运动控制系统课程体系改进与创新

陈卫东， 韩 兵， 杨 明， 王景川， 卢俊国

(上海交通大学自动化系，系统控制与信息处理教育部重点实验室，上海 200240)

0 引言

运动控制系统在航天航空、机器人、生产制造、交通能源乃至家用电器等方面有着极为广泛的应用，是自动化教学的重要组成部分。清华大学自动化系为实现创建研究型自动化教学体系、培养创新型专业拔尖人才的目标，针对出现的矛盾和问题，在培养方案、课程体系、课程设置、精品课建设、课堂教学、实践教学等方面进行了多方位的改革与实践[1]，东南大学自动化专业就教学研究与实践团队的发展、目标定位和人员结构进行探索，取得的一系列教学研究与改革创新成果[2]。由于先进的电子、计算机、控制技术和理论不断发展，不断充实更新教学内容[3]，自动化工程观念的培养[4]，完善教学试验平台[5-9]，探索教学方法和实践[10-13]等方面的工作不断被推出，为实现创建自动化专业研究型教学体系，培养创新型专业拔尖人才的目标指出了方向。

本文针对“运动控制系统”课程教学中出现的种种问题，从课程体系建设与教学理念改革两方面入手，通过建立各种教学实验室、创新竞赛工作室、参与科技竞赛活动、创办国际化课程等手段，逐步形成了一套以创新为主体的运动控制课程体系[14-16]，并且不断更新教学内容、改进教学理念，形成以实践为中心、以创新为目的的教学模式，解决了理论教学和创新实践的结合问题。

1 存在问题与瓶颈

国外高校运动控制系统教学已经综合了当前国际上迅速发展的各种先进技术，集成了计算机技术、电子通信技术、人机界面与组态软件技术、自动控制技术、人工智能技术等先进技术和方法，已经实现并应用了集全数字化、智能化、光机电一体化的运动控制系统。

国内知名理工科院校有运动控制系统或类似课程，它涵盖了控制理论、电力电子技术、电子学、电机学、计算机和工业通信网络等学科内容。部分国内重点高校也建立运动控制实验室，但在开展运动控制系统应用创新型人才培养方面与国外仍有一定差距。

我们在运动控制系统课程教学和实践等方面，虽然已经取得一定的成绩，但与国际一流水平相比尚有较大差距，体现在:重视课堂教学，轻视双向交流和面向问题的研讨;重视传统技术教授，轻视传授和讲解当代先进技术;多为一般理论分析和教学实验、缺乏复杂系统在结构与手段上的描述;体系内课程内容更新缓慢，缺乏有效的、全面综合的创新实验等，使得课程体系难以适应时代对创新型拔尖人才培养的要求。

2 课程体系建设

我们建立的运动控制系统的课程体系如图1所示，课程体系中既有优质课程为代表的专业基础课程，也有以科技创新课程为代表的实践课程，通过理论教学与创新实践交叉结合，培养理工科复合型人才。

(1)课堂教学。主要讲解相关基础课和运动控制系统原理，并将工业生产、交通和家电中应用的运动控制系统和运动控制问题等融入基本原理的讲解，使同学们更好地理解运动控制原理、提高对运动控制系统的兴趣、初步了解运动控制的系统结构、理论体系和设计应用方法。

图1 创新实践为主体的运动控制系统课程体系

(2)培养学生综合能力。将教学实践和创新人才培养相结合，培养同学的动手实践和创新能力，提高学生对于自动控制、人工智能、嵌入式系统、机器人学等多学科知识的综合运用能力，解决了理论教学和创新实践的结合问题，为培养高素质的复合型创新人才打下基础。

针对当前运动控制技术涉及知识面广、知识结构更新快的特点，以主干专业课“运动控制系统”为抓手，协调统筹上下游的相关课程的教学和实验内容，向下对接专业基础课“变流技术”、“PLC技术”和“自动控制理论”的基础理论和技术，向上支撑科技创新课“智能车控制算法设计和实践”、“智能车嵌入式系统导论与实践”和“智能机器人开发与实践”，理顺各课程之间的衔接和支撑关系，逐步建立起一套系统化的运动控制教学体系。

同时，为顺应国际化教学的发展，我们以人工智能和机器人教育为主题，创办国际化教育课程“上海人工智能系列讲座”，采用现代网络教育手段、聘请国际大师实时在线授课、全球师生在线互动交流、虚拟三维环境进行课程设计的教学模式。解决了国际化教学中人员成本高，交通不便以及缺乏多国学生交流的问题，建立了工程技术国际化教育的新模式和新手段。同时，通过国际化课程搭建的交流与合作平台极大地开拓了学生们的视野，为他们今后的理工科学习指明了方向、树立了远大目标。

3 教学理念改革

3.1 不断更新教育思想与教育理念

在我校原有的“厚基础、重实践”前提下，进一步拓展学生自主学习与互动交流相结合、科学创新与应用创新相结合的能力。同时，优化教学结构、需因材施教、重视个性化教育、建立和谐师生关系、开拓学生国际视野，推动教学理念向国际化、现代化的科学技术教育的先进水平靠近;结合自动化专业特点，将“反馈—权衡—优化”的思想应用于教学中，逐渐改进教学方式、方法，在理论性强的课程教学中，注重抽象概念和实际应用的物理意义的联系，而在实践性较强的课程中则结合理论的指导意义使之融会贯通，逐渐摸索出以下规律:

(1)注重培养学生兴趣和动手能力的培养;

(2)注重理论与实践相结合。引导学生自觉地将所学过的理论和实验结果进行联系，从理论上分析实验现象和实验中出现的问题;

(3)注重引导学生了解相关领域的最新动向;

(4)注重学生团队协作能力的培养，培养他们从较早时间开始接触以项目为目标的工程概念。

3.2 不断更新教学内容，完善教学实验平台

根据运动控制系统技术的发展，不断调整课程体系的教学内容。逐渐增加数字运动控制、光电运动控制等内容，同时，更新部分电机运动系统内容，编译精密运动控制教学参考书，在保留原有教学内容基础上，形成以拓展运动控制专业特色技术为内容的课程体系。研制应用于实践教育的模块化机器人实践平台[16]，突破传统的训练式教育模式，利用机器人多学科交叉、融合的特点，将机器人系统软硬件以模块形式搭建，使得学生在实践、创新中获取、巩固理论知识，同时培养学生的团队协作、分析解决问题能力，极大提高学生的自信心和学习兴趣。同时，在原有“直流调速控制系统”和“交流调速控制系统实验”的基础上，进一步开设“直流伺服系统”、“交流伺服系统”、“光电数字运动控制系统”、“现场总线运动控制”实验。

3.3 不断优化师资结构、提高教学水平

在课程体系建设与改革过程中，培养了一批骨干和年轻教师，进一步完善运动控制课程体系教学队伍，在“985”三期项目的支撑下提高师资队伍的教学水平、教学研究和创新性研究的能力，在教学工作、创新型教育和培养优秀人才方面努力上台阶、上水平。

3.4 以赛带练、不断改进考核方法

为考量学生在课程中获得的理论与实践能力，不断改进考核方法，形成了一套综合考察学生了解掌握运动控制系统理论、技术和应用的能力的考核方法。针对国内外公认的机器人和人工智能竞赛平台RoboCup机器人世界杯赛与教育部“飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车竞赛，组织自动化专业的本科生和研究生，系统化、有组织地开展科学研究、技术开发和科技竞赛活动。在竞赛中不断取得的佳绩，极大的增强了参与学生们的积极性和创造性，使得他们更有激情、更有兴趣的参与科学、研究，形成了“人才培养—竞赛成绩优异—科研创新”的良性循环。同时，在创新型应用设计、实践、PRP项目、撰写研究论文等多方面综合考量，探索培养复合型创新人才的新思路。

4 结语

上海交通大学自动化系在本科生、研究生的教学中长期积累，建设以创新为主体的运动控制课程体系，以培养学生的动手实践和创新能力为目标，通过实验平台建设、参与竞赛以及国际化课程等手段增强学生对工科课程的学习兴趣，提高学生对于自动控制、人工智能、嵌入式系统、机器人学等多学科知识的综合运用能力，为自动化创新人才的培养打下基础，也为创新竞赛实验室及自动化技术研究提供大量优秀人才。

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