劉麗俊，趙明偉，劉海寬

(江蘇師范大學(xué) 電氣學(xué)院，江蘇 徐州221116)

運(yùn)動(dòng)控制作為自動(dòng)化分支之一，在各行業(yè)具有廣泛的工程應(yīng)用背景?！斑\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”實(shí)踐課程是課程教學(xué)的重要組成部分，其主要任務(wù)是結(jié)合工程背景，使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)了解運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成，掌握測(cè)量、分析和設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的方法、手段，以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)理論、研究方法;掌握常規(guī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)儀器、控制設(shè)備的使用。

目前，我院電力電子、電力拖動(dòng)相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置都是模擬控制裝置。它們以演示性、驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)為主，缺少綜合性、設(shè)計(jì)性和研究性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，學(xué)生不清楚所學(xué)知識(shí)如何運(yùn)用，難以實(shí)現(xiàn)分析和解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［1］。為此，需要對(duì)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段。本文就我院“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 教學(xué)改革的目標(biāo)和基本思路

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的思路是:以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為核心，與課程改革和課程建設(shè)同步，和理論教學(xué)相互依托形成良性互動(dòng);堅(jiān)持課內(nèi)和課外結(jié)合:課內(nèi)注重問(wèn)題引導(dǎo)、案例示范和啟發(fā)創(chuàng)新思維，課外實(shí)踐重在自主設(shè)計(jì)和研究，為學(xué)生參加工程實(shí)踐和研究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造良好的條件和環(huán)境［2］。

改革的目標(biāo)為:①突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論教學(xué)的傳統(tǒng)觀念，開(kāi)設(shè)包括基本性、綜合設(shè)計(jì)性、研究創(chuàng)新性三種類型的實(shí)驗(yàn)課程，建立相對(duì)獨(dú)立于理論教學(xué)的新型三層次的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)體系;②建設(shè)實(shí)驗(yàn)示范中心，建立理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合的“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)新體系;③實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開(kāi)放和共享，實(shí)現(xiàn)由單向知識(shí)傳授的教學(xué)模式向知識(shí)傳授與創(chuàng)新教育相結(jié)合的研究型教學(xué)模式轉(zhuǎn)變;④充分利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，建立網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐課件和實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為教師和學(xué)生提供網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的環(huán)境。

2 深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

2.1 構(gòu)建層次化、模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

本體系可分為基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)和研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次:主要環(huán)節(jié)為三個(gè)模塊:①認(rèn)知實(shí)踐、課堂教學(xué)仿真和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn);②各種形式的實(shí)習(xí)、工程訓(xùn)練、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì);③科技活動(dòng)、學(xué)生科研和開(kāi)放實(shí)驗(yàn)等。

(1)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)—這個(gè)層次通過(guò)認(rèn)知實(shí)踐、課堂教學(xué)演示仿真和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)諸環(huán)節(jié)來(lái)完成，這些環(huán)節(jié)作用各有側(cè)重。

認(rèn)知實(shí)踐主要是為了適應(yīng)課堂教學(xué)理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，利用實(shí)驗(yàn)室各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)將課堂講授的理論知識(shí)具體化，讓學(xué)生對(duì)理論內(nèi)容有更為直觀的認(rèn)識(shí)，用一些工程實(shí)例將所學(xué)理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)。

演示仿真實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)利用Flash 軟件和Matlab 軟件建立的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)配合理論課教學(xué)，在某些難以描述和講解的基本概念與基本現(xiàn)象的教學(xué)中，能起到事半功倍的效果［3］。

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)一方面是驗(yàn)證課堂所講理論的正確性，包括常用儀表的原理與使用。例如交直流調(diào)速系統(tǒng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及通用變頻器系統(tǒng)的安裝與調(diào)試實(shí)驗(yàn)就屬于這個(gè)環(huán)節(jié)。

(2)綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)—本層次以課程綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)/實(shí)訓(xùn)/自動(dòng)化系統(tǒng)工程師培訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)為主。

綜合性實(shí)驗(yàn)是指學(xué)生在具備一定的基礎(chǔ)知識(shí)和基本操作技能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用綜合的實(shí)驗(yàn)方法和手段，按照要求(或自擬實(shí)驗(yàn)方案)完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，例如基于PLC 的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，涉及到“自動(dòng)控制系統(tǒng)”、“PLC 原理及應(yīng)用”和“常規(guī)電氣控制”等課程的知識(shí)。

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是由學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、選擇實(shí)驗(yàn)方法、選擇實(shí)驗(yàn)器材擬定實(shí)驗(yàn)操作程序和對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析處理的實(shí)驗(yàn)。例如雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是屬于課程設(shè)計(jì)/實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，而變頻恒壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的研究，變頻器上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究屬于畢業(yè)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)［4，5］。

(3)研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)—本層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括對(duì)新理論的研究、探索新的實(shí)驗(yàn)方法、技術(shù)和儀器設(shè)備的改進(jìn)，學(xué)生參加各種科技和競(jìng)賽活動(dòng)，學(xué)生科研立項(xiàng)或者參與教師的科/教研項(xiàng)目等。

這類實(shí)驗(yàn)要突出綜合性的特點(diǎn)。例如基于DSP的交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，就是教師的校級(jí)重點(diǎn)基金項(xiàng)目，要求學(xué)生完成方案的選擇，系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件的設(shè)計(jì)及編程，系統(tǒng)的調(diào)試及試驗(yàn)等。

2.2 豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段

(1)利用多媒體技術(shù)，增強(qiáng)教學(xué)直觀性

實(shí)驗(yàn)體系中利用Flash 軟件和Matlab 軟件的Simulink 和PowerSystem 工具箱搭建“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［1］［3］，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中可以用多媒體技術(shù)等教學(xué)手段，最大限度地展示教學(xué)內(nèi)容，給學(xué)生耳目一新的感覺(jué)。如利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)Matlab 仿真結(jié)果可以很直觀地分析系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能，判斷設(shè)計(jì)系統(tǒng)是否合理，參數(shù)是否需要調(diào)整。對(duì)于直流調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)Flash 軟件建立的仿真模型對(duì)加載過(guò)程中電機(jī)的速度變化有很直觀的動(dòng)態(tài)顯示。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，由于實(shí)驗(yàn)條件等因素的限制，一些實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)不了，可應(yīng)用多媒體教學(xué)手段彌補(bǔ)這部分的不足。

(2)利用開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)，提高自主學(xué)習(xí)積極性

開(kāi)放式是指在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室在時(shí)間和空間上對(duì)學(xué)生全部開(kāi)放，可提高學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)的積極性。

(3)開(kāi)展研究性教學(xué)，探索創(chuàng)新能力培養(yǎng)

通過(guò)鼓勵(lì)教師將在研課題內(nèi)容列入科研訓(xùn)練課題，鼓勵(lì)和組織學(xué)生參加科研課題的研究活動(dòng)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。近三年有很多學(xué)生參加教師的教研、科研課題，為教師的科、教研課題做了大量的實(shí)際工作，比如:校級(jí)教研項(xiàng)目《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)虛擬技術(shù)新方法的實(shí)現(xiàn)》開(kāi)發(fā)了基于PLC、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng);校基金項(xiàng)目《異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)》建立了矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路，完成了系統(tǒng)的調(diào)試與試驗(yàn)等。

(4)建立網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺(tái)，加強(qiáng)教學(xué)互動(dòng)性

學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以獲取實(shí)驗(yàn)課程大綱、講義和指導(dǎo)書等實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料;獲取軟件和專題學(xué)習(xí)資料等輔助教學(xué)資源;查看往屆學(xué)生實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐成果等。同時(shí)，網(wǎng)站還設(shè)有輔助教學(xué)模塊，為教師個(gè)性化的課外實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)提供條件。

2.3 完善實(shí)驗(yàn)考核制度

實(shí)施多元化的考核方法:在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)層次，對(duì)學(xué)生采取不同的評(píng)價(jià)方法:①基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn):平時(shí)成績(jī)+操作考試+答辯成績(jī);②綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn):平時(shí)成績(jī)+答辯成績(jī);③研究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn):科學(xué)報(bào)告+答辯成績(jī);④自動(dòng)化系統(tǒng)工程師培訓(xùn):⑤平時(shí)成績(jī)+理論考試+實(shí)際操作考試，按照工程師認(rèn)證的方式進(jìn)行考核。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)施的效果

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系已在三屆學(xué)生的教學(xué)中采用。使學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維及綜合操作水平大為提高。

我們將實(shí)踐教學(xué)改革成果與理論教學(xué)改革相結(jié)合，完成了“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”校級(jí)重點(diǎn)課程的建設(shè)，在課程教學(xué)中獲得學(xué)生的充分肯定和好評(píng)。有一部分學(xué)生參加了自動(dòng)化系統(tǒng)工程師認(rèn)證的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)培訓(xùn)，取得了自動(dòng)化系統(tǒng)助理工程師證書。近三年學(xué)生的畢業(yè)論文水平的提高都得益于扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)技能、分析能力和綜合實(shí)驗(yàn)研究的訓(xùn)練。其中已有多篇學(xué)生論文被評(píng)為校級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)論文。學(xué)生通過(guò)參與運(yùn)動(dòng)控制方面的科研和教研課題，獲得了不少收益。其中有些學(xué)生將其所做工作進(jìn)行整理，在核心期刊上發(fā)表出來(lái)。

［1］ 劉興平等.警察院校學(xué)制下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革［J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(11):140-143

［2］ 宋立權(quán)等.機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系改革與實(shí)踐［J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(9):88-91

［3］ 洪乃剛.電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010

［4］ 鄭鳳翼.圖解電力拖動(dòng)系統(tǒng)電路［M］.北京:人民郵電出版社，2009

［5］ 李方園.變頻器自動(dòng)化工程實(shí)踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007