摘"要：培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力是工程教育中的一個重要方面?！斑\動控制系統(tǒng)”作為自動化專業(yè)一門最貼近工程實際和實踐的專業(yè)課程，非常具有解決復雜工程問題的代表性。本論文以“運動控制系統(tǒng)”課程為例，通過分析知識點之間的前后聯(lián)系，設計合理的課程導入和教學方式，激發(fā)學生的學習興趣；利用測驗、作業(yè)和實驗環(huán)節(jié)的遞進式安排，做到知識的有效縱向深入；通過視頻講解和軟硬件操作相結合，提升學生實驗學習效果；結合應用實際和無人艇仿真實驗平臺，切實提高學生綜合應用專業(yè)知識解決復雜工程問題的能力；緊貼課程實際挖掘思政要點，實現(xiàn)育德和修技雙軌并行。

關鍵詞：運動控制系統(tǒng)；復雜工程問題；教學設計；課程評價；思政引入

一、"概述

工程教育專業(yè)認證制度作為工程教育質量保障的重要機制和核心手段，在教育教學理念、培養(yǎng)模式、培養(yǎng)目標確定、課程體系建設、教與學方法研究、教師團隊建設以及質量持續(xù)改進等方面發(fā)揮了重要的引領和指導作用，有效地提高了我國工程教育質量［1］。在工程教育認證12條畢業(yè)要求中，復雜工程問題貫穿始終，如何培養(yǎng)學生具有解決復雜工程問題能力是工程教育中的一個重要方面［24］。因此，在課程的教學中，應該積極探索恰當?shù)慕虒W方法和考核評價方式，切實提高學生解決復雜工程問題的能力。

“運動控制系統(tǒng)”是一門最貼近工程實際和實踐的課程，廣泛應用于機械制造、交通運輸、國防航天等領域［5］。隨著云計算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術的發(fā)展，運動控制系統(tǒng)在智能化、柔性化、控制精度等各方面都得到了顯著提升。運動控制系統(tǒng)對于數(shù)控機床、機器人及各類高端裝備運行至關重要，運動系統(tǒng)的智能化控制是裝備領域和制造行業(yè)的核心技術，決定了裝備的精度和效率。運動控制技術發(fā)展程度的高低直接決定了我國工業(yè)自動化水平，是實現(xiàn)智能制造的前提和基礎［6］。

“運動控制系統(tǒng)”作為自動化專業(yè)非常重要的一門專業(yè)課，集電機學、電力電子、控制理論等多門學科相互交叉于一體，很多學校將其作為自動化專業(yè)的專業(yè)核心課。由于需要有許多前序課程的支撐，因此主要開設在大三下學期或者大四上學期?！斑\動控制系統(tǒng)”主講電機調速問題，包括直流調速和交流調速兩部分。該課程要求學生能夠綜合利用所學理論知識（包括自控原理、電機學、信號處理、計算機控制技術等），并全面考量多種技術性指標（包括超調量、調節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)誤差等）和非技術指標（包括安全性、設計方法的通用性等），解決電機調速的復雜工程實踐問題。因此，該課程的設置能夠為學生將來解決復雜工程實際問題儲備一定的專業(yè)能力與技能，同時為畢業(yè)要求多個指標點提供強有力的支撐作用。

工程教育認證以學生為中心，產出為導向，簡單的灌輸式教學已無法滿足工程認證對學生能力的培養(yǎng)要求，尊重學生主體地位是當前工程教育改革的核心［7］?！斑\動控制系統(tǒng)”作為一門將理論應用到實踐的課程，目前在教學模式、評價方式等方面仍存在一些問題。

（1）“運動控制系統(tǒng)”課程主要設置在大三下學期或者大四上學期，這時許多同學面臨就業(yè)和考研壓力，如何調動學生的積極性，增加教學的趣味性，是教學中值得思考的重要問題。

（2）“運動控制系統(tǒng)”課程知識前后聯(lián)系緊密、邏輯性強，任何一個知識點的短板，都將影響整體的學習效果，如何做好教學設計，使得知識點導入方式合理，前后知識點之間銜接流暢，是教學中值得思考的重要問題。

（3）如何設計作業(yè)和實驗，避免出現(xiàn)作業(yè)和實驗“兩層皮”的問題，使其能夠支撐學生對課堂知識的深刻理解，是值得進一步思考的問題。

（4）“運動控制系統(tǒng)”課程除了教會學生知識，更應注重完成育人的目標，但是生硬的思政導入，不僅達不到能力培養(yǎng)與價值引領的和諧統(tǒng)一，反而會帶來適得其反的教學效果。如何將思政元素以潤物無聲的形態(tài)消化于課堂上，是又一個值得思考的重要問題。

針對目前“運動控制系統(tǒng)”課程存在的幾個問題，本文分別從教學設計、課程評價、思政引入等三個方面進行闡述，以期提高課堂教學效果，使學生綜合應用專業(yè)知識解決復雜工程問題的能力得到有效提高。

二、教學設計

所謂興趣是最好的教師，一個好的教學設計是成功的一半。在學習“運動控制系統(tǒng)”課程之前，勢必要讓學生了解什么是運動控制系統(tǒng)，運動控制系統(tǒng)主要解決什么問題以及其重要性。教材中第一節(jié)《緒論》部分主要介紹了與電機調速有關的器件以及技術的發(fā)展歷史與過程，但這并不能讓學生充分了解電機調速在實際工業(yè)系統(tǒng)中的主要作用。因此，本課程在緒論部分的設置除了知識點講解以外，還配置了以機械臂為例的視頻觀看和線下操作體驗部分。機械臂由六個關節(jié)組成，每個關節(jié)的電機驅動、機器臂運行的精準以及效率都與電機控制性能的好壞息息相關，是一個典型的運動控制系統(tǒng)應用案例。視聽感受和際操體驗二者有機融合，可以大大提高學生的學習興趣，使得學生從多種感官對運動控制系統(tǒng)的應用性有所了解。在經(jīng)過一個學期的系統(tǒng)學習后，在課程即將結束之際，會以大作業(yè)形式，讓學生以小組方式獨立查閱運動控制系統(tǒng)在工業(yè)或民用等領域的應用案例，并通過翻轉課堂形式，讓學生進行PPT講解和介紹，最后教師進行點評。這樣從開課前教師機械臂應用導入，激發(fā)學習興趣到課程結束時，學生可以通過自己的理解獨自講述運動控制系統(tǒng)的應用案例，獨當一面。整個過程實現(xiàn)了教師與學生的身份轉變，從教師教到教師聽。由應用案例導入，到以應用案例結束，前后呼應，整個過程充分鍛煉了學生的團隊協(xié)作能力和口頭表達能力，并且讓學生加深了對運動控制系統(tǒng)的理解。不僅知識得到了傳遞，同時學生收集到的各種應用案例，也可以作為以后的教學案例，豐富教學資料庫。

“運動控制系統(tǒng)”課程分為直流調速和交流調速兩部分，直流調速是交流調速的基礎，由于課時有限，一般以直流調速為主講，交流調速作為拓展。以直流電機調速教學部分為例，如圖1所示，先應該讓學生知道電機怎么調速，因此需要帶領學生回顧電機學的知識，并從工程實際角度出發(fā)，通過對比不同的調速方式，找到最佳的調速方式——調壓調速。明確調速方式以后，就要知道如何獲得電壓可調的直流供電電源，因此引出晶閘管整流和PWM變換，即電力電子技術課程的知識。實現(xiàn)了電機的調速，就要對電機的調速性能進行分析，判斷是否滿足工程實際的需要。通過分析會發(fā)現(xiàn)電機調速系統(tǒng)的機械特性軟，負載擾動變化對轉速影響比較大，因此需要進一步引入轉速調節(jié)器，實現(xiàn)單閉環(huán)控制，進而引入自控原理課程相關知識。穩(wěn)速性能解決了，但是在啟動和堵轉過程中，容易引起過流，出于安全考慮，引入電流截止負反饋。考慮生產效率，電機必須具有良好的動態(tài)性能，于是又進一步引入雙閉環(huán)控制……隨著問題的啟發(fā)式引入，整個課程像紐帶一樣將自動化許多課程知識串聯(lián)起來，除了運動控制系統(tǒng)知識外，也讓學生理解了其他專業(yè)課程知識的重要性。在知識貫穿的過程中，逐漸讓學生形成一個系統(tǒng)的觀念，理解前序課程之間的聯(lián)系，使學生在綜合運用所學知識解決本專業(yè)方向的實際問題方面得到系統(tǒng)性的訓練。

“運動控制系統(tǒng)”課程結構圖

整個直流調速部分圍繞“開環(huán)—單閉環(huán)—電流截至負反饋—雙閉環(huán)”這樣一個主線展開的，在章節(jié)設置上也是環(huán)環(huán)相扣，層層遞進。每一章都在解決電機調速的一個新問題，隨著問題的不斷深入，電機調速性能也不斷得到提升。整個課程完成了從建模、性能分析、調節(jié)器設計、仿真實驗以及改進修正這樣一個閉環(huán)過程，形成了一個復雜工程問題從發(fā)現(xiàn)、分析、解決到持續(xù)改進這樣一個閉環(huán)的整套流程。因此在教學設計中，可以采用啟發(fā)式、案例式、討論式及翻轉課堂相結合的教學方式，引導學生不斷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，由淺入深、層層深入，激發(fā)學生的學習興趣，使學生解決復雜工程問題能力得到有效提升。

運動控制系統(tǒng)課程實驗主要分為三部分：單閉環(huán)直流電動機的靜特性研究、雙閉環(huán)直流電動機調速系統(tǒng)實驗和雙閉環(huán)三項異步電動機調壓調速系統(tǒng)實驗。前兩個實驗采用軟件仿真，旨在夯實學生的理論知識、驗證控制算法的有效性、掌握比例積分的調節(jié)方法。最后一個實驗采用電機電力電子及電氣傳動教學實驗平臺進行操作，旨在讓學生了解三項異步電動機的工作原理，進一步理解雙閉環(huán)在控制交流電機調速中的作用。軟件仿真和硬件實驗操作相結合，不僅鍛煉了學生的編程能力，同時鍛煉學生硬件調試能力，對培養(yǎng)學生的實踐能力具有重要作用。

軟件仿真簡單易于實現(xiàn)，非常適用于控制器設計效果的分析和對比，學生可以課前在宿舍或圖書館，利用電腦提前熟悉軟件運行環(huán)境，這種仿真實驗很容易上手，但是抽象不具體。硬件實驗形象生動，對于學生充分理解電機的實際運行非常有幫助，但是由于“運動控制系統(tǒng)”課程的綜合性，硬件連線涉及電機、交直流變換等多部件的連線，操作有難度且容易出故障。且對于硬件實驗，學生只能依靠閱讀實驗操作手冊進行預習，實驗操作手冊一般只給出電路原理圖，離實物有一定的差距，且字數(shù)較多，閱讀起來容易枯燥，因此即便通過教師現(xiàn)場的講解，學生也很難在短短的四個學時時間內充分掌握實驗臺的操作和使用，對于出現(xiàn)的各種接線故障問題，學生也很難提前預判，實驗效果并不理想。為了解決這個問題，本課程對硬件實驗部分錄制了在線視頻，學生結合視頻講解和實驗操作手冊，可以很快掌握實驗的基本操作，不僅節(jié)約了學生預習時間，也提高了課堂的實驗效果，經(jīng)過一年的線上線下相結合實驗教學實踐，學生反饋效果良好，紛紛表示對這種實驗方式印象深刻，且收獲頗多。

三、課程評價

為了評價學生的學習效果，“運動控制系統(tǒng)”課程設置了多樣化的考核方式，包括作業(yè)、測驗、實驗。課堂測驗主要用于檢驗學生對知識點的掌握情況，作業(yè)和實驗則考查學生對知識的學以致用能力。與其他課程不同的是，本課程的作業(yè)和實驗不是獨立設置的，而是一個一體化環(huán)節(jié)，即教師給出一個工程實際問題，學生需要根據(jù)性能指標要求，對問題進行理論分析和設計，即作業(yè)部分；然后對作業(yè)里所設計的方法，利用現(xiàn)代工具進行模擬、預測和驗證，并對結果進行對比分析，即實驗部分。通過實驗仿真結果對比分析，學生可以發(fā)現(xiàn)設計方案的優(yōu)缺點，從而加以持續(xù)改進。因此，本門課雖然設置了多種考核方式，但作業(yè)（理論分析）和實驗（實驗驗證）其實都是圍繞解決同一個復雜工程的實踐問題，只不過課堂測驗是鞏固知識，作業(yè)和實驗是運用知識，作業(yè)部分是理論設計，實驗部分是驗證分析。課堂講授、測驗鞏固和作業(yè)實驗應用練習的合理搭配，不僅克服了理論和實驗聯(lián)系不緊密的問題，同時也使得學生專業(yè)知識的縱向深入得到有效提升。

“運動控制系統(tǒng)”課程最重要的知識輸出，就是讓學生學會利用工程設計方法處理工程實際問題。因此，本門課整個課程的學習階段都以電機調速為例貫穿講解工程設計方法的使用，在習題、測驗、作業(yè)等方面的設計大都與電機調速有關，但以此評價學生學以致用的能力還不夠。如果被控對象更換、問題變了，學生是否還能夠采用工程設計方法進行分析呢？因此，為了進一步評價學生的知識能力，本門課依托無人艇控制原理虛擬仿真實驗平臺，通過帶領學生了解無人艇軌跡跟蹤過程中遇到的問題，擬讓學生采用工程設計方法，結合應用實際設計調節(jié)器，提升無人艇的跟蹤性能。此環(huán)節(jié)的設置不僅能夠提高學生的知識面，而且能進一步鍛煉學生解決復雜工程問題的能力。

對于測驗和作業(yè)部分，可以通過批改，能比較容易看出學生的知識弱點，后期可以有針對性地進行查缺補漏。但對于實驗操作部分的評價，尤其是軟件仿真，僅從實驗結果難以評價學生對實驗知識的掌握程度，因此，有針對性的提問非常有必要。另外，為了提升考試水平，增加考試的靈活性，題庫建設尤為重要，并且隨著大綱的不斷更新，專業(yè)知識的更新迭代，題庫也要及時進行更新和補充。

四、課程思政

高等學校工科專業(yè)是培養(yǎng)工程技術人才的關鍵，是實現(xiàn)國家富強計劃中國夢的基石。在工科專業(yè)課中強化思政教育，是為國家培養(yǎng)合格的工程專業(yè)人才的高效途徑［8］。然而如何將思政元素自然而不生硬地引入課堂，做到課程思政能夠以潤物無聲的形態(tài)消化于課堂上并非易事。

“運動控制系統(tǒng)”課程，采用的是機械工業(yè)出版社出版的《電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)》教材，該教材的作者陳伯時老先生，是我國電氣傳動和電氣自動化學科的著名學者，也是這門學科的主要開創(chuàng)者，因此從教材本身出發(fā)，通過講述陳伯時老先生的事跡，既能讓學生了解本門課的發(fā)展史，又能讓學生學習陳伯時老先生的創(chuàng)新精神，對知識的學習抱有敬仰之心?！斑\動控制系統(tǒng)”課程主講電機調速，因此在課前勢必要介紹我國電機的發(fā)展，引入案例視頻，可以讓學生感到祖國的強大，增強民族自豪感。除此之外，在課程結束前布置的大作業(yè)，需要學生自己查找調速系統(tǒng)在工業(yè)或民用等領域的應用案例，在整個查閱準備資料的過程中，學生會深刻體會到電機調速技術的先進性。電機調速實驗部分接線復雜，一個線路接錯，就會導致跳閘甚至燒壞，且如果出現(xiàn)問題，學生要能夠判斷出問題所在，因此做實驗過程中，需要學生保持嚴謹、認真的科學態(tài)度，進而培養(yǎng)學生大國工匠精神。思政教育任重而道遠，如何使思政教育真正落地、使思政與知識教育相得益彰是每一位教師值得深入思考的重要問題，在以后的教學中還需要進一步深入挖掘。

結語

培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力是工程教育的一個重要方面，而如何做好教學、使學生在學習中受益良多對于教師來說也是一個復雜問題，需要綜合考慮學生的興趣、課堂的引入方式、作業(yè)題目的設計，如何與知識點的有機融合，等等。復雜問題的解決過程是一個長期的閉環(huán)過程，從問題的發(fā)現(xiàn)、分析、解決到持續(xù)改進，教學依然如此。以上是筆者在“運動控制系統(tǒng)”課程教學過程中的一些經(jīng)驗總結，希望能夠對其他教師有所幫助。

參考文獻：

［1］李志義，趙衛(wèi)兵.我國工程教育認證的最新進展［J］.高等工程教育研究，2021（05）：3943.

［2］高秀華，袁國，邱春林，等.基于解決復雜工程問題的課程教學實踐［J］.科教導刊，2021（08）：133135.

［3］彭文慶，朱永健，彭剛.基于“培養(yǎng)解決復雜工程問題能力”的工程教育專業(yè)認證探討［J］.當代教育理論與實踐，2017，9（06）：1418.

［4］徐振峰，孫強，胡學友，等.工程教育認證中復雜工程問題解析［J］.高教學刊，2023，9（13）：8588+93.

［5］李新德，閆冬文，李和清，等.“運動控制系統(tǒng)”課程設計在SRTP中的探索［J］.電氣電子教學學報，2023，45（06）：195198.

［6］佟偉.控制系統(tǒng)向智能高效發(fā)展［J］.現(xiàn)代制造，2022（07）：5.

［7］王俊偉，楊俊玲.基于OBE理念的現(xiàn)代控制理論教學改革研究與探討［J］.大學教育，2022（08）：8183.

［8］江春冬，劉斌，楊旭東，等.從教師角度思考運動控制系統(tǒng)課程的課程思政［J］.高教學刊，2022，8（04）：164167.