李新德 閆冬文 李和清 余 樂

(1.東南大學(xué) 自動化學(xué)院,南京 210096)(2.東南大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院,南京 210096)

隨著我國高等教育的不斷改革,SRTP(Student Research Training Program,大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃)已在高校中得到廣泛認(rèn)可,在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力方面,具有較好的引導(dǎo)和推動作用?！斑\(yùn)動控制系統(tǒng)”是自動化類專業(yè)本科階段的核心課程,在SRTP中廣泛應(yīng)用,但多數(shù)學(xué)生僅停留在基礎(chǔ)理論層面,難以較好地應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)工程項(xiàng)目中。項(xiàng)目導(dǎo)向型教學(xué)模式是讓學(xué)生從“0”到“1”完成與課程相關(guān)的項(xiàng)目,提倡“理論與實(shí)踐結(jié)合,課堂與實(shí)驗(yàn)室結(jié)合,能力與項(xiàng)目結(jié)合”的教學(xué)新方式?；陧?xiàng)目導(dǎo)向型的“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)模式有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和項(xiàng)目管理能力,對全面提升課程教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。

1 項(xiàng)目導(dǎo)向型課程設(shè)計(jì)實(shí)施的必要性

“運(yùn)動控制系統(tǒng)”是電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、自動控制原理和電機(jī)學(xué)等多學(xué)科相互交叉的課程,具有綜合性強(qiáng)、知識面廣的特點(diǎn)[1]。如果采用傳統(tǒng)教學(xué)方式,即課堂講授理論知識、講解例題,學(xué)生理解起來較為抽象,可能造成學(xué)生只會做題,不會動手的“怪”現(xiàn)象,嚴(yán)重偏離教學(xué)初衷[2]。

基于上述問題,本文以“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)為例,提出項(xiàng)目導(dǎo)向型的教學(xué)模式,如圖1所示。該教學(xué)模式圍繞課程知識的運(yùn)用為中心,選取實(shí)際應(yīng)用中典型的若干項(xiàng)目作為課程載體,將理論知識和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用技能融合到項(xiàng)目中,學(xué)生通過完成項(xiàng)目中設(shè)定的任務(wù)達(dá)到自我綜合能力提升的教學(xué)目的[3]。在傳統(tǒng)教課方式的基礎(chǔ)上,以實(shí)踐為前提,知識運(yùn)用為目標(biāo),以學(xué)生合作型自主學(xué)習(xí)為主,教師指導(dǎo)為輔,全面培養(yǎng)學(xué)生從“敢想,敢說,敢做”到“能想,能說,能做”。

在“運(yùn)動控制系統(tǒng)”中采用項(xiàng)目導(dǎo)向型教學(xué)模式,既保留了傳統(tǒng)教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn),又充分融合了實(shí)踐過程與知識運(yùn)用。同時(shí)強(qiáng)調(diào)了以項(xiàng)目實(shí)踐為教學(xué)導(dǎo)向,讓學(xué)生在項(xiàng)目中既能鞏固、運(yùn)用知識,又能培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作、創(chuàng)新以及問題的分析和處理能力。

2 項(xiàng)目導(dǎo)向型課程設(shè)計(jì)的實(shí)施方案

“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程的重要內(nèi)容有交、直流調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)部分,其中直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單,應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn),是經(jīng)典的學(xué)習(xí)和分析對象[4]。本文以直流調(diào)速系統(tǒng)為知識背景,提出以“兩棲無人機(jī)的研制”作為項(xiàng)目導(dǎo)向型教學(xué)實(shí)例。

兩棲無人機(jī)的五大設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)如圖2所示,分為三大部分:①原理分析:兩棲無人機(jī)的飛行原理和控制方案設(shè)計(jì);②硬件設(shè)計(jì):系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),無人機(jī)3D模型設(shè)計(jì),硬件選型以及電路設(shè)計(jì);③軟件設(shè)計(jì):無人機(jī)控制算法設(shè)計(jì)。本節(jié)以“兩棲無人機(jī)的研制”項(xiàng)目的三大部分實(shí)施過程中涉及的知識板塊為背景,討論項(xiàng)目導(dǎo)向型教學(xué)模式中學(xué)生和教師兩個(gè)主體間存在的交互方式以及相互影響發(fā)揮的作用。

圖2 兩棲無人機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

2.1 自主學(xué)習(xí)與團(tuán)隊(duì)協(xié)作

由知識與實(shí)踐導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)型合作項(xiàng)目能培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在“兩棲無人機(jī)的研制”項(xiàng)目中,從理論分析到硬件和軟件設(shè)計(jì),包括飛行原理分析、構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架、硬件選型與設(shè)計(jì)、飛行控制方案設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)等步驟,由學(xué)生組成的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)協(xié)商完成。通過自主學(xué)習(xí)與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力培養(yǎng),重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生以下幾方面能力:

1)鞏固理論知識和統(tǒng)籌能力

兩棲無人機(jī)設(shè)計(jì)中的硬件和軟件設(shè)計(jì),如電子元件選取、電路設(shè)計(jì)、PCB板制作、電路板焊接、單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)等,在模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)、C語言等專業(yè)基礎(chǔ)課中均有涉及。

在“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程中采用項(xiàng)目導(dǎo)向型教學(xué)模式能夠鞏固學(xué)生所學(xué)過的知識,并使其在項(xiàng)目中得到應(yīng)用。如圖3所示是兩棲無人機(jī)的系統(tǒng)組成,可以看出小到濾波電路、穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì),大到整個(gè)系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì),均需要多門課程知識交織綜合才能完成。

圖3 兩棲無人機(jī)的系統(tǒng)組成框圖

2)知識拓展和進(jìn)階學(xué)習(xí)能力

如圖4所示是兩棲無人機(jī)姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)框圖,學(xué)生需要學(xué)習(xí)和應(yīng)用姿態(tài)控制算法,自行建立無人機(jī)的姿態(tài)運(yùn)算模型。其中,姿態(tài)控制需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算求解,如建立動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)模型、姿態(tài)解算等,均需要學(xué)生自行拓展學(xué)習(xí)。

圖4 兩棲無人機(jī)姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)框圖

學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和探索,以舊知識為基礎(chǔ),探索式的發(fā)現(xiàn)和掌握新知識。該過程從意識層面上提高學(xué)生的求知欲和對新知識的包容度,有利于培養(yǎng)學(xué)生攻克困難的信心,使學(xué)生形成正向回饋,在不斷學(xué)習(xí)中實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)姿態(tài)的可靠、快速、精確的控制。

3)多學(xué)科交叉和創(chuàng)新能力

創(chuàng)新是技術(shù)進(jìn)步的核心,是引領(lǐng)發(fā)展的第一驅(qū)動力。多學(xué)科交叉具有綜合性、系統(tǒng)性和滲透性等特點(diǎn),有利于培養(yǎng)學(xué)生成為復(fù)合型人才?！皟蓷珶o人機(jī)的研制”是一個(gè)系統(tǒng)性項(xiàng)目,涉及機(jī)械工程、電子工程、控制工程等多學(xué)科領(lǐng)域。如圖5所示是兩棲無人機(jī)的機(jī)體模型,機(jī)體3D建模與仿真常使用SOLIDWORKS、CATIA等專業(yè)軟件。該內(nèi)容在“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程中沒有涉及,學(xué)生需要根據(jù)項(xiàng)目需求的自行建模分析。通過多學(xué)科交叉融合,有助于學(xué)生開拓視野,更好地完成項(xiàng)目研究。

(a)水空無人機(jī)模型

4)學(xué)思并用,團(tuán)隊(duì)管理能力

SRTP通常由2～5人組成的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)承擔(dān),其中1人擔(dān)任隊(duì)長。在管理學(xué)領(lǐng)域可稱之為“組織”。任何一個(gè)有組織的集體活動,不論其性質(zhì)如何,都只有在管理者對它加以管理的條件下,才能按照所要求的方向進(jìn)行?！皟蓷珶o人機(jī)系統(tǒng)的研制”項(xiàng)目需要小組成員盡己所能搜集資料,集思廣益,討論制定項(xiàng)目具體的技術(shù)方案。隊(duì)長根據(jù)組員的情況和項(xiàng)目難度,將完整項(xiàng)目拆解,形成完整的技術(shù)方案。同時(shí),團(tuán)隊(duì)定期召開討論會議,總結(jié)項(xiàng)目研究進(jìn)展[5]。這里我們發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)的定期會議尤為重要,提出“周組會”和“月組會”兩種方案。前者有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目的短期內(nèi)存在的難題,后者注重中長期科研任務(wù)的規(guī)劃和總結(jié)。

2.2 教師指導(dǎo)為輔

在項(xiàng)目導(dǎo)向型教學(xué)模式中,教師扮演“技術(shù)顧問”的角色。包括確定項(xiàng)目任務(wù)、制定項(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)間節(jié)點(diǎn)、定期答疑和最終考核標(biāo)準(zhǔn)等[6]。在“兩棲無人機(jī)系統(tǒng)的研制”項(xiàng)目中,根據(jù)團(tuán)隊(duì)定期提交的總結(jié)報(bào)告提供指導(dǎo)性意見,避免研究方法和研究方向出現(xiàn)偏差,對于團(tuán)隊(duì)提出的科研進(jìn)展難題,尋求最優(yōu)解決方案。此外,實(shí)驗(yàn)室科研氛圍也是開展SRTP成敗的關(guān)鍵,在“兩棲無人機(jī)系統(tǒng)的研制”項(xiàng)目中,配置了除教師之外的“科研小導(dǎo)師”,他們是由一群科研成果突出的“學(xué)長、學(xué)姐”等組成,以此營造“幫扶型、鼓勵(lì)型和分享型”的科研團(tuán)隊(duì),促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室良好的科研氛圍。

2.3 項(xiàng)目成果考核

如圖6所示是基于項(xiàng)目導(dǎo)向型教學(xué)模式,不同團(tuán)隊(duì)完成的兩棲無人機(jī)項(xiàng)目成果實(shí)物圖。傳統(tǒng)的教學(xué)成果以考試成績論英雄的方式不再適用,我們采用學(xué)生自評、組員互評、項(xiàng)目答辯得分和教師評分的綜合評價(jià)方式[7]。同時(shí),鼓勵(lì)學(xué)生將有價(jià)值的項(xiàng)目成果積極參與各類別科研競賽、申請知識產(chǎn)權(quán)、發(fā)表國內(nèi)外期刊論文等,做到科研成果有效輸出和反饋。

(a)水空兩棲無人機(jī)實(shí)物圖(由團(tuán)隊(duì)1開發(fā))

3 項(xiàng)目導(dǎo)向型課程設(shè)計(jì)在SRTP中的思考

SRTP為學(xué)生培養(yǎng)科研能力、創(chuàng)新意識提供了廣闊的平臺,但多數(shù)學(xué)生僅停留在基礎(chǔ)理論層面,難以較好地將理論知識應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)工程項(xiàng)目中,缺乏知識應(yīng)用到實(shí)踐中的意識,如果不提前培養(yǎng)他們的動手實(shí)踐能力,即便提供發(fā)展平臺,也無法發(fā)揮其自身優(yōu)勢[8]?！斑\(yùn)動控制系統(tǒng)”是一門綜合其他理論課程而成的強(qiáng)實(shí)踐性課程,為學(xué)生今后進(jìn)行科研項(xiàng)目有較大的促進(jìn)作用。在這門課程中采用項(xiàng)目導(dǎo)向型教學(xué)模式有助于培養(yǎng)學(xué)生的“項(xiàng)目意識”和“知識實(shí)踐意識”。

在課程項(xiàng)目中,學(xué)生經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)問題,交流、合作并解決問題的過程,這將有助于培養(yǎng)其自身的積極性和主觀能動性,增強(qiáng)創(chuàng)新意識和動手能力,引導(dǎo)形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度以及團(tuán)隊(duì)合作精神[9]。對培養(yǎng)單位而言,教師與學(xué)生均是教學(xué)體系中的主人,在實(shí)踐中應(yīng)積極探索新時(shí)代背景下的教學(xué)新需求。在“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程中采用項(xiàng)目導(dǎo)向型教學(xué)模式有利于讓學(xué)生重視理論與實(shí)踐融合發(fā)展;有利于推動學(xué)生對學(xué)習(xí)和科研的新認(rèn)知;有利于培養(yǎng)創(chuàng)新性、綜合性人才,響應(yīng)國家對高校培育高質(zhì)量人才的需求和號召,進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合素質(zhì)[10]。

4 結(jié)語

“運(yùn)動控制系統(tǒng)”是一門緊密結(jié)合理論和實(shí)踐的綜合性課程。針對教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的新需求和新問題,本文提出了項(xiàng)目導(dǎo)向型教學(xué)新模式,該模式讓學(xué)生從“0”到“1”完成與課程相關(guān)項(xiàng)目,提倡“理論與實(shí)踐結(jié)合,課堂與實(shí)驗(yàn)室結(jié)合,能力與項(xiàng)目結(jié)合”的教學(xué)新模式;我們以直流調(diào)速系統(tǒng)為知識背景,設(shè)置“兩棲無人機(jī)的研制”作為項(xiàng)目導(dǎo)向型教學(xué)實(shí)例,通過培養(yǎng)學(xué)生“鞏固理論知識和統(tǒng)籌”和“多學(xué)科交叉和創(chuàng)新”等能力,有效提升學(xué)生綜合科研素養(yǎng);基于項(xiàng)目導(dǎo)向型的“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程教學(xué)新模式,對全面提升課程教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。學(xué)生通過解決實(shí)際問題,提高了綜合實(shí)踐能力和項(xiàng)目管理能力。