吳 濤，尹志宏

(昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，云南 昆明650093)

0 引 言

“機電傳動控制”是機械工程及自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它主要是研究解決與生產(chǎn)機械的電氣傳動控制有關(guān)的問題，介紹常用的各種不同類型的電機及其控制系統(tǒng)等?！皺C電傳動控制”課程是電工電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和機械傳動的有機結(jié)合體，是一門實踐性很強的課程。

美國卡耐基教育促進會于1998 年發(fā)表的《重構(gòu)大學(xué)本科教育—美國研究型大學(xué)藍圖》中較系統(tǒng)地闡述了一種新的教學(xué)模式—基于研究的教學(xué)模式［1］。這份著名的報告指出，研究型大學(xué)應(yīng)充分利用其科研優(yōu)勢，吸收本科生參與科研，努力建立以研究為基礎(chǔ)的教學(xué)模式。研究型教學(xué)觀點認為，學(xué)生學(xué)習(xí)的過程與科學(xué)家的研究過程在本質(zhì)上是一致的。所以研究型教學(xué)倡導(dǎo)以教學(xué)和研究相結(jié)合為基本原則，以提高學(xué)生綜合素質(zhì)和自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力為宗旨，以逐步培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力以及創(chuàng)新精神和實踐能力為重點的教學(xué)活動過程，在教學(xué)過程中強調(diào)教師的主導(dǎo)地位和學(xué)生的主體地位，在教學(xué)過程中達到教學(xué)相長的目的［2］。目前，研究型教學(xué)已成為國內(nèi)外高校課程改革的熱點，研究型教學(xué)在世界范圍內(nèi)得到廣泛的推廣和實施。我們依托昆明理工大學(xué)的機械工程國家特色專業(yè)平臺，以本校機械工程及自動化專業(yè)的本科生為授課對象，對“機電傳動控制”課程的研究型教學(xué)進行了探索，提出了一些創(chuàng)新手段，總結(jié)了一些成功經(jīng)驗。以下介紹“機電傳動控制”研究型教學(xué)模式的探索實踐情況。

1 “機電傳動控制”課程開展研究型教學(xué)的方案與學(xué)習(xí)方法

“機電傳動控制”是一門綜合性課程，所涉及的知識面較廣、學(xué)習(xí)起點較高，難度較大，學(xué)生要在學(xué)完前期先修課程“電工電子學(xué)”、“控制工程基礎(chǔ)”、“微機原理”等課程的基礎(chǔ)上，才能較好地掌握“機電傳動控制”所要求的內(nèi)容。我們首先根據(jù)課程要求和學(xué)時安排，制定適合于研究型教學(xué)的教學(xué)大綱。以研究問題為線索，并在此基礎(chǔ)上進行教學(xué)環(huán)節(jié)和實踐性環(huán)節(jié)設(shè)計［3］。同時將Matlab、Proteus、Keil c、Protel、LabVIEW等軟件融入到機電傳動控制系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用中。我們擬定的在“機電傳動控制”課程教學(xué)中采用研究型教學(xué)的教學(xué)方案如圖1 所示。

圖1 “機電傳動控制”開展研究型教學(xué)的教學(xué)方案

2 “機電傳動控制”課程研究型教學(xué)的探討

2.1 應(yīng)用多媒體和實物教學(xué)手段

多媒體課件不僅要能夠簡單明了地概括出各章節(jié)的知識要點，還能大量應(yīng)用現(xiàn)代教育資源，將電機及控制發(fā)展的新技術(shù)、新應(yīng)用以及具有代表性的視頻等搬進課堂，創(chuàng)造出一個圖文并茂、有聲有色、生動逼真的教學(xué)環(huán)境。為了制作好優(yōu)質(zhì)課件，我們到電機廠實地拍攝了電機制造的整個生產(chǎn)工藝流程，將實際電機制造裝配的視頻利用多媒體資源呈現(xiàn)在課堂上，使學(xué)生對電機制造抽象的想象變成了直觀的場景，熟悉了完整的電機制造裝配過程。對于Matlab、Proteus、Keil c、Protel、LabVIEW 等軟件的使用僅采用多媒體課件講授是不夠的，我們將這些軟件的編程環(huán)境、程序編寫和流程調(diào)試進行現(xiàn)場演示，使學(xué)生直觀了解如何從工程上進行程序設(shè)計與調(diào)試，實現(xiàn)電機控制系統(tǒng)設(shè)計的全過程。同時我們將單片機的開發(fā)板帶到課堂上，現(xiàn)場演示直流電機和步進電機的運行過程。授課時教師要激發(fā)學(xué)生的求知欲，教師應(yīng)該與時俱進，了解本學(xué)科發(fā)展的最新動態(tài)，并把它傳授給學(xué)生，只有這樣才能激發(fā)學(xué)生的求知欲，真正把課教好。如在介紹電機中，用高速磁懸浮列車的例子結(jié)合磁懸浮電機進行講解，從而大大提高了學(xué)生的興趣、求知欲。

2.2 研究問題設(shè)計與提出

研究型教學(xué)認為教育者應(yīng)激勵、引導(dǎo)學(xué)生去主動開展基于問題的學(xué)習(xí)，從中獲取基礎(chǔ)技能、專業(yè)技能和綜合技能，尤其是培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力和解決實際問題的能力［3］。相對于傳統(tǒng)教學(xué)模式，研究型教學(xué)更能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，挑戰(zhàn)學(xué)生進行更深層次的思考，促使學(xué)生將多學(xué)科的知識融會貫通。

研究型課程教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是提出好的研究問題，研究問題通常是課程教學(xué)設(shè)計的難點和關(guān)鍵點。以前上課過程中學(xué)生常常是被動聽講，大部分均依賴教師的授課，嚴重影響學(xué)生思考能力的培養(yǎng)。為此，首先我們在安排教學(xué)進度時，安排課堂討論，老師根據(jù)學(xué)生對知識的理解可以適當(dāng)調(diào)整進度。根據(jù)各章的特點、重點和難點提出研究問題，組織學(xué)生進行課堂討論，啟發(fā)思維，充分的調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，鼓勵學(xué)生對老師所講知識提出自己的看法。比如，講完交流電動機的正反轉(zhuǎn)電氣控制線路，我們可以問學(xué)生:如何設(shè)計直流電動機的正反轉(zhuǎn)控制線路?提問有助于學(xué)生思考問題，啟發(fā)思維。其次，采用團隊合作學(xué)習(xí)，針對某個問題，課堂提問中如果某個學(xué)生回答不上，他可以申請“外援”幫助，共同探討解決問題。團隊學(xué)習(xí)不僅可以用于課堂中充分調(diào)動課堂氣氛，也可以用于課后復(fù)習(xí)和探討中。通過相互學(xué)習(xí)，有利于增進學(xué)生的團隊協(xié)作精神，取得共同進步。第三，對學(xué)生回答問題進行合理點評，點評時，除了給出正確的解答思路外，應(yīng)當(dāng)對學(xué)生的互動熱情與探討精神給予鼓勵和贊許。啟發(fā)思維的主要目的不僅在于學(xué)生觀點的正確與錯誤，而在于其是否付出了思考、是否用心［4］。這樣可以保證提高教學(xué)質(zhì)量。

例如:我們在講授步進電動機一章時，首先我們分別拿了一個步進電動機和一個普通的直流電動機的實物，讓同學(xué)們從外觀上進行比較，提問能否從外觀上比較區(qū)分它們?如果不能又該怎樣區(qū)分呢?這樣調(diào)動了學(xué)生的好奇心。在看不出它們有何區(qū)別時，這時告訴同學(xué)只能從銘牌上面區(qū)分。課堂上我們介紹了步進電動機的工作原理，對于它的軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器的介紹，由于同學(xué)們已經(jīng)有了“先驗知識”:“電工電子學(xué)”和“微機原理”，我們讓學(xué)生根據(jù)步進電動機運行的真值表和“電工電子學(xué)”中所講授的JK 觸發(fā)器結(jié)合在一起自行設(shè)計硬件環(huán)分，再讓學(xué)生結(jié)合“微機原理”所學(xué)的編程技巧，編寫軟件環(huán)分程序，這樣加強了同學(xué)對已學(xué)知識的綜合應(yīng)用。課后我們要求學(xué)生查找步進電動機的數(shù)學(xué)模型［5-7］，利用Matlab、Proteus［8］等仿真軟件進行步進電動機的控制系統(tǒng)仿真，可以6 ～8 人自由組合進行團隊合作，嚴禁抄襲和拷貝，在上下一次課的時候，每組派一個代表上來演示，根據(jù)完成質(zhì)量合理評分。

2.3 實行課堂討論記分制，完善教學(xué)評價考核機制

在課堂上，對回答問題以記分的形式來掌控課堂的氣氛與靈活性，回答問題對的要加分，不對的，但確實也有一定道理的要適當(dāng)加分，用以鼓勵學(xué)生思考的積極性，對于不經(jīng)過思考的回答，要給予一定的減分及適當(dāng)批評。通過提問，提醒學(xué)生哪些知識內(nèi)容是重點，是必須掌握的，通過學(xué)生的思考、討論加強學(xué)生對知識的理解和掌握，同時也加強了學(xué)生思考問題和解決問題的能力。學(xué)生在課堂上認真思考，積極的課堂氛圍就不難掌握了［9］。

以前，成績的評定由兩部分組成:期末考試(80%)+平時成績(20%)。這種評價把課程最后的考試作為整個課程評價的重點，忽略了學(xué)生學(xué)習(xí)和思考的過程，忽略了學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)與課堂學(xué)習(xí)部分，弱化了實驗動手能力。然而“機電傳動控制”是一門理論與實踐結(jié)合相當(dāng)緊密的課程，課程考試固然重要，但缺少對實際動手與學(xué)習(xí)積極性的評價，考核結(jié)果不能反映學(xué)生的綜合能力。因此，對課程成績的評定修訂為期末考試(60%)+實驗成績(10%)+課堂出勤與回答問題(20%)+課程作業(yè)(10%)。

3 課程實踐環(huán)節(jié)設(shè)計

研究型的實驗題目往往是從科學(xué)研究、生產(chǎn)實踐或?qū)嶒炇医ㄔO(shè)等項目中提煉出來的子課題或子系統(tǒng)。學(xué)生通過查閱資料、設(shè)計實施方案、組織實驗、撰寫總結(jié)報告等過程，獲取新的知識和經(jīng)驗，得到全面的鍛煉，從而培養(yǎng)從事科學(xué)研究和實驗的素質(zhì)和能力。研究型實驗伴隨了整個實驗教學(xué)過程，是學(xué)生認識、實踐和提高的過程。由于研究型實驗涉及了很多新知識，要獨立完成相應(yīng)的實驗有一定的難度，所以我們對學(xué)生進行分組和選題，每組6 ～8 人，設(shè)立組長。在此期間，任課教師輪流在實驗室進行答疑并與學(xué)生進行交流。在最后一周安排一次課程進行研究型教學(xué)總結(jié)，組長總結(jié)實驗中遇到的問題、解決的方法和取得的成果。同時我們將實踐性環(huán)節(jié)劃分為3 個層次:

(1)基本實驗。這其中包括仿真實驗和驗證性實驗。仿真實驗主要通過Matlab［10-12］、LabVIEW 編寫電機的仿真程序［13-15］，在電腦上模擬仿真結(jié)果。驗證性實驗通過原有的實驗箱，將利用匯編編寫的程序?qū)雴纹瑱C中，驗證實驗結(jié)果和理論分析是否一致。

(2)綜合設(shè)計型實驗。提出一個研究問題，例如:直流電動機的PID 控制，步進電動機的正反轉(zhuǎn)控制，要求學(xué)生利用Proteus 設(shè)計仿真電路，用Keil c 語言編寫程序并導(dǎo)入單片機，程序仿真調(diào)試通過后，再導(dǎo)入實際的單片機系統(tǒng)。

(3)創(chuàng)新型實驗。學(xué)生在熟練掌握上述能力的基礎(chǔ)上，可以自行提出新電路的設(shè)計，同時利用Protel 軟件制板，生成印刷電路板，焊接上相關(guān)元件。

4 結(jié) 語

高等學(xué)校應(yīng)培養(yǎng)能夠更好地適應(yīng)新世紀社會主義現(xiàn)代化建設(shè)需要的全面發(fā)展，且具有創(chuàng)新精神和實踐能力的“機電復(fù)合型”人才［16］。在教學(xué)中，我們始終堅持“授人以魚”，不如“授人以漁”的理念，努力使學(xué)生從知識的接受者變?yōu)橹R的探究者。我們將研究型教學(xué)的教育理念應(yīng)用于“機電傳動控制”課程的教學(xué)中，總結(jié)了以下幾點經(jīng)驗:①本文對研究型教學(xué)進行了探討，在教學(xué)內(nèi)容、實驗形式、考核方式等方面都進行了較為深入的嘗試。②實行靈活的課堂討論記分制的考核方式，目的是加強學(xué)生的課堂紀律、增強學(xué)生思考問題的積極性、主動性，加強對基礎(chǔ)知識的掌握，對科技發(fā)展的了解。③在實驗內(nèi)容改革上著重提高學(xué)生的動手能力，分析問題與解決問題的能力。④以上教學(xué)改革在本校機械工程及自動化專業(yè)2009 ～2012 屆學(xué)生中進行試驗，取得了較好的教學(xué)效果，改善了學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索意識。

［1］ 龔 新.基于研究型教學(xué)的高校本科教學(xué)管理研究［J］. 哈爾濱學(xué)院學(xué)報，2010，31(8):113-115.

［2］ 耿俊霞.試論大學(xué)研究型教學(xué)［J］.教育教學(xué)論壇，2010，20:21-23.

［3］ 孫成立，王希敏. DSP 技術(shù)課程研究型教學(xué)模式探索［J］. 實驗室研究與探索，2010，29(11):306-308.

［4］ 熊 新，馬如宏.《機電傳動控制》教學(xué)方法探討［J］. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2009，8(7):194-195.

［5］ 段英宏，楊 碩. 步進電動機的模糊PID 控制［J］. 計算機仿真，2006，23(2):290-293.

［6］ 李錫文，姜德美. 步進電動機加速運行控制研究［J］. 微電機，2007，40(10):45-47.

［7］ 趙顯紅，孫立功. 一種數(shù)字式步進電動機閉環(huán)位置控制系統(tǒng)設(shè)計［J］. 微電機，2008，41(8):90-92.

［8］ 朱清慧，張鳳蕊. Proteus 教程［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2008:235-241.

［9］ 李海燕，趙汗青. 基于創(chuàng)新思維的實驗教學(xué)課堂改革［J］. 實驗室研究與探索，2010，29(11):309-311.

［10］ Wu T，Zhao L. Simulation of Vector Control Frequency Converter of Induction Motor Based on Matlab/Simulink［C］//Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation(ICMTMA2011)，265-268.

［11］ 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2007:175-182.

［12］ 潘曉晟，郝世勇. Matlab 電機仿真精華50 例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:66-78.

［13］ LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2005:250-252.

［14］ Wu T，Chi Y L. Simulation of FOC Vector Control of Induction Motor Based on LabVIEW［C］//2009 International Conference on Information Engineering and Computer Science (ICIECS2009)，2102-2104.

［15］ Wu T，F(xiàn)u K G. Simulation of the Control System of Step Motor Based on LabVIEW［J］. Advanced Materials Research，2011，225:1000-1003.

［16］ 鄧星鐘. 機電傳動控制［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2007:1-3.