运动控制系统课程教学改革探索

鲁敏 龚立娇 郭天圣 周伟绩

摘 要 运动控制系统是电气工程及其自动化专业核心课程，难度大，综合性强，实践性更强。针对运动控制系统课程教学，从改革理论教学、优化实践环节、面向实际工程培养等方面，实现课程群的建设与改善。

关键词 运动控制系统；核心课程；课程群；仿真实践教学；MATLAB；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）16-0093-03

1 引言

运动控制系统被广泛地应用在国民经济和社会生产的各个领域，运动控制系统课程电气自动化及其自动化专业的专业核心课程。现代运动控制技术以各类电动机为控制对象，以计算机和其他电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为理论基础，以计算机数字仿真和计算机辅助设计为研究和开发的工具。由此可见，课程涉及电路理论、电机学、电力电子技术、自动控制原理、计算机控制、控制系统仿真、DSP原理等知识，是一门多学科相互交叉的综合性学科。

运动控制系统分为直流部分、交流部分和伺服电机控制三部分，由于主要研究电机转速的控制，也有书籍称其为调速技术。该课程的综合性强，与实际应用联系紧密，对知识的融会贯通能力和实践动手能力都有很高的要求。在实际教学过程中发现，如果学生不能将前期分散学习的各科基础知识综合地应用到该专业主干课程的学习中，将给运动控制系统课程的学习带来很大困难，这也使得该课程成为自动化专业比较难教和难学的一门课程。因此，如何改革传统的教学方式，提高运动控制系统课程的教学质量，是一项很有意义的教学尝试。

2 改革理论教学

存在问题 目前，石河子大学机械电气工程学院电气工程及其自动化专业2017级之前的学生采用2014版人才培养方案，2017级学生采用2017版培养方案，这两版人才培养方案对于运动控制系统课程的定位和开课时间基本没有变化，说明目前人才培养方案对于运动控制系统课程的培养方式并没有做出大的改动。电气工程及其自动化专业教学大纲中设定的基础课和专业基础课程大多关注课程本身的知识重点、难点和深度，较少关注各门课程之间的关联关系，因此使得每门课程之间的知识点容易出现相互脱节的现象。

运动控制系统一般在三年级下学期或四年级上学期开设，此时学生的专业基础课和专业课已基本学完，然而在各门课程的知识理解和灵活运用上，相当一部分学生还有待提高，这就给学生学习该课程带来困难。随着课程进度的深入，一些学生会感觉跟不上课程的节奏，出现掉队的现象，教师不得不在运动控制系统课程的课堂上重新复习以上专业基础课程中的相关知识，在授课学时受限的情况下影响课程教学进度，很多与课程内容相关的前沿知识和扩展知识无法进行补充。课程内容经典但略显陈旧，没能完全调动起学生的内在主动性和学习积极性。因此需要对理论教学进行改革，课程群的概念应运而生。通过四届学生的教学实践，取得较好的效果，学生和教师反映也不错。

建立运动控制系统课程群 为了解决上述问题，可以按照基础课—专业基础课—专业课的理论课程立体体系建设。在学生开始学习基础课和专业基础课时，围绕运动控制系统课程的前期准备知识体系，建立运动控制系统课程群，群中涵盖基础课、专业基础课和基础课，包括高等数学、电路理论、电机学、电力电子技术、自动控制原理、计算机控制与仿真技术等相关课程，构建完整的运动控制系统课程教学体系，使学生在整个学习过程中能围绕一根主线，知识层层递进，内容逐渐加深，实践性逐步增强。特别是在进行前期教学过程中，应考虑后续课程的内容关联，可有意识地提前引入相关内容，使学生在整个学习过程中保持学习链完整、学习内容齐备。目前，石河子大学机电学院电气系已经在开展运动控制系统群建设，学生反映效果较好，能够将知识前后连贯，也可以对前面学习的课程理解得更加深入。

3 优化实践环节

仿真实践环节 运动控制系统课程实践性很强，但是也需要从理论知识开始，因此，设定教学顺序为理论教学→仿真实践教学→实验教学→案例研讨教学。其中，仿真实践环节和实验教学环节是衔接理论教学和案例研讨教学的桥梁。在仿真实践教学环节，MATLAB的应用大大提高了学习质量和对理论的理解程度，应加大课时分配。在整个课程教学过程中，包括直流部分、交流部分和伺服部分，均可采用MATLAB建立模型和运行仿真。学生通过仿真分析，可以直观地了解交直流电机和伺服电机的控制效果，特别是理论教学内容中关于电机控制部分，也可以将自己的控制算法写入程序，验证控制效果，是提高学生学习兴趣和教学质量的有力工具。

同时，可以将仿真教学直接引入课堂，而不仅仅是在实验室，在上课理论讲解的同时，通过仿真，演示电机的运行状态，直观地展示控制策略对被控对象的控制效果，学生接受度会提高很多。目前的教学改革方案中加大了课堂仿真分析和演示的课时分配，编写了课堂仿真实验教案，积极推行教学改革，提高教学水平。

实验教学环节 实验教学是仿真教学的有益补充，学生在仿真分析后，已经有了基本的理论理解和初步的实验设想，通过实际测量和操作实验装置，可以弥补仿真实验中对具象（如电机）的理解。通过实际测量相关实验数据，可以和仿真结果相对比，通过分析其中的异同，理解仿真和实验对于理论知识的不同作用。对于程度较好的学生，可以提前进入实验室，接触相关研究平台，提高学生的科研水平。实验按照验证性实验→综合性实验→创新性实验的顺序进行。学生从验证性实验开始，对理论学习和仿真的模型和算法进行验证，加深理解；然后可以将直流部分、交流部分的几个相关实验综合在一起，对直流调速、交流调速有一个整体的印象；在此基础上再开展创新性实验，根据教师提出的设计要求，选择器件，设计控制器，设置参数，最终完成一个完整的设计过程，整体水平有较大提高。

目前的实验台为挂件式，学生在设计实验时同时需要选出所需挂件，配合實验台上的通用模块（电源模块、测量模块等），完成一个完整的实验过程。

案例研讨教学 目前科技发展迅速，学生仅仅依靠课本上学习的知识已经不能跟上科技的发展、时代的发展，所以，文献阅读是本科学生需要掌握的一项新的技能。在以往的教学中，教学主体是教师，受体是学生，教师的水平决定了学生的水平。目前信息技术快速发展，使学生除了可以从教师处得到知识，也可以通过强大的互联网得到最新发展，这就需要教师引导学生去关注和阅读，并就和专业与课程相关的案例进行研讨。在研讨过程中，学生可以将已学过的知识和新知识融合，不断开阔视野，提高学习能力。

案例教学一般是由教师根据所学内容，结合目前技术的发展，给学生制定一个范围，让学生在此范围内查找相关实例，对实例进行相关技术的讨论，最终以小组答辩的形式给出成绩。在学生答辩时，不仅教师提问，其他学生也可以就相关内容提出疑问，增强互动性。案例教学在石河子大学电气工程及其自动化专业已经实施四届，效果逐渐体现：学生对于课程的兴趣提高，查阅文献和阅读文献的技能也不断增长，这反映在学生做毕业设计时对文献的查阅和快速反应上，对学生的帮助很大。

4 面向工程培养

运动控制系统是一门实践性非常强的课程，本质上是面向工程的，但是在实际教学中，由于教学要求和培养模式的限制，無法使课程直接面向工程实际，这对一门实践性强的课程来说，学习效果会大打折扣。因此，在运动控制系统课程教学中尝试面向工程实际，通过实际的工程项目，使学生对课程的应用性有更加深刻的认识。本项目目前在申请学校的教改课题，将复杂的工程问题嵌入课堂教学中，达到理论联系实际、实践促进理论的目的。

学校在开展此项工作时取得较好的效果，学生对于课程学习的兴趣增加，同时对于课本知识也由于实际的工程项目得到更新。学校还专门开展学生工程项目训练工作，让学生在教师的指导下，针对实际的工程问题，提出解决方案，并通过仿真和实验的方法验证，使学生的科研能力得到提升，并且可以完善后可以参加全国大学生创新创业竞赛。经过几年的实践，学生的学习兴趣得到提高，也有不少项目通过面向工程这种培养方式，使学生在继续科研和就业方面具有优势，收到良好效果。

5 结语

针对目前运动控制系统课程出现的教学手段和培养方式方面的问题，通过采用改革理论教学模式、优化实践教学、面向工程实际培养等方式，制定了从基础课到专业基础课再到专业核心课的课程群方案，加强课程之间的关联；通过加强MATLAB仿真实践与实验教学，提高学生的实践能力。通过面向工程实际的培养方式，使学生在理论学习的同时，对于工程实际有了初步的了解，提高了学生的学习兴趣，培养了学生的科学研究素养。此教学改革思路有助于解决运动控制系统课程难学和难教的问题，希望对于其他综合性和实践性较强的专业课程提高教学质量具有参考和借鉴价值。

参考文献

[1]吴晓新，顾菊平，吴晓.基于计算机辅助手段的运动控制系统教学改革研究[J].中国教育技术装备，2014（18）：109-111.

[2]陈卫东，韩兵，杨明，等.运动控制系统课程体系改进与创新[J].实验室研究与探索，2013（9）：157-159.

[3]许玉格，高红霞，罗飞，等.运动控制系统课程的研究性教学模式改革[J].时代教育，2017（7）：9-10.

[4]罗萍，吕霞付，李敏.虚实结合的运动控制系统课程教学探索与实践[J].课程教育研究，2015（16）：220.

[5]许玉格，高红霞，邓晓燕.基于立体体系的运动控制系统课程教学改革探讨[J].中国现代教育装备，2017（1）：42-44.