基于任务驱动法的电气自动化技术专业教学——以“伺服电机”课程为例

沙 鸥，宋啸天

(1. 镇江高等专科学校 丹阳师范学院，江苏 丹阳 212300； 2. 镇江市审计局 社会保障审计处，江苏 镇江 212003)

“伺服电机”是电气自动化技术专业的重要专业课程。通过学习，学生能够掌握感应电机、永磁同步电机等类型电机伺服控制系统的工作原理和控制策略，为今后从事电机装配工、调试工等电气自动化技术专业工作奠定理论基础。但“伺服电机”综合了电机学、电磁学、自动控制原理(Principle of Automatic Control，PAC)、电力电子技术(Power Electronical Technology，PET)、数字电子技术、模拟电子技术等专业基础知识，学习难度较大[1]。专科学生理论基础较薄弱，缺少独立分析能力[2]，若仅仅靠教师“一对多”模式授课，则无法针对每个学生的实际学习状况有效开展课程教学，学生遇到难点、疑点时，就会难以理解，从而产生厌学情绪。为打破这种局面，有必要变革授课模式，探索和创新教学内容、教学方法等[3]。

1 任务驱动教学法

任务驱动教学法，是教师依据教学进度和学生已掌握知识的程度，针对教学内容整体设计涵盖目标知识点的综合性任务，学生分组完成任务，在真实的问题情境下运用旧知识探索新知识，巩固和加深所学知识的过程[4]。

如将任务驱动法运用于PLC课程教学，根据真实的生产过程确定具体任务，详细讲解主电路、控制回路输入端子、梯形图等关键知识点，带领学生围绕任务做可行性分析，引导学生优化程序，通过自主探究完成任务，完整地学习PLC控制电机正反停转的全过程[5]。采用任务驱动教学法，保持了知识点的系统性和整体性，学生不仅了解PLC编程方法、主电路工作原理等关键知识点，而且理解各知识点间的关系，启发独立思考，培养自学能力。任务是从实际生产过程中提炼出来的，具有很强的实践性。如修改梯形图中的1个元件，主电路的工作方式就会发生变化，学生通过应对这种变化可以提高实践操作能力，就业后能够迅速适应生产企业的需要，提高就业竞争力。

“伺服电机”课程教学中，设计一系列电机组装、调试等任务，让学生在完成任务中发现各类功率开关器件和传感器的特性，学会根据不同的电机特性、应用场合选择不同的控制策略，进而深入理解各类电机伺服控制系统的结构和工作原理，牢固掌握伺服电机知识。

2 高职课程运用任务驱动教学法的必要性

2.1 贴合普专学情特点

相对于本科学生，专科学生专业理论功底较薄弱，很难消化吸收抽象的理论和概念，“满堂灌式”课堂教学中，难以跟随教师的授课节奏快速学习理论知识。长此以往，学生只能靠死记硬背应付考试，不能真正理解“伺服电机”理论知识，无法融会贯通，更不能举一反三，培养创新思维，容易出现怕学、厌学情绪。任务驱动教学法以任务为导向，将目标知识融入具体任务，学生在完成任务中通过实际操作全面了解理论知识，激发兴趣，培养创新能力和动手能力，掌握电机结构和工作原理知识。

2.2 满足就业市场需求

普专学生毕业后多从事操作技能类岗位工作，如电机装配工、调试工、维修工等。这类岗位对实践能力和动手能力要求较高。因此，专科学校在教学过程中应以就业市场需求为切入点，注重学生实践操作技能的培养。采用任务驱动教学法，以完成实际操作任务为主线，学生在实际操作中学习理论知识、培养动手能力，可以满足就业市场的要求。

2.3 培养学生自学能力

教师课前布置教学任务，学生自学书本知识的同时，通过网络、图书馆等学习解决问题的方法，进而整合消化所学知识，完成相关任务，真正实现自主学习[6]。这个过程有助于培养学生自学能力，提升综合素质。

3 任务驱动教学法在“伺服电机”中的应用

以2018—2019学年“伺服电机”课程为例，采用任务驱动教学法，共计48课时，授课对象为2017级电气自动化技术专业学生。该专业学生动手实践能力较强，但理论推导能力较弱。根据任务驱动教学法的设计要求，分别设计了4项主线任务，如表1所示。

表1 “伺服电机”任务列表

3.1 课前任务预设与预习

任务驱动教学法要求教师在课前做好任务预设，打破书本章节的信息壁垒，选择与实际生产生活相适应的任务。该任务能够串联各章节的相关知识点，让学生在学习各组成单元原理的同时对伺服系统有总体性、宏观性的把握。以第1项任务物料计量螺杆装置设计为例，物料计量螺杆实际是由步进电机带动的，电机转速直接关系物料计量的准确度，因此可以设计以步进电机为核心的伺服系统。完整的伺服电机系统包括交流伺服电机、传感器、控制器、功率变换电路等，如图1所示[7]3-4。

图1 交流伺服系统框图

由于电机带动螺杆旋转的圈数直接影响下料量，即影响计量精度，因此，学生在设计伺服系统时必须提高系统的鲁棒性、改善系统的响应特性，主要考虑3个要素：功率开关器件、控制策略、传感器，即选用何种功率开关器件组成系统的功率变换电路，采取何种控制策略，选用何种传感器。学生利用图书馆、互联网等进行课前预习，初步了解各类功率开关器件特性、常用控制策略和传感器。

3.2 推进任务实施

授课的第1环节为知识系统构建，共2课时。首先，教师阐述GTR，MOSFET，IGBT开关器件的动静态特性，比较三者的容量和开关频率，引导学生选用容量大、开关频率高的IGBT作为功率开关器件。其次，教师介绍各类速度位置传感器和电流传感器的工作特性，学生根据实际应用场景，开展小组讨论，选择响应速度快、温度漂移低的混合式光电编码器作为速度位置传感器，采用体积小、抗干扰能强的霍尔电流传感器检测电流。

授课的第2环节为模拟仿真验证，共4课时。教师讲解2自由度PID控制策略，并画出系统的控制框图，学生根据框图求出闭环传递函数，利用矩阵实验室(Matrix Laboratory，MATBLE)进行转矩、转速、电流波形仿真，通过调节2自由度参数α，β和TI，TD，KP参数获得较理想的仿真波形。通过小组讨论和经验交流，引导学生认识到2自由度参数α，β影响目标跟踪特性，比例积分微分参数影响系统抗干扰特性。

授课的第3环节为实验动手操作，共4课时。教师带领学生设计以步进电机为核心的伺服控制系统，将经过仿真验证的控制参数输入控制器，通过实验验证系统的响应速度、抗干扰特性和鲁棒性。完成目标任务过程中，始终坚持以学生为主体、教师为主导的原则，给学生充足的交流讨论时间，充分发挥学生的主观能动性，提高其自主学习能力和动手实践能力。

3.3 做好任务总结评价

任务完成后及时总结评价，共2课时。学生阐述伺服系统的基本组成，如功率变换单元和测量单元选用了何种元器件，采用何种控制方法，系统设计过程是怎样的，是否还有更好的设计思路。

比如有学生提出疑问：“普通PID控制策略就可以实现步进电机的稳定控制，为何采用运算复杂的2自由度PID控制策略？”教师可以引导学生讨论评价并修改控制参数，设置α，β为0，观察系统的输出转矩波形，让学生认识到引入2自由度控制可以增强系统的目标跟踪特性，提高物料计量的精确性。

此外，教师还可以对任务场景的具体参数做一些合理范围内的变动，以提高学生在操作过程中的应急应变能力。如预设物料计量螺杆装置的工作环境高温高湿、粉尘较大，学生在选用传感器时应尽可能选用磁性传感器，提高测量系统的精确性。

任务的总结评价是双向的。当1项任务完成后，教师应及时总结本次任务驱动教学中的不足之处并进行修正。

任务驱动教学法是一种开放式的教学方法，教师应该及时反思教学过程中出现的问题，根据学生的特点进行针对性指导，确保课程进度按计划进行，激发学生的兴趣等。

4 结束语

以电气自动化技术专业“伺服电机”课程为例，采用任务驱动教学法，以实践任务为主线，将教学内容巧妙地穿插在任务中，有利于学生将理论知识转化为实践技能，提高创新能力和动手能力，毕业后快速成为企业生产一线的合格员工。