运动控制类课程群立体化实践教学体系改革与实践

林 健 汪木兰 盛党红

南京工程学院 江苏南京 211167

自动化专业培养内容主要包括两大方向，即运动控制与过程控制，因此运动控制类课程群是自动化专业核心课程群，包括电机与电力拖动基础、自动控制原理、电力电子技术、控制系统Matlab仿真实习、单片机原理及应用和运动控制系统等专业主干课程，其实践教学环节尤其重要，教学效果直接影响到学生能否建立最基本的工程素质和技能，能否树立专业意识和是否形成学习兴趣[1]。而对于目前的运动控制类课程，学生的实践能力培养是依附于理论教学的，实践教学模式单一、被动，实践资源难以获得有效的开发与利用，学生也无法获得系统的工程开发经验，主要表现在：

(1)理论课程之间缺乏联系。课程设置延续基础课、专业基础课、专业课的三段式课程模式，缺少以培养学生应用能力为导向的模块化整合。课程教学过程中忽视同系列课程之间和教师之间的承接与相互联系，缺乏通过项目式的应用和开发案例讲述知识点的教学方法。

(2)实践环节之间缺乏联系。运动控制类课程的实践教学以课程为单位，实行的是“课程实验→课程设计”的模式，只完成对某一特定课程知识的验证和巩固，各课程实践环节之间缺乏联系，缺少以相关能力为导向的综合实践能力环节，造成学生掌握知识零散，与工程实际偏离较大，实践教学安排不能反映现代控制系统设计的系统化设计思想。在此模式下，学生虽然完成了每门课程的实践任务，但是依旧难以建立起工程系统的概念，这对自动化专业的学生来说，是一个软肋。

(3)理论课程与实践环节之间缺乏联系。课程理论教学与实践教学脱节，理论课授课教师不参与实践教学，实验教师也不参与理论教学环节，造成学生无法将实验内容与理论知识联系。以实验为例，学生按照实验指导书的步骤进行实验，得到正确结果后即宣告实验结束，关于实验系统的原理、现象与理论知识点之间的联系不予讲授。实践教学模式单一，教学手段及内容陈旧，学生可参与的互动极少，对知识的被动接受导致学生创新能力受限。

(4)学生的工程素质和技能不能得到有效培养和训练。由于缺乏理论与实践的关联，学生头脑中零散的知识无法系统化，最直接的例子就是学生不知如何选择器件去搭建一个完整的运动控制系统，更不知道如何进行电磁兼容设计和成本控制。

1 立体化实践教学体系的内涵

立体化实践教学模式，从“学以致用”人才培养理念出发，即以学生兴趣和能力培养为核心，以课程群为教学单元组织实践教学，实施以学生为主体，教师为引导的自主学习模式，建立多途径、多层次的立体化实践教学体系，其目标是在兴趣中培养能力，同时配合教学目标对不同层次的学生进行立体化培养。为此，需要根据运动类课程的特点，整合课程资源，按照“应用性”原则，对传统实践教学内容进行改造与创新[2]。

立体化实践教学模式的出发点是师生互动，切入点是边学边做，落脚点是调动学生的学习积极性、创造性，尤为强调个性的发挥，强调不同层次学生的个性化教育，注重理论教学与实践教学的相互渗透，遵循教育认知规律，构建由低到高的递进式教学层级，教学过程体现了实践环节的系统性、层次性、自主性、开放性等特点。

2 改革措施

为了克服当前运动控制类课程实践教学分散的缺陷，在对原实践教学体系分析研究的基础上，我们将运动控制类课程群的教学内容与体系进行立体化重组和改造，注重各种实践教学环节的有机衔接、紧密配合，建立以提升实践能力为核心，理论与实验教学融合、虚拟与现实融合、课内与课外融合的立体化实践教学模式。同时建立从专业实验室、实习基地到校企共建实验室，从大学生创新实验室到学科重点实验室及功能配套齐全的立体化实践教学平台，形成完整、科学的实践教学体系，实现大学生工程应用能力的立体化培养。

2.1 运动控制类课程群的构建

我们打破传统的课程体系，按照本专业现场工程师培养目标要求，有针对性地构建模块化的课程体系，提高学生在行业中的竞争力[3]。运动控制类课程群中的电机与电力拖动基础属于控制对象的范畴，自动控制原理属于控制方法的范畴，电力电子技术和单片机原理及应用则属于控制工具的范畴，这4门专业基础课共同构成运动控制的基础。在此基础上，控制系统Matlab仿真实习实现运动控制系统的虚拟设计，运动控制系统则实现运动控制系统的实际设计，这2门课综合各专业基础课程内容并将其提升为系统化的应用。

为了构建一个符合认知规律、具有层次的模块化课程体系，我们采取了以下措施：首先，精简各门课程中重复的内容，如运动控制系统中电力电子器件内容在电力电子技术中已有详细介绍，通过重组可避免重复讲授；自动控制原中关于运动控制系统仿真的内容可在控制系统Matlab仿真实习中教授。其次，强化各专业基础课程中与运动控制有关的知识点，如在电力电子技术中介绍PWM整流电路控制方法时可以举直流电机PWM调速的实例，在自动控制原理课程中介绍自动控制系统设计方法时可以运动控制系统为例。优化后的运动控制类课程群具有整体性、连续性，可有效解决各理论课程的衔接与综合问题。

为了加强各课程实践环节之间的联系，在运动控制系统实验中，开设涵盖多课程内容的设计性实验，譬如直流电机PID速度控制实验，综合了自动控制原理与运动控制系统两门课程的知识，学生可自行选择实验方法和步骤，选用仪器设备，提出实验预案，完成参数选择，经教师同意后独立操作完成。

2.2 理论与实验教学融合

根据理论联系实际的教学原则，将理论教学渗透到实践教学中去，使学生在动手实验中理解与接受理论，同时训练技能，手脑并用，有利于对知识的理解与记忆，从而形成“实践—理论—能力”的教学模式，是“学以致用”思想的体现。

对于理论与实践并重的电机与电力拖动基础、运动控制系统、电力电子技术等课程，将部分实践性强的章节安排在相应的专业实验室讲授。学生先动手实践，获得一定的感性认识，再配合教师有计划的引申教学，在兴趣中消化理解抽象的理论知识。例如：运动控制系统课程无刷直流电机电子换向的教学可在无刷直流电机实验装置上开展，学生可在示波器上实时观察到霍尔波形与控制信号，换向逻辑一目了然，同时可以直观地掌握无刷直流电机的控制方法，在有限的课时中获得技能与理论的双丰收。

对于实践性强的控制系统Matlab仿真实习课程可直接在实验室教学，在理论讲授的同时进行运动控制系统的仿真与验证，学生通过直观的实验结果将理性知识快速强化。

2.3 虚拟与现实融合

如果学完所有运动控制课程后，马上让学生设计一个实际的运动控制系统，跳跃性太大，学生会因频繁失误而失去信心，此时，若采用“虚实结合”的方法让学生掌握运动控制系统设计的流程和方法，则效果更好。

虚拟仿真在运动控制系统设计中有重要作用，它可使学生从枯燥的理论分析计算中解脱出来，形象直观地认知系统中的抽象知识，同时仿真软件提供了优化设计的功能，可以观察系统各环节参数变化对输出的影响，培养学生有效利用仿真手段解决设计问题的能力[4,5]。但如果因此认为仿真技术可以代替实际设计，也是不可取的，学生要具备扎实的运动控制设计的经验和能力，仍需要实际设计与动手操作。因此，将仿真与实际操作相结合，能更有效地达到实践教学的目标。

倒立摆实验装置为实现这一教学改革提供了很好的实验平台。学生通过虚拟的Matlab仿真实习掌握运动控制系统建模、设计与校正的一般方法，向工程实际靠近了一步。在此基础上，将倒立摆控制与Matlab仿真软件相结合(即虚实结合)，学生在Matlab环境中建立倒立摆运动控制系统的数学模型，然后设计控制系统各项参数，使其达到控制要求，经仿真验证成功的控制参数可直接下载到驱动器中控制倒立摆的平衡。学生在这种虚实结合的教学模式中，掌握各种系统结构及参数对系统性能的影响，进一步学会运动控制系统的设计过程及分析方法，同时充分理解仿真在实际控制系统设计中的辅助与验证作用，明白仿真成功与实际控制成功之间的联系与区别，启发学生多向思维和设计思路，激发学生的创造灵感和创新欲望。

2.4 课内与课外融合

学生要真正掌握实际运动控制系统设计的要领和实际项目开发经验，仅靠课内教学是远远不够的，还需要课外大量“真刀实枪”的实践。为了实现课内与课外的融合，我们主要采取了三种途径：

(1)充分利用大学生创新实验室的开放和研发条件。我校自动化专业实验室根据不同培养目标的特点制订不同的开放模式。实验室开放后，学生可以灵活地选择实践内容和时间。实验室为学生提供场地、实验设备、经费，授课教师围绕课程主题精心设计课外创新项目，如电动自行车控制器、数控伺服控制器等，分析任务并给出完成该任务的思路、方法、步骤。设计任务在课程理论教学开始4周内以项目的形式下达，学生在进行理论知识学习的同时，可以同步进行自己所选择项目的方案规划，同时有针对性地进行相关知识点的深入研究，然后借助Proteus仿真环境进行硬件设计和软件编写，并对其调试，在调试成功后，进行元器件的购买和电路板的制作，最终完成硬件与软件系统的联调。

(2)依靠运动控制技术重点实验室的教师科研队伍，建立优秀生滚动选拔机制。优秀生通过双向选择确定导师，制订个性化培养计划，进入导师科研项目组，在导师的指导下围绕先进运动控制方向接受科研训练，有目的、有方向、有计划地开展创新实践活动。由于依托学科优势，项目起点高，可以极大提高学生在运动控制系统软硬件设计等方面的综合能力。

(3)围绕校企共建的各类先进运动控制实验室，我们在运动控制类课程群中大量采用工业项目实例进行实践教学。校工程实训中心包含以下与运动控制相关的校企共建实验室：Fanuc数控系统应用中心、三菱自动化实验室、GE-Fanuc自动化系统集成实验室、西门子自动化技术联合示范实验中心、博世力士乐机电一体化实验中心等，我校充分利用这些世界一流公司的产品和技术开展项目教学、现场教学和案例教学，使学生在相关领域具有扎实的实践能力与宽阔的视野。学生在共建实验室集中培训一段时间后，如果达到企业的认证要求，可以获得企业不同层次的职业资格证书，提高了学生的就业竞争力。

3 改革成效

运动控制类课程群实践教学体系运用立体化教学模式，突破了传统单向死板的以知识传授为主的教学模式，为学生提供了一个亲自参与、形象直观的交互环境，尊重学生的主体意识，为学生思考、探索和创造提供了巨大的空间。该教学法是以学生为中心，以学生自主活动为基础，学生在活动和实践中，变被动学习为主动且有创造性的学习，并能在学习中与他人相互协作。该教学法充分体现了在实践中学习，在探索中学习，在协作中学习的人才培养目的。学生的运动控制实践与创新能力得到大幅提高。

在近三年自动化专业省级与校级优秀毕业设计作品中，运动控制类选题占2/3以上。同时，在各类机器人大赛中我校自动化专业学生频频获奖。2011年，我校自动化专业学生获得中国水中机器人大赛暨首届水中机器人国际邀请赛一等奖1项；获中国机器人大赛暨RoboCup公开赛一等奖1项，二等奖9项，三等奖5项；获第五届“三菱电机自动化杯”大学生自动化大赛暨自动化创新设计竞赛特等奖1项。2012年，自动化专业学生获得中国水中机器人大赛暨首届水中机器人国际邀请赛一等奖1项，二等奖4项，三等奖4项；获全国电老鼠走迷宫竞赛华东赛区一等奖1项；获第七届飞思卡尔智能车大赛华东赛区二等奖1项，三等奖2项。

[1]陈跃东,郎朗.《电力拖动控制系统》教学改革研究与实践[J].宁波大学学报,2010,32(3):98-101.

[2]周合兵,沈文淮.构建全方位、多层次、立体化创新教育体系的实践与探索[J].中国大学教学,2010(9):66-68.

[3]龙胜春,沈永增,何通能.高校电子信息专业特色课程群建设与探索[J].高等理科教育,2010(1):45-48.

[4]张敬南.“电力拖动自动控制系统”中的仿真教学[J].电气电子教学学报,2010,32(4):110-112.

[5]钱晓耀,陈卫民,蔡慧.“电力拖动自动控制系统”课程教学改革探讨[J].中国电力教育,2009(7):61-63.