“运动控制系统”教学模式改革与实践探讨—基于CDIO理念

2011-08-15尚丽

苏州市职业大学学报 2011年1期

关键词：闭环运动工程

尚丽

(苏州市职业大学电子信息工程系，江苏苏州 215104)

“运动控制系统”教学模式改革与实践探讨—基于CDIO理念

尚丽

(苏州市职业大学电子信息工程系，江苏苏州 215104)

针对“运动控制系统”实际教学中存在的问题,结合现有教学条件,引入CDIO教学理念,探讨基于工程教育模式的“运动控制系统”教学改革方法和实践过程,在学习中逐步培养学生的现代工程意识,促进学生素质教育的发展和建设.

工程教育模式；CDIO；教学改革

Abstract:Based on the problems in the teaching of motion control system and the current teaching conditions, the paper discusses its teaching reform and practice on the basis of engineering teaching model by introducing CDIO concept. The teaching aims to cultivate the students’ awareness of modern engineering and promote their all-round development.

Key words:engineering teaching model; CDIO; motion control system; teaching innovation

“运动控制系统”是电气自动化技术、应用电子技术、电气工程等专业的一门重要专业课程[1].该课程理论比较深奥，但是应用性和实践性却很强，对培养学生的科学思维能力、分析和动手能力有很重要的作用.随着运动控制技术的发展，原有的课程结构、教学内容和方法已经不能适应现代工程教育的发展，虽然已有很多文献讨论了“运动控制系统”课程的理论教学和实践教学模式改革，但是这些教学模式改革涉及的内容大多是关于教学思想、教材选择、课程的内容整合及授课方法、实验指导方法、课程设计方法、课程考核方法、学生兴趣的激励与培养方法等.这种教学模式的改革仍是以理论教学为主，学生仍然脱离了工程实践的环境，其理论知识和实践能力仍得不到统一和提升.

针对上述“运动控制系统”实际教学中存在的问题，结合当前国际流行的工程教育理念—CDIO理念，探讨“运动控制系统”课程教学中基于CDIO标准的理论教学方法和实践过程，着力于在学习中逐步培养学生的现代工程意识，以提高学生的综合分析问题和解决问题的能力，激发学生的创新能力.

1 基于CDIO理念的课程教学组织内容和方法

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，是由美国麻省理工学院、瑞典皇家工学院、瑞典查尔摩斯工业大学和瑞典林雪平大学共同创立的工程教育改革模式[2-3].CDIO代表构思(conceive)、设计(design)、实现(implement)、运作(operate)，是“做中学”的一种模式，它以产品从研发到运行的生命周期为载体，使学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式进行学习[2-5].这种工程教育模式对学生的学习能力及对新技术的感知能力、理解和接受能力等提出了更高的要求.

“运动控制系统”课程的知识综合性很强，覆盖面较宽，课程依赖的基础知识和课程内容更新速度较快，课程的理论和应用联系较密切，工程实用性非常强[6-8].这就要求在该课程的教学中要体现出工程应用背景，要求教师在教学中对电路、电机、电力电子技术、计算机控制技术等前期学过的课程内容进行横向和纵向的连贯设计，体现CDIO模式中的集成课程设计的理念[9].同时，结合工业界的新工具、新技术、新设计理念，编写适合学生的校本教材，更新教学内容.

在CDIO理念下，为了突出学生的主体地位、教师的主导地位，教师在教学中要发挥正确的引导作用，要有计划有步骤地将CDIO思想贯穿于整个教学过程之中.因此，将“运动控制系统”课程教学过程分成四个部分:课堂讲授、个人作业、小组项目、个人项目.

1) 课堂讲授.在课堂教学中，首先以教师主讲形式进行，回顾基础知识点、提领重点、提出问题、进行仿真分析、进行章节总结等，然后让学生来主讲，根据学生自己的理解，针对关键问题，回顾所学内容，对学习过的内容进行叙述，交流自己掌握的知识及学习体会.教师在听取学生说课和回答问题的过程中，可以摸清学生对知识点的理解和掌握程度，对其中的错误概念和理解及时给予指导、纠正.

2) 个人作业.针对直流调速和交流调速的内容，按照教学知识顺序和知识的链接性，设计个人作业题目，如直流电机开环调速系统，直流单闭环调速系统，转速、电流双闭环直流调速系统等.每次作业都是下一次作业的基础，使学生认识到从产品到开发的连续性，不断建立工程理念.学生个人作业主要是课外研究的内容，以调动其学习的主观能动性和创造性等.

3) 小组项目.小组项目强调团队协作意识、人际关系处理能力和综合创新能力.教学过程中，在学完一些典型调速系统后，就给学生布置一些综合性较强的主题，让学生根据自己的兴趣及能力自主选择主题，然后自由组成小组.每组学生自己分解任务、安排进度，各尽所能地完成收集主题资料、设计方案、画出电路图或结构图等任务，同时，还要与项目组的其他成员相互交流.到学期末，各小组进行整合，相互答辩，并在实验室测试验收，形成一个完整的产品.通过小组项目，不断强化学生团队价值观、以产品为导向的学习习惯等CDIO的核心思想[9-10].

4) 个人项目.此项目主要针对理论知识掌握较好，知识接受能力极强的学生，在小组项目的基础上，综合应用所学专业知识，并能应用较新的专业技术对项目内容进行拓展，提升学生的工程实践能力，锻炼学生的创新能力.

2 CDIO理念下的教学项目模块设计

最早的项目教学法是由德国联邦职教所在2003年7月制定的，该方法以行动为导向，使项目成为学生学习的基本载体，将理论和实践较好地结合在一起，对学生的专业知识、操作技能与职业能力的培养起到了较大作用[10].然而，我国目前对项目教学法的认识还存在一些误区，使项目学习实际变为一种案例操作，注重技能训练的熟练程度，虽然对职业能力的培养起到了一定的作用，但与教育部所提倡的可持续发展能力的要求相比，忽视了一个完整项目的工作过程，使学生主动完成任务与做成事的能力得不到发展，而它是“做中学”和“基于项目教育和学习”的集中概括和抽象表达，它以工程项目从研发到运行的生命周期为载体，使学生通过主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程，养成现代工程技术的职业素养.

基于对项目教学的反思和CDIO的认识，在“运动控制系统”课程中设计了典型调速系统的项目教学模块，比如有静差转速单闭环直流调速系统、无静差单闭环直流调速系统、转速电流双闭环直流调速系统、PWM直流调速系统，交流调压调速系统、串级调速系统、异步电动机变压变频调速系统，单片机控制的数字直流单闭环和双闭环调速系统等[6-8].从转速单闭环直流调速系统开始，让学生把硬件系统拆分，从调速需要的直流电源、转速控制器、直流电机、发电机测速等环节逐步熟悉其硬件特性，在熟悉和掌握其基本原理后，再动手连接成一个完整的单闭环控制系统，对系统的闭环调速性能进行调试、分析、总结，在此过程中，对出现的调速问题要求学生自己动手解决，教师只是及时给予一些理论指导.在完成单闭环直流调速系统的项目训练后，逐步让学生熟悉更复杂的调速系统.

3 CDIO理念下的实践环节教学方式

“运动控制系统”的实践教学环节有实验、课程设计和实训等.传统的实践教学环节都是以硬件设备为主.由于该课程属于强电实践环节，对学生来说，有一定的人身安全隐患.另外，在教学中发现大多数学生对怎样正确接线、怎样调节参数、怎样分析实测得到的数据、怎样评判调速系统的性能等问题十分茫然.针对这种情况，结合目前计算机技术的发展，在该课程的教学中引入计算机仿真技术，为应用系统的研究提供强大的工具[1].目前,在运动控制系统中引入MATLAB/Simulink仿真技术已在教学中广泛应用[8].通过仿真，学生可以对各模块性能、电路连接情况有所了解并直观地看到仿真结果，通过对仿真参数进行调整，可以使学生了解参数变化对系统性能的影响，在硬件实验之前就能对系统电路有一定程度的了解，尽可能地避免因不熟悉实验线路而导致的实验设备的损坏和人身危险等情况的发生，同时大大减少实验室工作人员的维护工作量，减少设备维修费用.在教学中设计典型调速系统的仿真模型，并同时使用GUI技术设计可视化的界面，操作方便、直观.通过GUI界面，学生可以进入教师指定的实验项目，链接Simulink仿真环境并打开实验项目的仿真模型，设置和调整仿真参数，进行仿真试验，或者任意进入感兴趣的实验项目，同时链接打开仿真实验指导书和硬件实验指导书，进行自学.同时，仿真实验平台还提供了对应实验项目的仿真实例，学生可以通过仿真实验结果进行比较分析，主动发现实验中存在的问题，锻炼独立思考问题、分析问题的能力.

在熟悉仿真模型的建立过程、分析过程和仿真结果后，再让学生进入模拟实验室连接实际的电路.由于学生已经通过仿真对控制系统的组成结构和调速方法有了直观的认识和理解，所以在电路连接、参数设置、调速性能等方面都有了一定的基础，不容易出错.同时以仿真数据为依据，学生可以自己查找一些故障，调整系统参数，最终实现硬件系统的调速过程.

除了正常的实践教学环节外，这种仿真和模拟实验相结合的一体化教学方式也可以进一步应用到学生的毕业设计环节.这种方式使得学生在课程学习过程中真正具有工程环境学习的意识，进一步促进学生现代工程意识的培养.

4 CDIO理念下的课程考核与评价

传统的“运动控制系统”课程考核包括期末考试、期中考试、实验和课堂作业四个部分，比例分配是60%∶20%∶15%∶5%.而在CDIO模式下，则是根据课程教学的四个部分:课堂讲授、个人作业、小组项目、个人项目分别进行测试，然后再考虑权重加权求和，给出课程的综合评价.将考核方式在课堂上公布后，让学生提意见，然后再根据学生的意见进行适当调整，尽可能使考核公平、公正、灵活.其中，课程讲授的理论部分仍然采用传统的笔试测试，课堂作业根据学生完成情况打分;而个人作业要根据学生完成过程中体现出来的知识内容连续性、创新性和执行情况、完成情况等进行评判;小组项目则要根据学生的自我评价、同伴评价、口头测试、自己负责部分的完成情况及整个产品的完成情况等综合评价;个人项目则主要根据学生的设计方案、独立分析能力、独立解决问题能力、完成项目测试、独立发表的研究论文情况等方面评价.另外，授课教师根据学生考核评价的反馈结果，再及时调整课程的教学内容，改进教学方法和教学手段.

5 结论

根据“运动控制系统”课程的特点，在教学中引入CDIO教育理念以突出其工程应用背景.从课程的教学内容组织手段、教学项目模块设计、实践教学环节和课程的评价方法等几个方面进行探讨，为“运动控制系统”课程的建设和发展提供了新的途径，同时对于提高课程教学质量和教学效果，培养学生的综合实践与创新能力，培养学生的现代工程意识均有积极意义.另外，CDIO的工程教育模式符合了当前高等教育改革的趋势，随着CDIO工程教育模式在国内的提倡和推广，越来越多的高校教师已接受了CDIO理念，特别是高职院校的教师，自觉积累实际工程经验，积极参与基于CDIO模式的教学建设.而且，由于“运动控制系统”是电力电子专业方向和自动化专业的必修课程，是一门把理论基础和工具应用到工程实践中去的典范课程，因此对该课程的CDIO教学模式的研究和探讨不论是现在还是将来，都是需要关注的一个重要研究课题.

[1] 尚丽. 运动控制系统课程建设及发展构想[J]. 苏州市职业大学学报,2007,18(4):96-98.

[2] 顾学雍. 联结理论与实践的CDIO—清华大学创新性工程教育的探索[J]. 高等工程教育研究,2009 (1):11-23.

[3] 查建中. 论“做中学”战略下的CDIO模式[J]. 高等工程教育研究,2008(3):1-9.

[4] 高雪梅,孙子文,纪志成,等. CDIO方法与我国高等工程教育改革[J]. 江苏高教,2008(5):69-71.

[5] 陶勇芳,商存慧. CDIO大纲对高等工科教育创新的启示[J]. 中国高教研究,2006(11):81-83.

[6] 高林,韩宁,刘文定,等. 运动控制系统课程多环节教学模式的探讨[J]. 中国现代教育装备,2008(7):78-79.

[7] 周亚丽. “运动控制系统”课程改革与实践[J]. 科技信息,2007(5):113,108.

[8] 沈艳霞,赵芝璞,纪志成,等．Matlab/Simulink在运动控制系统教学中的应用[J]. 贵州大学学报:自然科学版,2005,22(4):435-438．

[9] 潘庭龙,沈艳霞. CDIO模式下“运动控制系统”课程教学体系研究[J]. 中国电力教育,2009(24):129-130.

[10] 张兴强. CDIO高等工程教育模式的研究与应用[J]. 中国科技信息,2008(23):55-56.

(责任编辑: 时新)

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