“运动控制系统”实验教学改革的探索

刘丽俊，赵明伟，刘海宽

(江苏师范大学 电气学院，江苏 徐州221116)

运动控制作为自动化分支之一，在各行业具有广泛的工程应用背景。“运动控制系统”实践课程是课程教学的重要组成部分，其主要任务是结合工程背景，使学生通过实验平台了解运动控制系统的构成，掌握测量、分析和设计运动控制系统的方法、手段，以及实验技术、实验理论、研究方法;掌握常规的运动控制系统仪器、控制设备的使用。

目前，我院电力电子、电力拖动相关课程实验室的现有实验装置都是模拟控制装置。它们以演示性、验证性的实验为主，缺少综合性、设计性和研究性实验。实验内容单一，学生不清楚所学知识如何运用，难以实现分析和解决问题能力和创新能力的培养［1］。为此，需要对“运动控制系统”实验教学进行改革，构建新的实验教学体系，改变传统实验教学方式，改善实验教学手段。本文就我院“运动控制系统”实验教学改革的有关问题进行探讨。

1 教学改革的目标和基本思路

实验教学改革的思路是:以培养学生实践能力和创新能力为核心，与课程改革和课程建设同步，和理论教学相互依托形成良性互动;坚持课内和课外结合:课内注重问题引导、案例示范和启发创新思维，课外实践重在自主设计和研究，为学生参加工程实践和研究创新实验创造良好的条件和环境［2］。

改革的目标为:①突破实验教学依附于理论教学的传统观念，开设包括基本性、综合设计性、研究创新性三种类型的实验课程，建立相对独立于理论教学的新型三层次的实验、实践教学体系;②建设实验示范中心，建立理论教学、实验教学和实践教学有机结合的“运动控制系统”课程教学新体系;③实现实验教学资源的开放和共享，实现由单向知识传授的教学模式向知识传授与创新教育相结合的研究型教学模式转变;④充分利用计算机、网络通信技术，建立网络化实验教学平台，开发虚拟实验、实践课件和实验教学网络资源，实现网上辅助实验教学，为教师和学生提供网络实验教学的环境。

2 深化实验教学改革

2.1 构建层次化、模块化实验教学体系

本体系可分为基础教学实验、综合设计类实验和研究创新型实验三个层次:主要环节为三个模块:①认知实践、课堂教学仿真和验证性实验;②各种形式的实习、工程训练、课程设计和毕业设计;③科技活动、学生科研和开放实验等。

(1)基础教学实验—这个层次通过认知实践、课堂教学演示仿真和验证性实验诸环节来完成，这些环节作用各有侧重。

认知实践主要是为了适应课堂教学理论性强的特点，利用实验室各个实验环节将课堂讲授的理论知识具体化，让学生对理论内容有更为直观的认识，用一些工程实例将所学理论与实际应用相结合，提高学生的学习兴趣。这是实验教学的预习环节。

演示仿真实验主要是通过利用Flash 软件和Matlab 软件建立的虚拟仿真实验来配合理论课教学，在某些难以描述和讲解的基本概念与基本现象的教学中，能起到事半功倍的效果［3］。

验证性实验一方面是验证课堂所讲理论的正确性，包括常用仪表的原理与使用。例如交直流调速系统的验证实验及通用变频器系统的安装与调试实验就属于这个环节。

(2)综合设计类实验—本层次以课程综合性实验和设计性实验、课程设计/实训/自动化系统工程师培训、毕业设计等综合实践环节为主。

综合性实验是指学生在具备一定的基础知识和基本操作技能的基础上，运用综合的实验方法和手段，按照要求(或自拟实验方案)完成实验过程，例如基于PLC 的交流变频调速系统实验，涉及到“自动控制系统”、“PLC 原理及应用”和“常规电气控制”等课程的知识。

设计性实验是由学生自己设计实验方案、选择实验方法、选择实验器材拟定实验操作程序和对结果进行分析处理的实验。例如双闭环直流调速系统的设计与实现是属于课程设计/实训环节，而变频恒压供水系统实现的研究，变频器上位机监控系统的研究属于毕业设计的环节［4，5］。

(3)研究创新型实验—本层次实验教学包括对新理论的研究、探索新的实验方法、技术和仪器设备的改进，学生参加各种科技和竞赛活动，学生科研立项或者参与教师的科/教研项目等。

这类实验要突出综合性的特点。例如基于DSP的交流异步电机矢量控制系统的实现，就是教师的校级重点基金项目，要求学生完成方案的选择，系统硬件电路的设计、软件的设计及编程，系统的调试及试验等。

2.2 丰富实验教学方法和手段

(1)利用多媒体技术，增强教学直观性

实验体系中利用Flash 软件和Matlab 软件的Simulink 和PowerSystem 工具箱搭建“运动控制系统”虚拟实验平台［1］［3］，在实验教学过程中可以用多媒体技术等教学手段，最大限度地展示教学内容，给学生耳目一新的感觉。如利用虚拟实验平台设计双闭环调速系统，可以对设计系统进行验证，通过Matlab 仿真结果可以很直观地分析系统的静、动态性能，判断设计系统是否合理，参数是否需要调整。对于直流调速系统，通过Flash 软件建立的仿真模型对加载过程中电机的速度变化有很直观的动态显示。在实验教学过程中，由于实验条件等因素的限制，一些实验课开设不了，可应用多媒体教学手段弥补这部分的不足。

(2)利用开放式实验，提高自主学习积极性

开放式是指在实验教学过程中，实验室在时间和空间上对学生全部开放，可提高学生进行自主学习和研究性学习的积极性。

(3)开展研究性教学，探索创新能力培养

通过鼓励教师将在研课题内容列入科研训练课题，鼓励和组织学生参加科研课题的研究活动来培养学生的创新能力。近三年有很多学生参加教师的教研、科研课题，为教师的科、教研课题做了大量的实际工作，比如:校级教研项目《运动控制系统实验虚拟技术新方法的实现》开发了基于PLC、计算机控制技术的交流变频调速系统;校基金项目《异步电机矢量控制系统的数字化实现》建立了矢量控制系统的仿真模型，设计了系统的硬件电路，完成了系统的调试与试验等。

(4)建立网络化教学平台，加强教学互动性

学生通过网络平台可以获取实验课程大纲、讲义和指导书等实验教学资料;获取软件和专题学习资料等辅助教学资源;查看往届学生实验、实践成果等。同时，网站还设有辅助教学模块，为教师个性化的课外实验学习辅导提供条件。

2.3 完善实验考核制度

实施多元化的考核方法:在实验教学中，根据不同的实验层次，对学生采取不同的评价方法:①基础教学实验:平时成绩+操作考试+答辩成绩;②综合设计实验:平时成绩+答辩成绩;③研究创新实验:科学报告+答辩成绩;④自动化系统工程师培训:⑤平时成绩+理论考试+实际操作考试，按照工程师认证的方式进行考核。

3 实验教学改革实施的效果

“运动控制系统”实验教学体系已在三届学生的教学中采用。使学生的动手能力、创新思维及综合操作水平大为提高。

我们将实践教学改革成果与理论教学改革相结合，完成了“电力拖动自动控制系统”校级重点课程的建设，在课程教学中获得学生的充分肯定和好评。有一部分学生参加了自动化系统工程师认证的运动控制系统培训，取得了自动化系统助理工程师证书。近三年学生的毕业论文水平的提高都得益于扎实的实验技能、分析能力和综合实验研究的训练。其中已有多篇学生论文被评为校级优秀毕业论文。学生通过参与运动控制方面的科研和教研课题，获得了不少收益。其中有些学生将其所做工作进行整理，在核心期刊上发表出来。

［1］ 刘兴平等.警察院校学制下的实验教学改革［J］.上海:实验室研究与探索，2009，28(11):140-143

［2］ 宋立权等.机械基础实验实践教学体系改革与实践［J］.上海:实验室研究与探索，2009，28(9):88-91

［3］ 洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真［M］.北京:机械工业出版社，2010

［4］ 郑凤翼.图解电力拖动系统电路［M］.北京:人民邮电出版社，2009

［5］ 李方园.变频器自动化工程实践［M］.北京:电子工业出版社，2007