新工科背景下“DSP数字控制技术”课程四位一体教学模式探索

陈荣 康伟 赵仁德

摘    要：“DSP数字控制技术”是电气工程及其自动化专业的一门重要专业课，其课程内容多且分散、学时少，教学内容及方法难于把握和学生不重视等影响了教学效果与学生能力的提高。为了提高教学质量，提高学生的动手能力，培养 “新工科”人才，文章提出“课堂教学+编程实践+实验验证+工程训练”四位一体教学模式。教学实践表明，四位一体教学模式可以有效改善教学质量，提升学生应用所学知识解决实际问题的能力，进而提高学生的专业素养。

关键词：新工科;教学模式;DSP数字控制技术

中图分类号：G642.0          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2019）09-0038-03

近年来，国内工科院校的教学改革工作如火如荼，特别是“教育部关于中央部门所属高校深化教育教学改革的指导意见”的提出，明确到2020年，中央部门所属高校人才培养中心地位和本科教学基础地位得到进一步巩固和加强，学科专业结构和人才培养类型结构更加适应国家和区域经济社会发展需要，以支撑新工科背景下，创新驱动发展战略和服务经济社会发展导向[1-3]，使得各工科院校不断推进教学改革，有效提高了人才培养质量，但也存在部分专业课程教学理念相对滞后，课程内容陈旧，教学方法单一，实践教学比较薄弱的问题[4-5]。

数字信号处理器（Digital signal processor，简称DSP），与之相关的“DSP数字控制技术”是中国石油大学（华东）电气工程及其自动化专业的一门重要专业课，是“电力电子技术”“电机学”和“电力拖动自动控制系统”等课程的后续课程，又是“风力发电技术”“太阳能发电技术”“微电网技术”和“柔性输变电技术”等课程的先修课程。“DSP数字控制技术”的课程特点使得原有的“教师传授模式”，以教材、教师和教室为中心，教师在教室讲教材，学生在实验室做实验，已不能满足新工科背景下，课程学时减少，重学生能力培养的要求[6-9];必须转变已有“课堂教学+实验验证”的传统教学模式，引入“课堂教学+编程实践+实验验证+工程训练”四位一体教学模式[10]，既有助于学生更好地掌握“DSP数字控制技术”基础知识，“带着问题学”又有利于学生将所学知识融会贯通，真正实现由“教会、会学”向“想学、享学”的转变。

一、“DSP数字控制技术”教学现状

相较于电气工程及其自动化专业的其他专业课程，“DSP数字控制技术”有其独特特点，比如内容多且松散、内容扩展性强和强调应用等，使得课程教学过程中会遇到诸多问题，解决不好将影响课程教学效果和学生能力的提升。

（一）课程内容多且分散，学时少

该课程包含DSP和数字控制两部分内容，特别是DSP部分，主要包含以下内容：DSP的基本工作原理、系统时钟及定时器、统一寻址的数据/程序存储器、集成化开发环境、输入/输出端口、中断系统、A/D变换器、PWM单元、正交编码模块和其他外扩接口等，其中A/D变换器、PWM单元和正交编码模块在电气工程领域应用十分广泛，需要作为重点内容进行讲授;作为基础的工作原理、系统时钟及定时器、统一寻址的数据/程序存储器、输入/输出端口和中断系统等也需要进行讲解。基于DSP的数字控制系统实现，尤其是系统控制算法的应用，需要结合具体电气工程领域应用进行阐述。对电气工程及其自动化专业的学生而言，该课程内容多且分散、学习内容难记;对讲授该课程的教师而言，教学学时少且学生水平参差不齐，很难合理安排教学内容，重基础轻应用，对电气工程领域应用内容很少涉及，不利于学生所学知识的融会贯通。

（二）教师对课程内容与教学方法的把握不到位

课程教学内容多，学生的学习基础不一样，同时教学学时少，教学内容与规划必须合理，这样对教师提出了更高要求。整个课程体系，既要涉及先修课程的教学内容，比如“C语言”“微机原理”“电力电子技术”和“自动控制原理”等，又要涉及DSP的知识和数字控制内容，还要求学生将所学知识融会贯通，这些都要求教师能很好地把握教学内容及进度并设计合理可行的课程设计任务。一旦教师对先修课程讲授内容掌握得不够好，对课程教学内容安排及教学要求把握不到位，未能将本课程内容与前后课程内容融会贯通，不能将所学知识与专业应用有机结合，都将影响课程教学质量和学生学习效果。

（三）学生不够重视

1.近几年电气工程及其自动化专业毕业生就业压力较小，尤其是中国石油大学的电气工程及其自动化专业毕业生，三分之一以上去了电业公司，同时其他行业对电气工程及其自动化专业毕业生的需求也较大，只要能毕业就能找到不错的工作，直接导致学生的学习积极性变差，上课睡觉、玩手机的现象时有发生，缺乏学习的动力。

2.部分课程的教学内容老化、各课程教学内容条块分割，使得学生只知“所以然”，不知“如何用”，丧失了学习的动机。学习动力的欠缺和学习动机的丧失，更是直接影响了学生对课程知识的掌握水平。

二、“课堂教学+编程实践+实验验证+工程训练”四位一体教学模式的构建

针对“DSP数字控制技术”课程内容多且分散、教学课时较少、教学内容难于把握和学生重视度不够的现状，在教学过程中，教师必须把握教学大纲要求、理解教学目的，改变传统的“教学内容老化、条块分割”教学模式，结合学生情况和课程教学要求，优化教学内容，设计适合“教中学、实践中学”的新教学方法，有的放矢，充分利用现有的教学学时，有效提高学生对该课程内容的掌握水平，提升电气工程及其自動化专业学生理论联系实际、解决实际问题的能力，推动学生由被动学习向主动学习的转变。基于上述考虑，本文提出“课堂教学+编程实践+实验验证+工程训练”四位一体教学模式。

（一）任务驱动的模块化内容教学

1.考虑到“DSP数字控制技术”课程课堂教学内容多且分散，易忘不易记，不利于学生对其掌握的实际，结合DSP功能模块化、编程寄存器化的特点，发挥功能模块寄存器操作便于标准化的优势，讲授DSP功能时，重点讲授其中一种或几种功能的实现过程，由点及面，快速扩展，真正实现教学内容的模块化。

2.结合电气技术及其自动化专业的三个培养方向

（电力拖动、电力系统和新能源）的需求，选择四个典型的项目作为设计目标，由学生自主选择完成其中的一个，分别是电流控制单相并网逆变器设计、电压空间矢量控制三相逆变器程序设计、三相电网多功能（电压、电流、功率等）参数测量仪设计和矢量控制高性能三相逆变器设计等，每个项目又可分解为若干小任务，课堂教学过程中穿插进行讲解，再配合课下小组讨论完善设计内容。在教学实施过程中，需实验室提供基础硬件，学生自行设计外围电路，以提高学生的设计能力。

（二）重基础和应用的编程实践

任务驱动的模块化内容教学部分，前文提出了四个典型项目，通过对项目设计任务的分析可知，涉及输入输出、系统时钟、中断控制、A/D变换、PWM变换、正交编码等功能，故将上述内容作为教学的核心内容并设计相应的实验内容，要求学生编写相应的程序并设计验证用硬件电路。在课堂讲授、编程实践和设计验证用硬件电路过程中，学生可深入理解DSP的程序设计思路、外围电路设计方法和实验过程，进而提高学生理解知识、掌握知识和应用知识解决实际问题的能力。

（三）基于专业需求的实验验证

结合电气工程及其自动化专业背景，前文提出的四个典型设计项目，从新能源[11]、电力拖动[12]和电力系统的应用角度，规划设计内容，并提出设计要求。编程实践部分主要完成基本功能，如输入输出、简单A/D变换、单一PWM变换和频率测量等，并未将相关内容与电气行业应用有机结合，因而有必要将所学知识与电气行业应用结合起来。实验验证部分，需将编程实践部分的内容进行组合，功能重新设计。以电压空间矢量控制三相逆变器程序设计为例，主要包含逆变器启停控制、逆变器输出控制、逆变器保护和逆变器人机接口等功能模块，其中逆变器输出控制又分为输出频率控制和PWM调制输出两部分，上述功能的实现，需要实时监测输入端口和控制输出端口状态，实时测量逆变器输入、输出端电压和电流，均是编程实践部分功能的深入应用，在学时有限的情况下，需要学生选择实现部分功能。

（四）新工科背景下的工程实践

科技发展日新月异，新技术、新产业、新业态和新模式对电气工程及其自动化专业人才的培养提出了更高要求，需要教师根据需要，对教学过程进行实时调整，以满足“新工科”人才培养的需要。结合前文提出的四个设计目标，紧扣行业应用设计实践环节，引导学生从硬件和软件两个角度，设计实现方案，优化设计方案，鼓励学生借助软件仿真、自行搭建控制电路或利用实验室已有实验平台验证设计方案的可行性，在“课堂教学+编程实践+实验验证”的基础上，完成应用背景下的工程训练，使得学生可以从专业背景的角度审视所学知识，学会用所学知识解决实际问题，进而提高自身专业素养。

三、新能源综合实践环节

在前文提出的四个典型设计任务之一的“电流控制单相并网逆变器” 基础上，“DSP数字控制技术”课程组教师，结合新能源发展趋势，补充实验内容，将其升格为必修环节，即新能源综合实践环节。与原有的实验内容相比，（1）调整了DSP型号，将课程中讲授的TMS320F28335调整为TMS320F28377S，选择同系列的更新型号，以强化训练学生学习新知识的能力;（2）从太阳能光伏并网发电的角度，利用实验室现有条件，引导学生模拟太阳能发电场景，提高学生解决问题的能力，培养解决问题的“工程思维”。光伏并网发电模拟装置结构框图如图1所示，主要由光伏电池模拟环节、并网逆变器（DC/AC）、并网模拟环节和控制环节等四部分组成。（1）光伏电池模拟环节，通过实时采集可编程直流电源的输出电压和电流，编写程序实时控制可编程直流电源输出，从而模拟太阳能电池阵列的输出特性[13];（2）并网模拟环节，主要模拟电网变换，利用LC滤波环节，滤除并网逆变器（DC/AC）输出的高频干扰，确保流过负载电流按照电网规律变化，并可根据负载变化进行控制;（3）控制环节以TMS320F28377S为控制核心，主要实现并网逆变器（DC/AC）输入电压、电流采集，电网电压采集和负载电流、电压采集，控制负载电流按照预期规律变化。

借助新能源综合实践环节，既可以提高学生对“DSP数字控制技术”课程相关知识的掌握水平，又可以将所学知识，如电压、电流闭环控制和光伏发电最大功率跟踪控制等相结合，实现所学知识的融会贯通;DSP数字控制技术的应用，承上启下，从专业角度“带着问题学”，实现由“教会、会学”向“想学、享学”的转变，有利于学生专业素养的进一步提高。

“课堂教学+编程实践+实验验证+工程训练” 四位一体教学模式，是电气工程及其自动化专业课程教学的一种尝试，是在既有教学模式基础上，结合当前发展趋势，在学习目的、动机和方法方面的一种探索，其核心是从单纯理论教学到项目驱动式教学的转变，实现“被动学”到“主动学”的范式转变。电气工程及其自动化专业学生还处在打基础阶段，所以“课堂教学+编程实践”可有效夯实基础，而“实验验证+工程训练”又可以完成专业技能训练，克服理论教学脱离实践的不足，在理论、实践再理论、实践的过程中，不断提升学生的专业素养。

参考文献：

[1]“新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究，2017，（1）.

[2]“新工科”建设行动路线：“天大行动”[J].高等工程教育    研究，2017，（2）.

[3]新工科建设指南：“北京指南”[J].高等工程教育研究，    2017，（4）.

[4]吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科 主动    适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017，（1）.

[5]朱君，宋树祥，秦柳丽，等.“新工科”创新理念的电子信息类    专业基础实践教学改革[J].实验技术与管理，2017，（11）.

[6]崔江，姚睿.DSP教学中科研成果转化为教学内容的一些    探索[J].电气电子教学学报，2018，（1）.

[7]肖永江，张兴娇，马文科，等.DSP技术课程教学要点及    教学方法探讨[J].实验技术与管理，2017，（4）.

[8]曹洪龙，胡剑凌，俞一彪，等.利用微课翻转课堂优化DSP    实验教学探索[J].西南师范大学学报：自然科学版，2015，    （10）.

[9]洪波，王秀敏，徐明彪，等.基于创新理念的DSP课程实验教学研究[J].实验室研究与探索，2014，（10）.

[10]戴亚虹，李宏，邬杨波，等.新工科背景下      “学践研创”四位一体实践教学体系改      革[J].实验技术与管理，2017，（12）.

[11]焦静静，康明才，张兰红.基于DSP的      1kW光伏并网逆变器设计[J].实验室      研究与探索，2017，（2）.

[12]钱堃，房芳.面向运动控制的DSP技术及      课程设计教学[J].电气电子教学学报，      2013，（2）.

[13]趙仁德，郭宝玲，何金奎，等.实验室用      大功率太阳能电池阵列模拟[J].电气      电子教学学报，2015，（4）.