“运动控制系统”课程网络化教学的探讨

李新德，孙家明

(东南大学自动化学院，江苏 南京 210096)

随着计算机网络和多媒体技术的不断发展和日趋成熟，将传统教学方式进行网络化改造已是现代化教学的必由之路。“运动控制系统”课程是电气自动化专业的主要专业课，如何将这门课进行网络化改造，以提高教学水平，是一个值得深入探讨的课题[1，2]。

1 网络化教改的必要性

“运动控制系统”课程具有知识面宽、系统集成化程度高和实践性强的特点，和本科阶段的“电力电子技术”、“自动控制原理”、“单片机原理”和“模拟电子技术”等课程关系紧密。例如针对直流电动机的转速和电流双闭环调速系统，学生必须掌握电机原理，模拟电路和自动控制原理中的PID调节等知识。如果进行相关的实验或动手制作简单的控制电路板，还必须掌握电路设计、单片机使用和印制电路板制作等技能。然而，教师不可能在一门课程中面面俱到讲到所有相关课程中的知识点，也很难在课堂上兼顾到所有参差不齐的学生，因此有必要对教学方法进行改革和创新。以便提高本课程的教学水平，也为学生建立课程间的横向知识网络提供帮助。

“运动控制系统”课程网络化改造是一个具有现实意义并符合发展趋势的教学方法改革。网络化改造完成后，课程可以成为一个开放式的学习平台。学生不仅可以随时随地通过网络获取到图文并茂的课件，还能方便地和师生进行在线交流，及时解决学习过程中遇到的问题。

“运动控制系统”这门课程实现网络化教学的目的就是化解课堂时间少和课程所需知识面宽和实践性强之间的矛盾，让学生能够通过计算机在网络平台上随时随地学习内容丰富的课件资源。通过课件中的知识索引和导航获取相关的课程知识点，并能够在线得到教师的答疑和辅导，实现实验室电机在线远程实验，进行运动控制虚拟实验、控制电路板的制作和远程电机控制等[3]。

2 网络化教学资源构建

2.1 资源总体框架

我院的“运动控制系统”网络化教学平台主要致力于成为一个侧重师生参与互动和学生实践的开放性学习平台。当然，生动新颖的多媒体课件等学习资料不可或缺，这是学生学习和培养兴趣的起点。目前，平台以虚拟仿真实验、远程监控和直流控制电路板制作三个实践性环节作为整个教学系统实践部分的核心，平台结构框架如图1所示。

图1 网络化教学平台框架结构

由图1可知，网络教学平台主要分为“信息共享”、“师生交互”和“学生实践”三个部分。“信息共享”区主要是教师上传以及学生共享的多媒体课件，内容侧重于表现形式多样和相关知识点导航;“师生交互”区通过应用网页内嵌的实时聊天工具(如WEBQQ)、BBS讨论区和网络聊天室等实现师生间的交流互动;“学生实践”区按照学生认知发展的规律提供三个实践环节:Matlab虚拟实验、电机远程监控和直流控制电路板制作。鉴于篇幅，这里主要介绍学生实践环节的三个内容。

2.2 Matlab 虚拟实验

利用计算机软件进行虚拟电机控制实验是学生在学习理论知识以后实践电机控制原理和进行控制实物电机实验之前的重要一步[4]。学生利用Matlab软件的Power System Blockset(PSB)工具箱可以方便在Simulink环境下进行电机控制系统的建模仿真，还可以观察仿真的执行过程。因此，选用Matlab软件开发“运动控制系统”课程的虚拟实验比较合适。

使用Matlab进行电机虚拟实验的步骤一般分为:①建立模型;②设置模型参数;③模型仿真;④观测仿真结果。

2.3 电机远程控制实验

尽管基于Matlab的虚拟电机实验，学生可以针对直流电机和交流电机建立模型进行仿真从而获得电机的转速和电流曲线图。但是，停留在这个阶段学生无法建立起实物电机控制的感性认识，所以虚拟实验之后学生应进行实物电机实验。现阶段由于存在实验室硬件资源有限和校区之间距离较远给学生做实验带来不便等问题，我们在网络化教学平台上加入了基于嵌入Internet技术的电机远程控制的实验[5]。学生可以通过IE浏览器对实验室中电机进行控制，并观察电机的实时运行状况。

如图2所示，电机远程控制系统主要由现场嵌入式WEB服务器模块、交直流电机控制模块以及电机构成。

图2 电机远程控制系统结构图

学生通过IE浏览器(客户端)登录到实验室本地的嵌入式WEB服务器，打开远程控制的页面进行实验。嵌入式WEB服务器是实现远程控制的中枢，一方面接收远程客户端(学生)发来的控制指令，通过RS232总线传给电机控制模块，实现客户端对实验室电机的控制;另一方面，它将电机的运行状态传送给远程客户端，实现对电机的监视。

2.4 控制电路板的制作

经过以上两个实践环节，学生基本学会了利用Matlab软件提供的功能模块搭建电机控制系统，并有了控制真实电机工作的直观感受，于是很自然地产生了自己动手制作简单的电机控制电路的想法。但对于从未接触印制电路板制作的学生来说，这是一件比较困难的事情。网络教学平台上“直流控制电路板制作”这个实践部分的目的就是对学生进行动手技能的辅导，帮助他们制作出自己的直流电机控制板。鉴于难度的考虑，这里选择较易实现的“基于51单片机的直流电机PWM调速系统”作为制作的内容。

网络教学平台按照电路板制作的一般周期分步骤让学生实现。主要顺序如图3所示。

图3 印制电路板制作的步骤

制作电路板的过程中，教师可以采用集中在线答疑或者进行集中现场指导。网络化教学中如果采用师生间面对面交流，不仅可以拉近师生关系，而且使学生更有热情参与到本课程的网络教学中。

在电路板制作过程中，可在网上帮助学生统一采购元器件和焊接制作工具，给出电路板制作应注意的常见和典型问题，并提供在线答疑和留言窗口。

3 结语

本文针对“运动控制系统”课程的特点提出了对其进行网络化改造的方法，主要以培养学生自主学习和动手实践能力为核心构建了梯次递进、层层提高的网络化教学资源。学生通过本网络化教学平台不仅能够建立起课程间的横向知识网络，而且能在虚拟实验和制作控制板的过程中充分发挥自己的学习主动性和创造力。

[1]孙曜.《运动控制系统》综合型数字化实验室建设[J].成都:实验科学与技术，2008，6(2):144-146

[2]李新德，郝立，孟正大，戴先中.“电力拖动与运动控制系统”课程教学方法探讨[J].南京:电气电子教学学报，2009，31(6):94-95

[3]成谢锋，蒋桂霞，冯志全，张少白.电工电子网络化教学系统[J].青岛:青岛大学学报(工程技术版)，2001，16(3):102-103

[4]汪小平，洪乃刚，范国伟.电机和电力拖动控制系统课程虚拟实验的开发[J].安徽:安徽工业大学学报，2007，24(5):131-132

[5]徐淑萍，梁晨艳，苏小会，白晓军.基于嵌入式Web服务器的远程电机测量控制系统[J].南京:计算机测量与控制，2010，18(5):1058-1060