运动控制系统课程研究性教学方法的改革与探索

沈艳霞　纪志成

摘要 工程创新能力的培养是提升工程教育水平的重要手段。以运动控制系统课程为载体，分析该课程的特点，探索基于小班授课的创新人才培养的研究性教学模式，从课程的教学内容、教学组织形式及考核方式等方面进行了改革与实施，并取得了较好的教学效果。该模式对于激发学生的创新意识、提升学生的工程创新能力具有较好的推广价值。

关键词 工程创新 研究性教学 教学方法 运动控制系统

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.02.053

工程教育在我国高等教育中占有重要地位。我国工程教育的整体规模已经达到世界第一，工科专业点及工科在校生几乎都占到了总数的三分之一。①创新高校人才培养机制，提升工科人才培养质量，对高等教育质量整体提升将起到举足轻重的作用，也是党的十八届三中全会对高等教育改革发展提出的最直接、最明确的要求。教育部先后组织实施的“拔尖计划”、 “卓越计划”、科教结合协同育人行动计划、试点学院改革等措施，②在创新人才培养机制方面进行了积极探索。

然而这些计划的落脚点始终都离不开课程这个基本教育单元。在人才培养体系中，课程是完成教育任务，提升教育质量的最基本而又最重要的载体，③教育理念必须通过课程的规划、实施得以落实。因此，本文以自动化、电气工程及其自动化专业的核心专业课程——运动控制系统为例，探索并实施研究性教学方法，寓研于教，将先进的技术发展引入课堂，更新教学内容，改进教学组织形式，推进小班授课，开展多元化的教学方法，改革考核方式，切实推进教育创新，提高学生自主学习能力，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，从而激发其创新意识，促进学生知识、能力、素质全面协调发展。

1 运动控制系统课程介绍

运动控制系统是自动化和电气工程及其自动化专业的专业核心课程。它是以电动机作为被控对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制原理的指导下组成的自动控制系统，主要介绍运动控制系统的概念、结构及原理，系统的分析与设计方法、新型控制器的设计思路、系统性能仿真手段以及工业变频器的结构及控制原理等。

该课程综合学生先修的自动控制原理、电力电子技术、电机及其拖动基础、计算机控制系统等课程的知识与技能，直接面向工程应用，始终强调从提高系统性能的角度来分析、设计控制器，使学生从系统的角度培养学生综合应用知识进行系统分析与综合的能力，提高学生的工程创新能力。该课程综合了学生大学中所学的专业知识与方法，是大学学习与工业界的结合点，因此它具有综合性、系统性和工程性三大特点，可作为培养学生工程创新能力的典型载体。

2 课程改革措施

2.1 更新并拓展教学内容

为实现工程教育的目的，在教学内容上强调先进性、科学性和经典性相结合，除教学大纲中要求的直流调速、交流调速的基本原理、结构和方法外，注重结合教师的科研项目及企业界的最新需求，将反映本学科领域最新科技成果引入到课堂中。（1）在授课内容上增加提高运动控制系统系统性能的参数辨识技术、无速度传感器技术及多电机协同控制技术、基于dSPACE平台的半实物仿真技术等，以扩展学生的专业視野；（2）为满足学生在学习过程中的不同需求，增加文献检索的知识介绍，补充对在国际专业刊物上刊登的最新研究成果的介绍与分析等，为学生推荐国外相关原版教材，引导学生充分利用学校的数字图书馆、网络资源，体现了社会经济发展对人才培养提出的新要求。（3）注重专业英语的提高，课堂上大量补充英文专业术语，安排学生利用课后时间阅读发表在IEEE 的相关学术期刊上的论文，或者课堂布置课外学习内容，要求学生课余时间查阅并学习，如安排学生自学电力电子技术领域由美国著名学者K.M，Smedley提出的单周期控制英文原文，学习并仿真，然后开展课堂的讨论，在提高学生英文资料的查阅能力的同时，提高了学生的自主学习意识，更加培养了学生在解决问题时的团队合作意识。实际效果显示，学生对内容的把握与理解远远超出预期。

2.2 采用多样化的教学组织形式

依托学校的卓越课程建设，采用小班授课的方式，学生人数在30人左右，精炼课堂内容，突出重点，精讲多练，增加课外学习训练任务，为学生提供更多自主思考和探索的空间，学生课外训练时间与课堂学习时间比例为2：1。课堂讨论时间为课程总学时的30%，即21学时；加大课外辅导，课外辅导时数与课堂教学时数比例为1：1，课外辅导由研究生助教协助承担。课程的教学过程主要采用课堂授课、课堂讨论、仿真实验、实践教学及项目教学等组织形式。

（1）课堂授课：以理论讲授为主，围绕工程案例，将复杂的问题可视化、工程化，采用问题启发式教学方法，力求遵循学生认知规律，利用生活中的常识，启发学生，介绍所涉及的关键理论、技术，循序渐进，激发学生的探究兴趣，力求理论阐述通俗易懂，帮助学生理解和消化抽象的理论。比如授课时用骑车带人这一常见的生活现象，来比喻单闭环调速系统，没有带人则为空载运行，带人后则为负载突增，此为若要维持原来速度，必须增加力气（相当于增大电压），这样可把单闭环调速系统的工作原理、抗干扰特性通俗易懂的展现在学生面前，使得学生很快掌握并理解了闭环系统的相关原理及分析方法。

（2）讨论式教学：根据教学需要及内容安排，确定讨论主题，课程授课中共安排8个主题，有课内教学内容，如无静差调速、制动过程分析等，也有课外的自学任务，如模糊控制器的设计、基于OCC的BUCK控制、基于最小二乘法的参数辨识技术等。围绕这些主题，学生进行分组调研及课外学习。讨论课上，采用启发式、讨论式、互动式等教学方法，通过小组合作、同学互动、教师引导的形式，突出学生的主体地位，将讨论课堂交给学生，通过学生的PPT讲解、互动讨论、课堂提问等各种手段完成教学任务的讨论，充分调动了学生自主学习的积极性，激发了创新性的思维。

（3）仿真实验：采用仿真实验与实践实验相结合的方式，仿真实验利用专业仿真软件如MATLAB，布置学生根据课堂内容进行相关控制器或控制系统的设计并进行仿真，如双闭环调速系统的设计、双闭环模糊控制器的设计与系统仿真、市场各大品牌变频器主流的矢量控制和直接转矩控制系统的仿真等，并分析控制器参数对系统性能的影响及在不同扰动的作用下性能的变化，提出改进措施，大大提高了学生应用计算机手段分析和解决专业问题的能力，促使其对从事科学研究的方法的认识。

（4）实践教学：16学时的实验室实践教学将课堂知识、仿真分析付诸实践，采用验证型、设计型与综合型实验，对理论知识进行综合应用，在实际系统中将大学中学习的专业理论抽象的概念形象化、具体化，加深了学生对调速系统特性的直观了解和对理論的认识，在增加实践经验的同时，提升了学生在专业理论指导下综合设计工程系统的能力与水平，培养了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，从而激发其创新意识。

（5）项目式教学：在课程授课的同时，鼓励学生参与相关课题研究、课外科技活动等创新活动，培养和提高学生的动手能力与创新能力。在课程起始，布置课外实践项目的任务要求，学生根据课程内容自主选题，如学生所设计的项目有：具有自循迹功能的智能小车、智能窗帘的设计、简易机械手臂的控制、直流电机调速体统等共8个项目。学生利用课余时间，依托物联网工程学院的开放实验室及大学生创新基地，通过分工合作、小组讨论、项目开发，自主进行方案的构思、调研、开发与实施，学期末进行项目的答辩、演示与验收，体验科学研究的整个过程。充分调动了学生的积极性，营造了一个开放、协作、自主的学习氛围和批判性的学习环境，在综合运用知识的能力考核与创新能力的培养，以及从事科学研究的思路和精神的培养上都起到了积极有效的促进作用。

3 多元化的考核方式

对运动控制系统课程的考核，重在理论基础的掌握、学习参与的主动性、实验能力的体现和自主创新的思路与能力，并由此体现出的综合运用专业理论分析和解决问题的能力。因此课程采取灵活多样的课程考核方式，全面评价学生对知识的掌握程度和运用能力，考核内容主要包括课堂表现、课后作业、小组讨论、实验及操作、期末考试等环节。理论授课考核主要从学生出勤及课堂自律能力、按时按质独立完成课后作业的情况等方面开展，讨论课则强调课后调研的准备、课堂讨论的组织及主动交流；仿真及实验中考察学生实验预习、实验操作、实验结果以及学生在实验过程中展现出的创新能力；项目考核考察学生在接受项目后所设计方案的合理性，解决问题的方法的先进性以及从中所体现的学生的创新能力等；期末考试则重点考核学生对本课程基本理论、基本概念、基本方法和基本技术的学习理解和掌握情况等。采用学生互评，主讲教师和助教考评等方式，进行综合成绩评定，对学生全面考核，使得考核结果更加公平、合理、有效。

4 结语

为促进工科学生工程创新能力的培养，提高学生培养质量，满足社会发展需求，依托自动化、电气工程及其自动化两个专业的专业核心课程——运动控制系统，进行了研究性教学方法的改革与探索，通过创新教学模式、更新教学内容、改革教学方法、拓宽考核方式等措施的实施，在基本理论、分析解决问题能力、工程实践、创新意识等方面对学生进行全面的培养，取得了较好的教学效果。学生不仅较好地掌握了课程的基本内容，并且对该课程所涉及的专业学科有了更加深刻的了解，尤其是对工业领域与专业知识的结合上有了新的感知，并对进一步深造学习有了明确的方向。据初步统计，班上有60%以上的同学希望在相关学科包括控制科学与工程、电气工程及车辆工程等继续学习和深造。

基金项目：2013年江苏省高等教育教改立项研究课题（2013JSJG134）；2014年江南大学《运动控制系统》卓越课程建设项目资助

注释

① 朱高峰.中国工程教育的现状和展望[J].清华大学教育研究，2015.36（1）：13-20.

② 教育部高教司网站http：//www.moe.edu.cn/s78/A08/.

③ 林建.面向“卓越工程师”培养的课程体系和教学内容改革[J].高等工程教育研究，2011（5）：1-9.