基于电机及运动控制实验平台的实验教学探索

徐银梅　王丽君　鲁亿方北京科技大学自动化学院　北京　100083

基于电机及运动控制实验平台的实验教学探索

徐银梅王丽君鲁亿方
北京科技大学自动化学院北京100083

简要地介绍了CDIO模式及电机及运动控制实验平台的基本情况，分析了传统教育模式下电机及运动控制实验教学的不足以及进行教学改革的必要性，从实验内容设计、实验教学方法的改进以及网络实验等方面进行改革，形成了新的教学模式，加强了对学生工程实践能力的培养。

CDIO；实验教学改革；网络实验；工程能力

北京科技大学自动化学院于2013年被批准成为教育部第二批CDIO电气类试点高校，对照CDIO人才培养模式对培养学生工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个层面的要求[1]，自动化专业全面展开了CDIO模式的教学探索与实践。[2]

电机及其运动控制是自动化专业的主干课程，对照CDIO人才培养模式的要求，本课程实验教学在过去存在一些不足和问题，主要体现在学生工程能力和创新能力培养的欠缺上。造成这一问题的原因有以下几方面，一是创新设计性实验比例较低，没有真正激发学生自主学习及创新设计的积极性；二是实验教学内容及设备与实际工程应用有一定的差距，缺乏有效培养学生工程应用能力的方法；三是实验教学方法、手段欠缺，学生实验大都只按规定的步骤机械地操作，对培养学生的动手能力和创新意识非常不利；四是实验课时不足，课程知识点多，很多实验由于学时问题不能开出。

结合这些问题，我们建成了基于网络的电机及其运动控制系统实验平台。在此平台上对电机及其运动控制系统课程的实验教学内容、方法、手段进行改革与研究，以提高实验教学效果，并激发学生的学习兴趣、培养学生的工程素质和创新精神，提高毕业生的专业竞争力。[3]

1　电机及其运动控制系统实验平台的组成

针对原有实验教学中存在的问题，我们对原有实验场地、设备重新组合调整，更新、增购实验设备，建设网络实验平台，最终建成了电机及其运动控制系统实验平台(如图1所示)。电机及其运动控制系统实验平台由电力电子及电机拖动实验室和网络实验平台组成。

图1　电机及其运动控制系统实验平台

1.1电力电子及电机拖动实验室

在电力电子及电机拖动实验室中，学生完成教学大纲要求的16学时电机及运动控制系统实验内容。

1.2网络实验平台

网络实验平台由实验室资源库、教学辅助实验平台、学生网络实验平台三部分组成。

1.2.1 实验室资源库

实验室资源库提供实验相关资源，包括：实验室概况、实验仪器设备图片及文字介绍，实验相关的课件及视频等。在学生进入实验室之前通过登陆资源库，了解实验相关仪器设备及内容，进行预习工作，以弥补实验课时不足。同时还包括部分日常生活中和工业实际生产中的典型运动控制系统案例，分析系统工作原理及其软硬件实现，将理论联系实际，提高了学生的学习兴趣，培养了学生的工程实践能力。

1.2.2教学辅助实验平台

教学辅助实验平台是教师在课堂教学中可以通过校园网操作实验室仪器设备，获得电机在不同控制算法运行的实时数据及曲线。通过实例分析和讲解，可以帮助学生更快更好的理解枯燥难懂的理论，提高教学效果。

1.2.3学生网络实验平台

学生网络实验平台可开设直流无刷电机、直流有刷电机、三相鼠笼机及正弦波永磁同步电机相关控制算法的网络实验。学生预约批准后，可通过校园网进行实验。此种方式可以弥补实验学时的不足，同时也可以满足部分学有余力的学生完成创新设计性实验。

2　实验教学改革研究

建成电机及运动控制系统实验平台后，我们针对过去实验教学中存在的问题，在实验内容设计、实验教学方法及手段、网络实验资源以及实验室开放等方面进行了改革与探索。经过一学期的实践，取得了初步的成效，大大提高了实验教学质量，提高了学生的学习兴趣，培养了学生的工程实践及创新能力。下面从4个方面介绍电机及其运动控制课程实验教学的改革与研究工作。

2.1调整实验内容 增加创新性实验比例

针对验证性实验、综合设计性实验、创新性实验比例的问题，通过对相关企业及其他高校的调查研究，我们对实验仪器设备进行了整合和更新。在原有实验仪器设备的基础上增加直流调速的计算机控制系统及基于DSP控制的交流变频调速系统的设备，以满足设计性实验教学要求。构建了“验证—综合—设计—创新”新的实验结构，使理论验证性实验、综合性实验和创新设计性实验的比例达到1:2:1，设计出紧密结合工程实际的、合理的实验项目。 针对学生基础、能力层次的不同，在实验设计与实践方面教师对学生提出不同的要求。对于具有一定研究、创新能力和探索精神的学生，可要求他们提出提高性设计方案或具有创新性设计方案，可与学生科技创新活动相结合。[4-6]

2.2加入工程应用环节 增加学生工程基础知识

针对实验教学与工程实际相脱节的问题，我们在16学时课内实验的最后，增加了1学时的实际应用系统的介绍内容。现在介绍的是数控机床电机控制系统，教师对系统的组成、功能、工作原理给学生做详尽的介绍，学生可以看到实际的控制板、电机，并能自己动手操作一下，了解系统的软硬件的构成，并就相关问题与教师直接交流。这一实验结束后，学生反响热烈，大大激发了学生深入学习的热情。

此外，我们在实验资源库中给学生提供了一些典型运动控制系统的案例，例如变频空调控制系统、轧钢过程中的张力控制系统等，分析系统工作原理及软硬件实现。学生在课下通过学习了解实际生产过程中的电机是如何控制的，控制系统是什么样子的，弥补了实验设备与工程实际相脱节的问题，也开阔了眼界，对学生实际工程应用能力的培养是有益的促进。

2.3改革实验教学方法 注重能力培养

传统的注入式教育方式，重知识灌输、轻能力培养，学生难以积极主动地参与教学活动，不利于培养学生的自主学习能力和创新能力[7]，不能满足CDIO教学模式的能力培养要求。针对实验教学方法的问题，我们首先改变了传统预习报告的方式。在实验之前，学生可以通过网络实验平台的资源库中相关的实验室概况及仪器设备介绍，实验相关的课件和实验预习要求进行预习，在学生进入实验室之前可以了解实验相关仪器设备及内容，根据要求进行预习工作。例如直流电动机的机械特性实验，我们的预习要求是根据实验要求设备设计测量电路，设计时要有启动电流保护，选择测量仪表量程等。在实验之前教师检查每一组的预习报告，通过后方可开始实验。改成这种预习方式以来，实验过程中再没出现过流烧坏电机的问题。由于过去学生长期适应被动式的实验方式，不会自主的发现问题与解决问题，通过预习问题的引导，学生查找资料、回顾所学的理论知识，完成这些问题，即使是验证性实验也起到了综合设计性实验的效果。通过这样的训练，引导学生积极思考，使学生的自主学习能力和知识的综合运用能力得到了提升。[8]

在实验过程中出现问题时，教师不会像以前一样直接解决问题，而是在先确保安全的前提下，引导学生根据故障现象分析故障原因，并通过所学理论知识解决问题。故障排除由学生完成，教师的作用是引导和把关。通过问题的解决，培养了学生分析问题和解决问题的能力，同时动手操作能力也得到提高。

实验结束后，学生实验报告的撰写，不能是简单的实验过程和结果的罗列，要求必须要对实验的现象和结果进行分析。实验报告批改时，不再要求学生的实验结果完全正确，如果结果错误但学生能够正确分析出错误原因，给出合理的解释，同样可以得到好成绩。在分析过程中，实验结果回归理论。通过实验结果的分析，再一次对理论知识进行确认，并对理论知识的理想情况与理论实际应用的差别原因进行分析，培养学生立足理论知识分析工程实际问题的能力。

2.4合理使用实验室资源 解决实验学时紧张问题

电机及其运动控制课程实验总计16学时，其中包括交、直流电机8学时及运动控制系统实验8学时。实验学时相对较少，有些实验不能开出。网络实验平台建成后，学生可以通过网络实验平台完成一些验证性的实验，可节约实验室学时，完成更多的实验内容。同时教师在讲课过程中可以通过校园网使用网络实验设备，得到控制系统实时数据。教师针对实时曲线进行分析讲解，学生对电机控制有直观的了解，增加感性认识，提高课堂教学效果 ，以弥补实验室实验学时的不足。

此外，电力电子及电机拖动实验室对学生开放，实验室全部资源都公开到网上，学生申请被批准后，可进入实验室重做课堂实验；也可提交创新性研究性实验方案，经过审核比准后，进行创新性研究性学习。例如，运动控制系统网络实验平台是基于DSP控制的，接口开放，学生可以在此平台上完成一些控制算法的开发。现在已有多名学生申请使用，并有1名学生已经发表了一篇高水平论文。实验室的开放为学生的创新性学习提供了良好的平台 ，有利于培养学生的创新能力和科研实践能力，很好地解决了实验学时少的问题。[9]

3　结束语

电机及其运动控制系统实验平台的建成及基于此平台的实验教学改革实践，改善了实验教学条件，提高了实验教学效果。解决了原有实验教学模式中存在的实验内容与工程实际脱节、没有充分重视学生的知识综合应用能力和创新意识的培养以及实验教学方法、手段单一的问题，注重了CDIO所要求的工程基础知识、自主学习能力、团队协作能力及工程系统能力四个层面的能力培养，为培养高素质的自动化专业工程应用型人才打下了良好的基础。[10]

[1] 康全礼，陆小华，熊光晶.CDIO大纲与工程创新型人才培养[J].高等教育研究学报，2008，31(4):15-18.

[2] 董冀媛.李晓理.董洁.CDIO模式下电力电子技术课程教学改革的思考[J].实验室研究与探索，2008，2(8):239-242.

[3] 顾佩华，沈民奋，李丹平.从CDIO到EIP-CDIO.汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究，2008(1):12-20.

[4] 冯梅琳，何学文，罗小燕.基于CDIO理念的测控专业实践教学创新体系[J].实验室研究与探索，2014，33(3):180-184.

[5] 艾红.自动化专业过程控制方向教学与实践探讨[J].实验室技术与管理，2014，31(6):219-222.

[6] 崔瑞雪，陈刚，毕亚军.基于CDIO的《电子技术课程设计》教学模式研究与实践[J].北华航天工业学院学报，2012，22(6):51-53.

[7] 张雪，李玮，李慧.我国高等工程教育人才培养[J].河北联合大学学报:社会科学版，2013，13(1):89-92.

[8] 宋永臣，杨明军，刘卫国.本科生专业实验教学研究探讨[J].实验室研究与探索，2014，33(2):161-165.

[9] 杨岳，罗意平，潘迪夫.基于研究性学习模式的层次化独立实验课程体系构建[J].实验技术与管理，2014，31(5):7-10.

[10] 孔繁镍，李燕，马伏花.自动化专业CDIO培养模式研究[J].课程教育研究，2014(2):232.

Teaching Exploration Base on the Experimental Platform ofMotor andmotion Control

Xu Yinmei， Wang Lijun， Lu Yifang
University of Science and Technology Beijing， Beijing， 100083， China

Briefly introduce CDIOmodel of teaching and the experimental platform ofmotor andmotion Control， analyzes the necessity of experimental teaching reform and shows the problems existed in the experimental teaching of “Motor andmotion Control”. This paper puts forward the countermeasures from the experimental design and teachingmethod reformation， and remote experiment. The new teachingmodel is formed.

CDIO； experimental teaching reform； remote experiment； Engineering ability

2015-01-22

徐银梅，硕士，工程师。

北京科技大学教育教学改革与研究项目-电机与运动控制综合实验平台建设(编号：JG2013M31)。