實驗。實驗操作過程以模塊和模塊之間接線為主，單純的驗證性實驗限制了學(xué)生的主觀能動性，學(xué)生往往重復(fù)實驗過程，不能與理論知識聯(lián)系起來。

為了提高實驗的教學(xué)效果，讓學(xué)生在實操中能做到既能“動手”更能“動腦”，實踐教學(xué)過程中突出強調(diào)運動控制仿真與實驗操作相結(jié)合。仿真實驗項目設(shè)計需要本著“以學(xué)生為中心”原則，著重鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新設(shè)計能力，在理論課與實驗課的基礎(chǔ)上自主選題。課程對應(yīng)的《運動控制系統(tǒng)》理論課也做出相應(yīng)的調(diào)整，增加了仿真部分的講解內(nèi)容（見圖1）。

實驗前期通過較少的學(xué)時（1～2學(xué)時）進(jìn)行基本工具（Matlab）的集中講解，后期主要由學(xué)生自己進(jìn)行設(shè)計和仿真，學(xué)生可以擴展基本控制電路。課后學(xué)生可以隨時開展仿真實驗操作學(xué)習(xí)，通過資料查閱，仿真感興趣的運動測試等環(huán)節(jié)，并且在課上具備實驗條件的，可以在實驗臺上進(jìn)行真實實驗系統(tǒng)搭建（見表2）。

實驗的部分可以分為3個階段（見表3）。

通過此教學(xué)方法實踐，學(xué)生能夠?qū)碚撚懈玫睦斫?，可以按照工程實際設(shè)計自主設(shè)計，并能充分參與到具體項目的全部過程：包括選題、立項以及分析，同時也為學(xué)生日后的工作和科研實踐提供了扎實的技能基礎(chǔ)。

2.2 有機結(jié)合“新”與“舊”

“新工科”理念推出以來，一直都是工程教育的研究熱點，其主要研究內(nèi)容可被歸納為五個“新”：工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系。運動控制系統(tǒng)實驗項目內(nèi)容往往都是課程中最為關(guān)鍵的理論驗證，實驗結(jié)果會得出與課本理論一致的結(jié)論，雖為“舊”知識，但缺少與當(dāng)今最新技術(shù)成果的銜接。在實驗教學(xué)中有機地將這個“新”與“舊”結(jié)合起來，經(jīng)典的運動控制理論賦予新時代意義。例如：在實驗教學(xué)會講解電機反向制動原理，分析新能源汽車中的E檔以及D檔的關(guān)聯(lián)關(guān)系。以新入手，鞏固舊知識，可以大大提高學(xué)時實驗積極性和對理論知識的消化。

3? 結(jié)語

本文在通過優(yōu)化《運動控制系統(tǒng)》實驗教學(xué)內(nèi)容，運用Matlab平臺下仿真手段，在驗證性實驗基礎(chǔ)上，增加自主設(shè)計實驗與創(chuàng)新型實驗等相關(guān)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力。實踐教學(xué)結(jié)果表明，實驗課程內(nèi)容和教學(xué)方法的改革使得理論教學(xué)與實踐內(nèi)容進(jìn)一步緊密結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生思維創(chuàng)新能力，跟上了新時代發(fā)展需求，符合社會創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求，為學(xué)生未來工作和科研深造提供了鍛煉機會。

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