项目式教学推动下的电气控制类课程群教学改革

孙凤鸣 孙犇渊 黄超

摘 要：为顺应新工科建设中“新技术、新业态、新产业、新模式”的要求，同时满足飞行器动力工程本科专业学生毕业要求中的“针对复杂工程问题，能够发现、评估和选择完成工程任务所需的方法和技术，确定解决方案”的指标点，以课程群为教学研究对象，对学院电气控制类课程群进行优化重构。将“伺服电机驱动控制”这一项目按课程进行分解，在“单片机原理与应用”“电工学”和“自动控制原理”三门课程中实行项目分段式设计与实践，增强课程群知识点间的衔接，培养学生以系统性思维解决实际问题的能力。同时，通过技术博客等形式，补充项目设计过程中课堂外的知识，实现线上线下关联互通，拓宽学生知识视野。

关键词：复杂工程问题；项目式教学改革；课程群；新能源

中图分类号：G642  文献标识码：A

1 概述

为增强在新一轮产业升级和科技革命中的竞争力，中国教育界在2017年2月开始了新工科建设。新工科建设顺应国家创新驱动发展战略和“新技术、新业态、新模式、新产业”为代表的新经济发展趋势，对工程科技人才的培养提出了更高要求。

新工科建设中，强调研究“学科专业的新结构”，面向新经济发展需要、面向未来、面向世界，开展新兴工科专业的研究与探索，对传统工科专业进行更新升级等［1］。飞行器动力工程专业作为一门培养从事飞行器动力及其他能源动力装置设计、研究、生产运营和技术管理的复合型高级工程技术人才的专业，目前正面临着能源动力装置电气化的挑战。以全电飞机、多电飞机和新能源汽车为代表的电气化浪潮正迅猛发展。而该专业的电气控制类课程的课时相对有限，有必要以该类课程群为对象进行教学研究与探索，以提升授课效率和效果，适应传统工科专业更新升级的需求。

中国民航大学中欧航空工程师学院是中国民航大学与法国航空航天大学校集团合办的教育部备案的中外合作办学机构。学院致力于培养具有深厚数理基础、广博学科专业知识、跨文化交流与协作、系统思维、卓越工程素质与创新能力，从事航空工程领域的研发、制造与运行的国际化复合型高端人才［24］。对所设飞行器动力工程专业学生的毕业要求中有“针对复杂工程问题，能够发现、评估和选择完成工程任务所需的方法和技术，确定解决方案”的指标点。随着国家对本科教育重视程度的不断提高，国家科技创新需求对各层级技术与研究人员的下沉，解决复杂工程问题的能力越来越被重视，以往以课程为单元进行项目式教学模式已逐渐不能满足要求。从实际需求中选取实际项目加以简化，选择项目覆盖知识点相关的课程群为单元进行项目式教学，能够使学生以系统性思维分析较为复杂的问题。

2 课程群教学改革的研究现状

以课程群的形式统一组织教学内容和实践环节引起了众多高校教师的研究兴趣。谢启等人对自动化测试技术课程群进行了基于项目驱动的教学探索，以解决所属各门课程之间教学内容独立而缺乏系统整合的问题［5］。许德智等人对运动控制类课程群采用学科竞赛、科研项目开发、跨课程统一资源库建设等手段进行多维度教学模式的研究与实践［6］。以课程群为对象进行教学改革能够有效衔接同一课程群的各门课程间的知识点，有效提高学生的学习效率。

以项目的形式推进课程群教学改革可以培养学生以系统性思维解决复杂工程问题的能力。项目式教学作为一种提升学生学习兴趣、锻炼学生实践能力的教学模式已经得到广泛的应用，但是在相近课程间的项目案例式教学往往存在以下问题：

2.1 项目碎片化，课程间缺乏知识关联性

以中欧学院飞行器动力工程专业的课程为例，“单片机原理与应用”“电工学”和“自动控制原理”三门课程是电气控制课程群中三门相近课程，相互间有内容援引。但是，其中的项目案例往往独立设计，呈现碎片化，缺少关联性，难以实现培养解决复杂工程问题能力的目标。

2.2 缺乏市场调研，项目内容与社会实践脱节

在“单片机原理与应用”课程中，所采用的AVR单片机是基于寄存器的编程方式，现已逐渐被基于库函数和基于图形化的编程方式代替。尽管单片机原理类似，但更新其内容有助于提高学生将来的技术竞争力。在“电工学”课程中，通常围绕传统异步电机展开项目实践。异步电机虽然在当前社会仍占有相当的份额，但是在新能源应用中已处于劣势地位，逐渐被无刷直流电机和永磁同步电机代替。

2.3 项目案例培养目标等级单一，难以因材施教

由于学生基础知识掌握程度、新知识接受能力和兴趣爱好不一，应在项目案例中实行分级指导措施。针对低需求的学生以引导其掌握基本原理为主，而对高需求的学生应采取措施，提升其知识掌握与应用程度。

3 项目式教学推动的课程群建设

通过对中欧学院电气控制类课程群进行优化重构，利用“伺服电机驱动控制”这一项目进行仿真度较高的项目设计与实践。在“单片机原理与应用”“电工学”和“自动控制原理”三门课程中实行项目式教学改革和探索，并对整体项目分段式设计与实践，以适应课程群中不同课程的教学内容。通过不断优化课程之间的衔接，创新教学方法和手段，努力培养学生以系统性思维解决复杂工程问题的能力，同时顺应多电飞机、纯电飞机和电动汽车等新能源产业领域的技术需求。

中欧学院飞行器动力工程专业的电气控制类课程群与伺服电机驱动控制技术的基础技术契合度较高，如下表所示，便于以该技术为基础进行课程群的整体项目式教学探索。

3.1 构建以课程群为单元的项目式教学体系

在课程教学中引入案例项目是常见的教学手段，但各门课程所引案例往往差异较大，缺少必要的联系。在三门课程中进行同一个整体项目教学，根据课程内容进行项目分解和分段设计，在适应单门课程的同时，增强知识间关联度，使学生在学习过程体会到知识点的前后呼应，增加知识学习的成就感，激发学生的学习积极性。

首先，組织课程关联度较高的授课教师建设课程群教学团队。教学团队成员间需要进行及时沟通交流以加强课程知识点间的衔接。电气控制类课程群教学团队的三名授课教师属于同一教研室，并具备“伺服电机驱动控制”的项目背景，有一定能力开展课程群的项目式教学。

其次，为实现较高仿真度的项目，还需要与一线企业进行交流。课程组充分利用校企交流的机会，与合作单位（昂际航电、中航制动、蓝天航空科技和天津直升机有限责任公司等）的技术专家进行交流，对伺服电机驱动控制技术为基础的项目设计与实践进行了技术调研。

3.2 整体项目分段式设计与实践

该环节是项目式教学中最重要的部分，项目设计难度过于简单则很难与企业项目仿真度；项目设计过于艰难则会让学生耗费过多时间，并产生心理上的挫败感，应该在难度上充分调查以进行折中。本课程组通过对已完成课程群学习的高年级学生进行该类项目设计的测试，评估和调整项目难度。

3.2.1 企业项目设计流程的简单引入

针对学生对企业项目了解较少的问题，在课程群教学的初始阶段，以一个简单的项目设计为例介绍企业项目流程，如图1所示。以伺服电机驱动控制为例，以其在纯电飞机或电动汽车行业中的发展引出项目需求；以转速、响应时间、电源供电形式和控制器形式等简单参数为例介绍需求文档；以电路图、控制器代码和测试手段介绍概要设计和详细设计。最后将整个过程中涉及的这些技术点与课程群的知识点进行一一对应，使学生对项目有感性认识。

图1 项目设计流程示意图

3.2.2 整體项目的分段设计实现

经过教学研讨和技术调研，将伺服电机驱动控制整体项目按课程进行分解，如图2所示。

图2 整体项目分解示意图

“单片机原理及应用”课程项目对应硬件层的控制器设计。在讲解控制器时，不仅要讲明微控制器的发展历程，还要重点讲解其后续与电机控制相关的模块。该环节以完成具有AD采集、PWM输出和AD输出的控制器的程序设计为阶段性项目目标。

“电工学”课程对应驱动器电路设计和电机模型建立，其中的驱动器涉及课程的电力电子电路，而电机部分是课程的重点内容，本环节的项目设计以完成驱动器功率转换模块设计和电机选型为主。

“自动控制原理”对应负载模型、控制器算法仿真和闭环回路设计等。在课程中利用SIMULINK完成整体系统仿真，设计PID等控制算法。本环节最终完成项目设计，实现电机速度控制。经过项目分解，每门课程中的子项目相对简单，有利于将伺服电机驱动控制这一技术分段设计与实现。

3.3 线上线下混合式的因材施教策略

从专业要求来看，电气控制类课程并不是飞行器动力工程专业学生需要重点掌握的知识。然而，随着新能源产业的发展，作为动力装置的电机驱动愈显重要，也逐渐成为飞行器动力工程专业的学生必须了解的知识。不同学生有不同的职业规划，同时考虑到其知识接受难易程度，因此需要在项目式教学中对学生进行分级指导。

首先，满足大部分学生的毕业要求达成度。通过项目推动学生的自主学习和系统性思维能力，使学生对企业中较为完备的项目设计流程有基本的了解，并掌握该课程群对应的知识点。

其次，课程群也需要充分考虑学有余力且对该项目感兴趣的学生，不以项目设计作业或结课考试作为课程指导的终结，而是以技术博客或网络视频的形式对其进行进一步的指导，做到因材施教。技术博客作为一种线上的知识展现形式，已经成为课堂授课的重要补充方式。将项目设计流程、项目设计过程中需要的基础知识以技术博客的形式进行展示，能够对课堂授课与项目设计形成有效补充。

综上，本项目计划以课程群为对象，采用整体项目分段设计与实践的方式和线上线下混合式的因材施教策略，锻炼学生系统思维和解决复杂工程问题的能力，并顺应新工科建设中“新技术、新业态、新产业、新模式”要求。

结语

针对培养学生以系统性思维解决复杂工程问题能力的要求，电气控制类课程群以“伺服电机驱动控制”技术为中心，开展项目化、分段式教学与实践。通过对专业典型复杂工程案例的项目分解与综合，使每门课程都有与分解项目对应的知识点。以一个整体项目贯穿于课程群教学内容的始终，帮助学生将知识点串联，并培养解决复杂工程问题的能力。同时，通过线上技术博客的形式进一步拓宽部分学生的知识视野，助其在该技术项目领域进一步研究，做到因材施教。

参考文献：

［1］教育部高等教育司.教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知.2017.

［2］林洁.基于价值引领和素养提升的高等数学一流课程建设——以中法合作办学模式下“高等数学（6）”为例［J］.大学，2022，556（10）：3841.

［3］胡雪兰，张艳峰，杨新湦，等.面向工程能力培养的大学物理教学模式创新［J］.实验技术与管理，2020，37（06）：1014.

［4］陈亚军，杨新湦，苏志刚.基于中外合作办学的实践教学体系研究与应用［J］.实验技术与管理，2019，36（001）：203208.

［5］谢启，陈飞，徐伟，等.基于项目驱动的自动化测试技术课程群建设［J］.电气电子教学学报，2022，44（02）：8790.

［6］许德智，潘庭龙.运动控制类课程群多维度教学模式研究与实践［J］.科教导刊，2021（26）：110112.

基金项目：中国民航大学教育教学改革与研究项目“项目式教学推动下的电气控制类课程群教学改革”（项目编号：CAUC2022C2017）

作者简介：孙凤鸣（1983— ），男，汉族，山东人，工学博士，讲师，研究方向：电气控制类课程的教学与改革。