林 健 汪木蘭 盛黨紅

南京工程學(xué)院 江蘇南京 211167

自動化專業(yè)培養(yǎng)內(nèi)容主要包括兩大方向，即運(yùn)動控制與過程控制，因此運(yùn)動控制類課程群是自動化專業(yè)核心課程群，包括電機(jī)與電力拖動基礎(chǔ)、自動控制原理、電力電子技術(shù)、控制系統(tǒng)Matlab仿真實(shí)習(xí)、單片機(jī)原理及應(yīng)用和運(yùn)動控制系統(tǒng)等專業(yè)主干課程，其實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)尤其重要，教學(xué)效果直接影響到學(xué)生能否建立最基本的工程素質(zhì)和技能，能否樹立專業(yè)意識和是否形成學(xué)習(xí)興趣[1]。而對于目前的運(yùn)動控制類課程，學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)是依附于理論教學(xué)的，實(shí)踐教學(xué)模式單一、被動，實(shí)踐資源難以獲得有效的開發(fā)與利用，學(xué)生也無法獲得系統(tǒng)的工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，主要表現(xiàn)在：

(1)理論課程之間缺乏聯(lián)系。課程設(shè)置延續(xù)基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課的三段式課程模式，缺少以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力為導(dǎo)向的模塊化整合。課程教學(xué)過程中忽視同系列課程之間和教師之間的承接與相互聯(lián)系，缺乏通過項(xiàng)目式的應(yīng)用和開發(fā)案例講述知識點(diǎn)的教學(xué)方法。

(2)實(shí)踐環(huán)節(jié)之間缺乏聯(lián)系。運(yùn)動控制類課程的實(shí)踐教學(xué)以課程為單位，實(shí)行的是“課程實(shí)驗(yàn)→課程設(shè)計(jì)”的模式，只完成對某一特定課程知識的驗(yàn)證和鞏固，各課程實(shí)踐環(huán)節(jié)之間缺乏聯(lián)系，缺少以相關(guān)能力為導(dǎo)向的綜合實(shí)踐能力環(huán)節(jié)，造成學(xué)生掌握知識零散，與工程實(shí)際偏離較大，實(shí)踐教學(xué)安排不能反映現(xiàn)代控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思想。在此模式下，學(xué)生雖然完成了每門課程的實(shí)踐任務(wù)，但是依舊難以建立起工程系統(tǒng)的概念，這對自動化專業(yè)的學(xué)生來說，是一個(gè)軟肋。

(3)理論課程與實(shí)踐環(huán)節(jié)之間缺乏聯(lián)系。課程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)，理論課授課教師不參與實(shí)踐教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教師也不參與理論教學(xué)環(huán)節(jié)，造成學(xué)生無法將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論知識聯(lián)系。以實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到正確結(jié)果后即宣告實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理、現(xiàn)象與理論知識點(diǎn)之間的聯(lián)系不予講授。實(shí)踐教學(xué)模式單一，教學(xué)手段及內(nèi)容陳舊，學(xué)生可參與的互動極少，對知識的被動接受導(dǎo)致學(xué)生創(chuàng)新能力受限。

(4)學(xué)生的工程素質(zhì)和技能不能得到有效培養(yǎng)和訓(xùn)練。由于缺乏理論與實(shí)踐的關(guān)聯(lián)，學(xué)生頭腦中零散的知識無法系統(tǒng)化，最直接的例子就是學(xué)生不知如何選擇器件去搭建一個(gè)完整的運(yùn)動控制系統(tǒng)，更不知道如何進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)和成本控制。

1 立體化實(shí)踐教學(xué)體系的內(nèi)涵

立體化實(shí)踐教學(xué)模式，從“學(xué)以致用”人才培養(yǎng)理念出發(fā)，即以學(xué)生興趣和能力培養(yǎng)為核心，以課程群為教學(xué)單元組織實(shí)踐教學(xué)，實(shí)施以學(xué)生為主體，教師為引導(dǎo)的自主學(xué)習(xí)模式，建立多途徑、多層次的立體化實(shí)踐教學(xué)體系，其目標(biāo)是在興趣中培養(yǎng)能力，同時(shí)配合教學(xué)目標(biāo)對不同層次的學(xué)生進(jìn)行立體化培養(yǎng)。為此，需要根據(jù)運(yùn)動類課程的特點(diǎn)，整合課程資源，按照“應(yīng)用性”原則，對傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改造與創(chuàng)新[2]。

立體化實(shí)踐教學(xué)模式的出發(fā)點(diǎn)是師生互動，切入點(diǎn)是邊學(xué)邊做，落腳點(diǎn)是調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、創(chuàng)造性，尤為強(qiáng)調(diào)個(gè)性的發(fā)揮，強(qiáng)調(diào)不同層次學(xué)生的個(gè)性化教育，注重理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的相互滲透，遵循教育認(rèn)知規(guī)律，構(gòu)建由低到高的遞進(jìn)式教學(xué)層級，教學(xué)過程體現(xiàn)了實(shí)踐環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性、層次性、自主性、開放性等特點(diǎn)。

2 改革措施

為了克服當(dāng)前運(yùn)動控制類課程實(shí)踐教學(xué)分散的缺陷，在對原實(shí)踐教學(xué)體系分析研究的基礎(chǔ)上，我們將運(yùn)動控制類課程群的教學(xué)內(nèi)容與體系進(jìn)行立體化重組和改造，注重各種實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的有機(jī)銜接、緊密配合，建立以提升實(shí)踐能力為核心，理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合、虛擬與現(xiàn)實(shí)融合、課內(nèi)與課外融合的立體化實(shí)踐教學(xué)模式。同時(shí)建立從專業(yè)實(shí)驗(yàn)室、實(shí)習(xí)基地到校企共建實(shí)驗(yàn)室，從大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室到學(xué)科重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及功能配套齊全的立體化實(shí)踐教學(xué)平臺，形成完整、科學(xué)的實(shí)踐教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)大學(xué)生工程應(yīng)用能力的立體化培養(yǎng)。

2.1 運(yùn)動控制類課程群的構(gòu)建

我們打破傳統(tǒng)的課程體系，按照本專業(yè)現(xiàn)場工程師培養(yǎng)目標(biāo)要求，有針對性地構(gòu)建模塊化的課程體系，提高學(xué)生在行業(yè)中的競爭力[3]。運(yùn)動控制類課程群中的電機(jī)與電力拖動基礎(chǔ)屬于控制對象的范疇，自動控制原理屬于控制方法的范疇，電力電子技術(shù)和單片機(jī)原理及應(yīng)用則屬于控制工具的范疇，這4門專業(yè)基礎(chǔ)課共同構(gòu)成運(yùn)動控制的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)Matlab仿真實(shí)習(xí)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制系統(tǒng)的虛擬設(shè)計(jì)，運(yùn)動控制系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)，這2門課綜合各專業(yè)基礎(chǔ)課程內(nèi)容并將其提升為系統(tǒng)化的應(yīng)用。

為了構(gòu)建一個(gè)符合認(rèn)知規(guī)律、具有層次的模塊化課程體系，我們采取了以下措施：首先，精簡各門課程中重復(fù)的內(nèi)容，如運(yùn)動控制系統(tǒng)中電力電子器件內(nèi)容在電力電子技術(shù)中已有詳細(xì)介紹，通過重組可避免重復(fù)講授；自動控制原中關(guān)于運(yùn)動控制系統(tǒng)仿真的內(nèi)容可在控制系統(tǒng)Matlab仿真實(shí)習(xí)中教授。其次，強(qiáng)化各專業(yè)基礎(chǔ)課程中與運(yùn)動控制有關(guān)的知識點(diǎn)，如在電力電子技術(shù)中介紹PWM整流電路控制方法時(shí)可以舉直流電機(jī)PWM調(diào)速的實(shí)例，在自動控制原理課程中介紹自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法時(shí)可以運(yùn)動控制系統(tǒng)為例。優(yōu)化后的運(yùn)動控制類課程群具有整體性、連續(xù)性，可有效解決各理論課程的銜接與綜合問題。

為了加強(qiáng)各課程實(shí)踐環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，在運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，開設(shè)涵蓋多課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，譬如直流電機(jī)PID速度控制實(shí)驗(yàn)，綜合了自動控制原理與運(yùn)動控制系統(tǒng)兩門課程的知識，學(xué)生可自行選擇實(shí)驗(yàn)方法和步驟，選用儀器設(shè)備，提出實(shí)驗(yàn)預(yù)案，完成參數(shù)選擇，經(jīng)教師同意后獨(dú)立操作完成。

2.2 理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合

根據(jù)理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)原則，將理論教學(xué)滲透到實(shí)踐教學(xué)中去，使學(xué)生在動手實(shí)驗(yàn)中理解與接受理論，同時(shí)訓(xùn)練技能，手腦并用，有利于對知識的理解與記憶，從而形成“實(shí)踐—理論—能力”的教學(xué)模式，是“學(xué)以致用”思想的體現(xiàn)。

對于理論與實(shí)踐并重的電機(jī)與電力拖動基礎(chǔ)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、電力電子技術(shù)等課程，將部分實(shí)踐性強(qiáng)的章節(jié)安排在相應(yīng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室講授。學(xué)生先動手實(shí)踐，獲得一定的感性認(rèn)識，再配合教師有計(jì)劃的引申教學(xué)，在興趣中消化理解抽象的理論知識。例如：運(yùn)動控制系統(tǒng)課程無刷直流電機(jī)電子換向的教學(xué)可在無刷直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置上開展，學(xué)生可在示波器上實(shí)時(shí)觀察到霍爾波形與控制信號，換向邏輯一目了然，同時(shí)可以直觀地掌握無刷直流電機(jī)的控制方法，在有限的課時(shí)中獲得技能與理論的雙豐收。

對于實(shí)踐性強(qiáng)的控制系統(tǒng)Matlab仿真實(shí)習(xí)課程可直接在實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，在理論講授的同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動控制系統(tǒng)的仿真與驗(yàn)證，學(xué)生通過直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將理性知識快速強(qiáng)化。

2.3 虛擬與現(xiàn)實(shí)融合

如果學(xué)完所有運(yùn)動控制課程后，馬上讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的運(yùn)動控制系統(tǒng)，跳躍性太大，學(xué)生會因頻繁失誤而失去信心，此時(shí)，若采用“虛實(shí)結(jié)合”的方法讓學(xué)生掌握運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程和方法，則效果更好。

虛擬仿真在運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有重要作用，它可使學(xué)生從枯燥的理論分析計(jì)算中解脫出來，形象直觀地認(rèn)知系統(tǒng)中的抽象知識，同時(shí)仿真軟件提供了優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能，可以觀察系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)變化對輸出的影響，培養(yǎng)學(xué)生有效利用仿真手段解決設(shè)計(jì)問題的能力[4,5]。但如果因此認(rèn)為仿真技術(shù)可以代替實(shí)際設(shè)計(jì)，也是不可取的，學(xué)生要具備扎實(shí)的運(yùn)動控制設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和能力，仍需要實(shí)際設(shè)計(jì)與動手操作。因此，將仿真與實(shí)際操作相結(jié)合，能更有效地達(dá)到實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)。

倒立擺實(shí)驗(yàn)裝置為實(shí)現(xiàn)這一教學(xué)改革提供了很好的實(shí)驗(yàn)平臺。學(xué)生通過虛擬的Matlab仿真實(shí)習(xí)掌握運(yùn)動控制系統(tǒng)建模、設(shè)計(jì)與校正的一般方法，向工程實(shí)際靠近了一步。在此基礎(chǔ)上，將倒立擺控制與Matlab仿真軟件相結(jié)合(即虛實(shí)結(jié)合)，學(xué)生在Matlab環(huán)境中建立倒立擺運(yùn)動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，使其達(dá)到控制要求，經(jīng)仿真驗(yàn)證成功的控制參數(shù)可直接下載到驅(qū)動器中控制倒立擺的平衡。學(xué)生在這種虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式中，掌握各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，進(jìn)一步學(xué)會運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程及分析方法，同時(shí)充分理解仿真在實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的輔助與驗(yàn)證作用，明白仿真成功與實(shí)際控制成功之間的聯(lián)系與區(qū)別，啟發(fā)學(xué)生多向思維和設(shè)計(jì)思路，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造靈感和創(chuàng)新欲望。

2.4 課內(nèi)與課外融合

學(xué)生要真正掌握實(shí)際運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要領(lǐng)和實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，僅靠課內(nèi)教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要課外大量“真刀實(shí)槍”的實(shí)踐。為了實(shí)現(xiàn)課內(nèi)與課外的融合，我們主要采取了三種途徑：

(1)充分利用大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的開放和研發(fā)條件。我校自動化專業(yè)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)不同培養(yǎng)目標(biāo)的特點(diǎn)制訂不同的開放模式。實(shí)驗(yàn)室開放后，學(xué)生可以靈活地選擇實(shí)踐內(nèi)容和時(shí)間。實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、經(jīng)費(fèi)，授課教師圍繞課程主題精心設(shè)計(jì)課外創(chuàng)新項(xiàng)目，如電動自行車控制器、數(shù)控伺服控制器等，分析任務(wù)并給出完成該任務(wù)的思路、方法、步驟。設(shè)計(jì)任務(wù)在課程理論教學(xué)開始4周內(nèi)以項(xiàng)目的形式下達(dá)，學(xué)生在進(jìn)行理論知識學(xué)習(xí)的同時(shí)，可以同步進(jìn)行自己所選擇項(xiàng)目的方案規(guī)劃，同時(shí)有針對性地進(jìn)行相關(guān)知識點(diǎn)的深入研究，然后借助Proteus仿真環(huán)境進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件編寫，并對其調(diào)試，在調(diào)試成功后，進(jìn)行元器件的購買和電路板的制作，最終完成硬件與軟件系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。

(2)依靠運(yùn)動控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的教師科研隊(duì)伍，建立優(yōu)秀生滾動選拔機(jī)制。優(yōu)秀生通過雙向選擇確定導(dǎo)師，制訂個(gè)性化培養(yǎng)計(jì)劃，進(jìn)入導(dǎo)師科研項(xiàng)目組，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下圍繞先進(jìn)運(yùn)動控制方向接受科研訓(xùn)練，有目的、有方向、有計(jì)劃地開展創(chuàng)新實(shí)踐活動。由于依托學(xué)科優(yōu)勢，項(xiàng)目起點(diǎn)高，可以極大提高學(xué)生在運(yùn)動控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)等方面的綜合能力。

(3)圍繞校企共建的各類先進(jìn)運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)室，我們在運(yùn)動控制類課程群中大量采用工業(yè)項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。校工程實(shí)訓(xùn)中心包含以下與運(yùn)動控制相關(guān)的校企共建實(shí)驗(yàn)室：Fanuc數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用中心、三菱自動化實(shí)驗(yàn)室、GE-Fanuc自動化系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)室、西門子自動化技術(shù)聯(lián)合示范實(shí)驗(yàn)中心、博世力士樂機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)中心等，我校充分利用這些世界一流公司的產(chǎn)品和技術(shù)開展項(xiàng)目教學(xué)、現(xiàn)場教學(xué)和案例教學(xué)，使學(xué)生在相關(guān)領(lǐng)域具有扎實(shí)的實(shí)踐能力與寬闊的視野。學(xué)生在共建實(shí)驗(yàn)室集中培訓(xùn)一段時(shí)間后，如果達(dá)到企業(yè)的認(rèn)證要求，可以獲得企業(yè)不同層次的職業(yè)資格證書，提高了學(xué)生的就業(yè)競爭力。

3 改革成效

運(yùn)動控制類課程群實(shí)踐教學(xué)體系運(yùn)用立體化教學(xué)模式，突破了傳統(tǒng)單向死板的以知識傳授為主的教學(xué)模式，為學(xué)生提供了一個(gè)親自參與、形象直觀的交互環(huán)境，尊重學(xué)生的主體意識，為學(xué)生思考、探索和創(chuàng)造提供了巨大的空間。該教學(xué)法是以學(xué)生為中心，以學(xué)生自主活動為基礎(chǔ)，學(xué)生在活動和實(shí)踐中，變被動學(xué)習(xí)為主動且有創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)，并能在學(xué)習(xí)中與他人相互協(xié)作。該教學(xué)法充分體現(xiàn)了在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，在探索中學(xué)習(xí)，在協(xié)作中學(xué)習(xí)的人才培養(yǎng)目的。學(xué)生的運(yùn)動控制實(shí)踐與創(chuàng)新能力得到大幅提高。

在近三年自動化專業(yè)省級與校級優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)作品中，運(yùn)動控制類選題占2/3以上。同時(shí)，在各類機(jī)器人大賽中我校自動化專業(yè)學(xué)生頻頻獲獎(jiǎng)。2011年，我校自動化專業(yè)學(xué)生獲得中國水中機(jī)器人大賽暨首屆水中機(jī)器人國際邀請賽一等獎(jiǎng)1項(xiàng)；獲中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)9項(xiàng)，三等獎(jiǎng)5項(xiàng)；獲第五屆“三菱電機(jī)自動化杯”大學(xué)生自動化大賽暨自動化創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽特等獎(jiǎng)1項(xiàng)。2012年，自動化專業(yè)學(xué)生獲得中國水中機(jī)器人大賽暨首屆水中機(jī)器人國際邀請賽一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，三等獎(jiǎng)4項(xiàng)；獲全國電老鼠走迷宮競賽華東賽區(qū)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)；獲第七屆飛思卡爾智能車大賽華東賽區(qū)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，三等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

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