基于复杂工程问题的“运动控制系统”课程教学改革与实践

摘"要：培养学生解决复杂工程问题能力是工程教育中的一个重要方面。“运动控制系统”作为自动化专业一门最贴近工程实际和实践的专业课程，非常具有解决复杂工程问题的代表性。本论文以“运动控制系统”课程为例，通过分析知识点之间的前后联系，设计合理的课程导入和教学方式，激发学生的学习兴趣；利用测验、作业和实验环节的递进式安排，做到知识的有效纵向深入；通过视频讲解和软硬件操作相结合，提升学生实验学习效果；结合应用实际和无人艇仿真实验平台，切实提高学生综合应用专业知识解决复杂工程问题的能力；紧贴课程实际挖掘思政要点，实现育德和修技双轨并行。

关键词：运动控制系统；复杂工程问题；教学设计；课程评价；思政引入

一、"概述

工程教育专业认证制度作为工程教育质量保障的重要机制和核心手段，在教育教学理念、培养模式、培养目标确定、课程体系建设、教与学方法研究、教师团队建设以及质量持续改进等方面发挥了重要的引领和指导作用，有效地提高了我国工程教育质量［1］。在工程教育认证12条毕业要求中，复杂工程问题贯穿始终，如何培养学生具有解决复杂工程问题能力是工程教育中的一个重要方面［24］。因此，在课程的教学中，应该积极探索恰当的教学方法和考核评价方式，切实提高学生解决复杂工程问题的能力。

“运动控制系统”是一门最贴近工程实际和实践的课程，广泛应用于机械制造、交通运输、国防航天等领域［5］。随着云计算、工业互联网、人工智能等新技术的发展，运动控制系统在智能化、柔性化、控制精度等各方面都得到了显著提升。运动控制系统对于数控机床、机器人及各类高端装备运行至关重要，运动系统的智能化控制是装备领域和制造行业的核心技术，决定了装备的精度和效率。运动控制技术发展程度的高低直接决定了我国工业自动化水平，是实现智能制造的前提和基础［6］。

“运动控制系统”作为自动化专业非常重要的一门专业课，集电机学、电力电子、控制理论等多门学科相互交叉于一体，很多学校将其作为自动化专业的专业核心课。由于需要有许多前序课程的支撑，因此主要开设在大三下学期或者大四上学期。“运动控制系统”主讲电机调速问题，包括直流调速和交流调速两部分。该课程要求学生能够综合利用所学理论知识（包括自控原理、电机学、信号处理、计算机控制技术等），并全面考量多种技术性指标（包括超调量、调节时间、稳态误差等）和非技术指标（包括安全性、设计方法的通用性等），解决电机调速的复杂工程实践问题。因此，该课程的设置能够为学生将来解决复杂工程实际问题储备一定的专业能力与技能，同时为毕业要求多个指标点提供强有力的支撑作用。

工程教育认证以学生为中心，产出为导向，简单的灌输式教学已无法满足工程认证对学生能力的培养要求，尊重学生主体地位是当前工程教育改革的核心［7］。“运动控制系统”作为一门将理论应用到实践的课程，目前在教学模式、评价方式等方面仍存在一些问题。

（1）“运动控制系统”课程主要设置在大三下学期或者大四上学期，这时许多同学面临就业和考研压力，如何调动学生的积极性，增加教学的趣味性，是教学中值得思考的重要问题。

（2）“运动控制系统”课程知识前后联系紧密、逻辑性强，任何一个知识点的短板，都将影响整体的学习效果，如何做好教学设计，使得知识点导入方式合理，前后知识点之间衔接流畅，是教学中值得思考的重要问题。

（3）如何设计作业和实验，避免出现作业和实验“两层皮”的问题，使其能够支撑学生对课堂知识的深刻理解，是值得进一步思考的问题。

（4）“运动控制系统”课程除了教会学生知识，更应注重完成育人的目标，但是生硬的思政导入，不仅达不到能力培养与价值引领的和谐统一，反而会带来适得其反的教学效果。如何将思政元素以润物无声的形态消化于课堂上，是又一个值得思考的重要问题。

针对目前“运动控制系统”课程存在的几个问题，本文分别从教学设计、课程评价、思政引入等三个方面进行阐述，以期提高课堂教学效果，使学生综合应用专业知识解决复杂工程问题的能力得到有效提高。

二、教学设计

所谓兴趣是最好的教师，一个好的教学设计是成功的一半。在学习“运动控制系统”课程之前，势必要让学生了解什么是运动控制系统，运动控制系统主要解决什么问题以及其重要性。教材中第一节《绪论》部分主要介绍了与电机调速有关的器件以及技术的发展历史与过程，但这并不能让学生充分了解电机调速在实际工业系统中的主要作用。因此，本课程在绪论部分的设置除了知识点讲解以外，还配置了以机械臂为例的视频观看和线下操作体验部分。机械臂由六个关节组成，每个关节的电机驱动、机器臂运行的精准以及效率都与电机控制性能的好坏息息相关，是一个典型的运动控制系统应用案例。视听感受和际操体验二者有机融合，可以大大提高学生的学习兴趣，使得学生从多种感官对运动控制系统的应用性有所了解。在经过一个学期的系统学习后，在课程即将结束之际，会以大作业形式，让学生以小组方式独立查阅运动控制系统在工业或民用等领域的应用案例，并通过翻转课堂形式，让学生进行PPT讲解和介绍，最后教师进行点评。这样从开课前教师机械臂应用导入，激发学习兴趣到课程结束时，学生可以通过自己的理解独自讲述运动控制系统的应用案例，独当一面。整个过程实现了教师与学生的身份转变，从教师教到教师听。由应用案例导入，到以应用案例结束，前后呼应，整个过程充分锻炼了学生的团队协作能力和口头表达能力，并且让学生加深了对运动控制系统的理解。不仅知识得到了传递，同时学生收集到的各种应用案例，也可以作为以后的教学案例，丰富教学资料库。

“运动控制系统”课程分为直流调速和交流调速两部分，直流调速是交流调速的基础，由于课时有限，一般以直流调速为主讲，交流调速作为拓展。以直流电机调速教学部分为例，如图1所示，先应该让学生知道电机怎么调速，因此需要带领学生回顾电机学的知识，并从工程实际角度出发，通过对比不同的调速方式，找到最佳的调速方式——调压调速。明确调速方式以后，就要知道如何获得电压可调的直流供电电源，因此引出晶闸管整流和PWM变换，即电力电子技术课程的知识。实现了电机的调速，就要对电机的调速性能进行分析，判断是否满足工程实际的需要。通过分析会发现电机调速系统的机械特性软，负载扰动变化对转速影响比较大，因此需要进一步引入转速调节器，实现单闭环控制，进而引入自控原理课程相关知识。稳速性能解决了，但是在启动和堵转过程中，容易引起过流，出于安全考虑，引入电流截止负反馈。考虑生产效率，电机必须具有良好的动态性能，于是又进一步引入双闭环控制……随着问题的启发式引入，整个课程像纽带一样将自动化许多课程知识串联起来，除了运动控制系统知识外，也让学生理解了其他专业课程知识的重要性。在知识贯穿的过程中，逐渐让学生形成一个系统的观念，理解前序课程之间的联系，使学生在综合运用所学知识解决本专业方向的实际问题方面得到系统性的训练。

“运动控制系统”课程结构图

整个直流调速部分围绕“开环—单闭环—电流截至负反馈—双闭环”这样一个主线展开的，在章节设置上也是环环相扣，层层递进。每一章都在解决电机调速的一个新问题，随着问题的不断深入，电机调速性能也不断得到提升。整个课程完成了从建模、性能分析、调节器设计、仿真实验以及改进修正这样一个闭环过程，形成了一个复杂工程问题从发现、分析、解决到持续改进这样一个闭环的整套流程。因此在教学设计中，可以采用启发式、案例式、讨论式及翻转课堂相结合的教学方式，引导学生不断发现问题、分析问题和解决问题，由浅入深、层层深入，激发学生的学习兴趣，使学生解决复杂工程问题能力得到有效提升。

运动控制系统课程实验主要分为三部分：单闭环直流电动机的静特性研究、双闭环直流电动机调速系统实验和双闭环三项异步电动机调压调速系统实验。前两个实验采用软件仿真，旨在夯实学生的理论知识、验证控制算法的有效性、掌握比例积分的调节方法。最后一个实验采用电机电力电子及电气传动教学实验平台进行操作，旨在让学生了解三项异步电动机的工作原理，进一步理解双闭环在控制交流电机调速中的作用。软件仿真和硬件实验操作相结合，不仅锻炼了学生的编程能力，同时锻炼学生硬件调试能力，对培养学生的实践能力具有重要作用。

软件仿真简单易于实现，非常适用于控制器设计效果的分析和对比，学生可以课前在宿舍或图书馆，利用电脑提前熟悉软件运行环境，这种仿真实验很容易上手，但是抽象不具体。硬件实验形象生动，对于学生充分理解电机的实际运行非常有帮助，但是由于“运动控制系统”课程的综合性，硬件连线涉及电机、交直流变换等多部件的连线，操作有难度且容易出故障。且对于硬件实验，学生只能依靠阅读实验操作手册进行预习，实验操作手册一般只给出电路原理图，离实物有一定的差距，且字数较多，阅读起来容易枯燥，因此即便通过教师现场的讲解，学生也很难在短短的四个学时时间内充分掌握实验台的操作和使用，对于出现的各种接线故障问题，学生也很难提前预判，实验效果并不理想。为了解决这个问题，本课程对硬件实验部分录制了在线视频，学生结合视频讲解和实验操作手册，可以很快掌握实验的基本操作，不仅节约了学生预习时间，也提高了课堂的实验效果，经过一年的线上线下相结合实验教学实践，学生反馈效果良好，纷纷表示对这种实验方式印象深刻，且收获颇多。

三、课程评价

为了评价学生的学习效果，“运动控制系统”课程设置了多样化的考核方式，包括作业、测验、实验。课堂测验主要用于检验学生对知识点的掌握情况，作业和实验则考查学生对知识的学以致用能力。与其他课程不同的是，本课程的作业和实验不是独立设置的，而是一个一体化环节，即教师给出一个工程实际问题，学生需要根据性能指标要求，对问题进行理论分析和设计，即作业部分；然后对作业里所设计的方法，利用现代工具进行模拟、预测和验证，并对结果进行对比分析，即实验部分。通过实验仿真结果对比分析，学生可以发现设计方案的优缺点，从而加以持续改进。因此，本门课虽然设置了多种考核方式，但作业（理论分析）和实验（实验验证）其实都是围绕解决同一个复杂工程的实践问题，只不过课堂测验是巩固知识，作业和实验是运用知识，作业部分是理论设计，实验部分是验证分析。课堂讲授、测验巩固和作业实验应用练习的合理搭配，不仅克服了理论和实验联系不紧密的问题，同时也使得学生专业知识的纵向深入得到有效提升。

“运动控制系统”课程最重要的知识输出，就是让学生学会利用工程设计方法处理工程实际问题。因此，本门课整个课程的学习阶段都以电机调速为例贯穿讲解工程设计方法的使用，在习题、测验、作业等方面的设计大都与电机调速有关，但以此评价学生学以致用的能力还不够。如果被控对象更换、问题变了，学生是否还能够采用工程设计方法进行分析呢？因此，为了进一步评价学生的知识能力，本门课依托无人艇控制原理虚拟仿真实验平台，通过带领学生了解无人艇轨迹跟踪过程中遇到的问题，拟让学生采用工程设计方法，结合应用实际设计调节器，提升无人艇的跟踪性能。此环节的设置不仅能够提高学生的知识面，而且能进一步锻炼学生解决复杂工程问题的能力。

对于测验和作业部分，可以通过批改，能比较容易看出学生的知识弱点，后期可以有针对性地进行查缺补漏。但对于实验操作部分的评价，尤其是软件仿真，仅从实验结果难以评价学生对实验知识的掌握程度，因此，有针对性的提问非常有必要。另外，为了提升考试水平，增加考试的灵活性，题库建设尤为重要，并且随着大纲的不断更新，专业知识的更新迭代，题库也要及时进行更新和补充。

四、课程思政

高等学校工科专业是培养工程技术人才的关键，是实现国家富强计划中国梦的基石。在工科专业课中强化思政教育，是为国家培养合格的工程专业人才的高效途径［8］。然而如何将思政元素自然而不生硬地引入课堂，做到课程思政能够以润物无声的形态消化于课堂上并非易事。

“运动控制系统”课程，采用的是机械工业出版社出版的《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》教材，该教材的作者陈伯时老先生，是我国电气传动和电气自动化学科的著名学者，也是这门学科的主要开创者，因此从教材本身出发，通过讲述陈伯时老先生的事迹，既能让学生了解本门课的发展史，又能让学生学习陈伯时老先生的创新精神，对知识的学习抱有敬仰之心。“运动控制系统”课程主讲电机调速，因此在课前势必要介绍我国电机的发展，引入案例视频，可以让学生感到祖国的强大，增强民族自豪感。除此之外，在课程结束前布置的大作业，需要学生自己查找调速系统在工业或民用等领域的应用案例，在整个查阅准备资料的过程中，学生会深刻体会到电机调速技术的先进性。电机调速实验部分接线复杂，一个线路接错，就会导致跳闸甚至烧坏，且如果出现问题，学生要能够判断出问题所在，因此做实验过程中，需要学生保持严谨、认真的科学态度，进而培养学生大国工匠精神。思政教育任重而道远，如何使思政教育真正落地、使思政与知识教育相得益彰是每一位教师值得深入思考的重要问题，在以后的教学中还需要进一步深入挖掘。

结语

培养学生解决复杂工程问题的能力是工程教育的一个重要方面，而如何做好教学、使学生在学习中受益良多对于教师来说也是一个复杂问题，需要综合考虑学生的兴趣、课堂的引入方式、作业题目的设计，如何与知识点的有机融合，等等。复杂问题的解决过程是一个长期的闭环过程，从问题的发现、分析、解决到持续改进，教学依然如此。以上是笔者在“运动控制系统”课程教学过程中的一些经验总结，希望能够对其他教师有所帮助。

参考文献：

［1］李志义，赵卫兵.我国工程教育认证的最新进展［J］.高等工程教育研究，2021（05）：3943.

［2］高秀华，袁国，邱春林，等.基于解决复杂工程问题的课程教学实践［J］.科教导刊，2021（08）：133135.

［3］彭文庆，朱永健，彭刚.基于“培养解决复杂工程问题能力”的工程教育专业认证探讨［J］.当代教育理论与实践，2017，9（06）：1418.

［4］徐振峰，孙强，胡学友，等.工程教育认证中复杂工程问题解析［J］.高教学刊，2023，9（13）：8588+93.

［5］李新德，闫冬文，李和清，等.“运动控制系统”课程设计在SRTP中的探索［J］.电气电子教学学报，2023，45（06）：195198.

［6］佟伟.控制系统向智能高效发展［J］.现代制造，2022（07）：5.

［7］王俊伟，杨俊玲.基于OBE理念的现代控制理论教学改革研究与探讨［J］.大学教育，2022（08）：8183.

［8］江春冬，刘斌，杨旭东，等.从教师角度思考运动控制系统课程的课程思政［J］.高教学刊，2022，8（04）：164167.