应用型本科运动控制课程立体化教学模式探讨

2017-12-15熊田忠孙承志吉顺平张家海

实验室研究与探索 2017年11期

关键词：立体化应用型运动

熊田忠，孙承志，吉顺平，黄捷，张家海

(三江学院机械与电气工程学院，南京 210012)

应用型本科运动控制课程立体化教学模式探讨

熊田忠，孙承志，吉顺平，黄捷，张家海

(三江学院机械与电气工程学院，南京 210012)

针对应用型本科运动控制课程，分析了学生情况、课程特点、师资条件、硬件设备、课程实施、教学资源等现状，提出了课程立体化教学模式。对课程内容进行了优化；介绍了理论课、实践课教材和其他超文本资源等立体化资源建设；阐述了项目教学、因材施教、因时施教、空间拓展等立体化教学方法。实践证明，这些教学改革有利于培养应用型人才，取得了比较好的教学效果。

应用型本科；运动控制；立体化教学模式；内容优化；立体化资源；教学方法

0 引言

《中国制造2025》将带来全新的制造业时代，对高校教育而言，集中反映在如何培养适应时代需要的高素质人才上[1]。高校一般分为3种基本类型[2]：学术性研究型大学，专业性应用型大学和职业性技能型院校(高职高专)。在我国，介于研究型和技能型人才之间将高深学问转化为社会生产力的应用型人才，近年来逐步受到重视，应用型人才成为社会需求的大多数，培养应用型人才也成为多数高校的当务之急[2-4]。应用型人才根据学历层次不同，又可分为专科、本科和研究生层次[5]，高校分类发展的最终目的是提高质量。任何教育最终效果取决于直接面对学生的课程建设和实施过程，因此课程建设是当前提高高等教育质量的核心环节，应用型本科也不例外[2,6]。关于应用型人才培养的讨论许多文献从不同视角进行了讨论[2-10]，笔者认为，工科应用型人才培养方案和课程建设要瞄准工程应用、多元交叉的技术知识结构、创新意识、社会责任感、工程师素质和工匠精神等多方面来进行立体化教学改革实践。

在自动化相关专业课程体系中，运动控制课程是一门具有知识面宽，专业知识背景深，综合性和实践性强的主干课程，其教学质量好坏对学生未来的就业和深造将产生直接影响[11-14]。本文以应用型本科运动控制课程为例，从教学内容优化、教学资源建设、教学方法等方面进行立体化教学模式的探讨。

1 现状与模式提出

得益于扎实的基础教育，我国应用型本科生源较好，通常为高考录取本科第二、第三批学生。总体来看，这些学生静下心来钻研抽象理论的能力相对欠缺；但其优点也很明显：通常有较强的动觉，对应用技术有较浓的兴趣，对新技术易于接受，勇于实践，有较好的计算机应用和外语基础，受过一定挫折(至少高考相对失利)后心里承受能力较强，这就具备了应用型人才很好的毛胚；当然，由于家庭、学校、社会的综合影响，这些“温室花朵”新生代们也大量存在慵懒、迷茫、自尊心较强、自信心不足、表达沟通能力欠缺、团队合作意识不强等现象。

课程特点上，由于运动控制和过程控制是自动化的两个分支，绝大多数应用领域的控制问题都可归结为这两类控制，具有基础性、典型性；而运动控制主要与机械自动化直接相关，其应用广泛、连接直观、实时性要求高，综合了机械、电子、计算机、电气、控制理论等技术，具有几种技术复合交叉的性质，特别适合作为应用型人才培养的核心课程来开设。

师资方面，多数应用型本科高校为新建本科院校，师资严重缺乏，呈现出青黄不接、行业应用经验不足、沿袭传统教育方式需要转型等问题。应用型本科教育的效果很大程度上取决于教师的引导，可采取请进有丰富工程应用经验和有授课热情与能力的企业工程师进行实践课程教学；既有专业课教师特别是年轻骨干教师走出去到企业实习锻炼，学校政策上鼓励他们多承接企业横向科研项目。采取“引进来，走出去”建设一支理论和实践双能的专业课师资队伍。

硬件条件，多数新建应用型高校没有太大历史包袱，运动控制相关实验设备的配置上可以比较新、起点较高，甚至可以直接采用工业领域通用的设备。为克服资金不足和锻炼师生实践能力，在充分调研基础上，可以鼓励师生通过课外创新活动、毕业设计等环节自制实验设备，充分体现管理的灵活与创新。

课程实施，目前应用型本科院校在理论教学上力求紧跟传统重点高校，教学内容体现难度和水平，有些“不甘落后”，其结果往往是学生难以消化吸收，导致疲于应付考试乃至最终放弃；而实践教学上往往流于形式，导致学生不动脑的“动手”，只会照搬照抄。

教学资源方面，传统单一课本模式已经不适合当代求新求变的大学生们，不适应快节奏的社会生活，显得非常落后了。教学项目的选取存在不够典型、载体不够明确、主线不鲜明、结构不完整，呈现出碎片化、逻辑混乱的现象。

本文根据应用型本科运动控制课程特点，遵循理论到位够用、注重技术交叉的知识广度、加强项目实践、关注认知规律进行课程立体化教学模式探讨，如图1所示。

图1 运动控制课程立体化教学模式框图

图1所示立体化教学模式目标是培养学科技术综合交叉复合应用型人才；顶层是以优化教学内容为重点的理论课教材、以项目实践为重点的实践课教材和超文本资源等立体化的教学资源建设；最底层是以三种常用控制器为主线的嵌入式与系统集成设计，分立元件与集成芯片相结合的硬件设计为训练要素，以机器人、智能车、自动化专机为载体的项目教学作基础；并辅以因材施教为主的教学方法。该模式不是“泥沙俱下，狂轰滥炸”，而是有主线意识，提供的都是“干货”，各有侧重点，勿使简单重复、枯燥乏味、贪多嚼不烂。实施时也需动之以情、晓之以理、做出实物、展示前景、激发兴趣，使得学生有成就感、自豪感，注重非智力因素的作用[16-17]。

2 课程内容优化

课程内容不宜沿袭重点高校相关课程传统做法，大量理论知识须弱化，更应注重系统外特性和各部分选型匹配；为符合本科层次教学要求，也不能将课程要求无故降低，学生仅会“依葫芦画瓢”也是不行的。

2.1 传感器、执行器

重点讲解运动控制相关且应用广泛的旋转变压器、编码器、光栅尺等传感器原理、特点、主要参数、选型等。将相关传感器在空间上垂直或错开1/4节距，正弦、余弦电信号的这种“正交”概念进行一般化，重点讲解其中一种原理，让学生体会其辨别方向的共性，做到既不重复，又及时总结得出结论。

借用过程控制的执行器概念，将弱电到强电信号转换放大部分和具体执行元件合起来称为运动控制执行器，附加说明过程控制领域执行器的两部分是合起来一个产品，而运动控制领域有可能分开。主要讲解步进电动机、直流伺服电动机、无刷直流电动机、两相交流伺服电动机、三相异步电动机、永磁同步电动机等，从结构、控制电压电流波形、原理、驱动器主电路、数字控制、特点应用等方面以表格方式总结出各控制电机相互之间的区别和联系。驱动放大器部分，介绍分立元件和集成芯片加外围电路两种形式设计各类电机驱动器。步进电动机还需增加数字电路或软件实现环形脉冲分配器的原理。另外，直线电动机、超声波电动机、液压与气动基本组成、原理、特点等可概略选讲。

2.2 步进、直流、交流伺服系统

首先理清“伺服”概念，学术上对速度、位置、力等的跟踪统称伺服系统，工业界通常将精确定位(位置伺服)称为伺服系统，这样既定义准确又接地气。

步进伺服部分，主要说明步进电动机速度和定位数字化控制容易，在低速度、低负载、低精度场合应用广泛。另从系统的角度，重点讲解机电匹配设计，将转动惯量、传动比、转矩、末端速度、脉冲当量、精度等选取原则以及相互关系讲清楚，做到权衡、折中，满足工艺要求。机电匹配问题在其他伺服系统中，其设计思路类似，故不再重复。

直流伺服部分，说明直流伺服电动机与普通直流电动机相比，在原理上的一致性和结构上的特殊性；复习电机学课程直流电动机机械特性、电磁力矩、反电动势等公式，以及电压平衡、转矩动态平衡方程式，解析法推导其控制的数学模型，并做模型简化，让学生了解推导过程并掌握结论，从而理解直流电动机系统数学模型简单、控制容易的特点；重点讲解速度单闭环PI调节器的动态过程，以及最终理解速度电流双闭环控制(串级控制)的快速性、抗干扰性和超调特点，这部分理论较抽象，有一定难度，但又必须突破；另外，通过Matlab、C语言程序示例指数平滑滤波、传递函数的双线性变换、PID等基本数字化实现方法，可以将抽象概念向实际应用推进一步。

交流伺服部分，简介变频调速理论，包括矢量控制。矢量控制理论对于应用型本科学生很难从数学、理论上深入下去，只谈坐标变换的目的、由来及结论，最后落实到三相异步电动机定子磁场定向直接矢量控制框图上，让学生了解矢量控制思想即可。

2.3 单轴位置伺服

单轴位置伺服主要讲解其组成、结构、特性、性能改善措施等，以位置、速度、电流三闭环结构最普遍，并讲解数字控制时三环采样周期及其相互关系。指出位置通常不能有超调，故采用比例或比例-微分调节器。

2.4 多轴协调控制

多轴运动控制协调主要讲解3种应用：点位控制、轮廓控制和同步控制。点位控制强调终点位置的准确性和运动过程的快速性的兼顾；轮廓控制强调轮廓误差控制是第一位的，通常速度较低；同步控制包括电子齿轮和电子凸轮，且电子齿轮是电子凸轮的特殊形式。

另外介绍插补原理、数控技术基础。说明插补原理是轮廓控制的基础，以逐点比较法为例讲解，便于学生理解，但要说明该插补原理工业上几乎不用了。数控技术基础不需涉及太多机械加工工艺，可让学生采用数控代码绘制自选有特色的轮廓图形，以提高学习兴趣；学生理解运动控制底层原理后，再看数控代码实现轮廓控制，会产生先难后易的喜悦，非数控专业方向的学生对数控也不再感到神秘难懂。

2.5 可选内容

运动控制技术是发展的，一些实用性、前瞻性相关技术均可在本课程适当选讲，以拓展视野、指明方向，如运动控制仿真、机器视觉、机器人等。特别是教师科研等实际应用项目案例可以适当向学生介绍。

2.6 与相关课程的衔接、分工

运动控制是综合性、应用性较强的课程，与电机学、电力拖动自动控制系统、控制电机、机电控制技术、Matlab、单片机、C语言、监控组态软件、传感器与检测技术、自动控制原理、电力电子技术、电子技术、数控技术、机器人等课程都相关，要做好先修和后续课程之间衔接、分工，避免重复，又要相互映衬，形成统一整体。

3 立体化教学资源建设

3.1 理论课教材

运动控制课程理论课教材，除概念系统化、体现知识体系外，按照以上内容优化进行组织编写，理论足够到位；轻公式推导，重结论意义；轻内部原理，重外部特性和选型应用。编写了《运动控制技术与应用》教材，列为中国轻工业出版社应用型本科 “十二五”规划教材，目前已是第二版，被国内诸多高校选用，经过几轮使用，效果良好。

3.2 实践课教材

编写了《运动控制实践教程》一书，获江苏省教育厅2015年高等学校重点教材立项建设。内容包括运动控制技术的概述、基本实验、课程设计类课题、毕业设计类课题和创新实践等。以基于PC运动控制卡的XY平台为基本实验载体，还包括工程实际常用的变频器、伺服驱动器、PLC定位模块、PLC的PID控制、机床回零及其实现、运动控制卡的VC/VB开发、基于单片机的运动控制、电机驱动器开发应用、工业机器人、机器视觉应用初步、服务机器人研制、四旋翼飞行器设计等内容。采用了图文步骤说明方式便于读者快速入门；大量典型实例，便于读者DIY(Do It Yourself)；部分实例来源于实际工程项目。本书兼顾教材和工程应用性，没有过多理论，读者按照所描述的步骤即能入门，完成简单的工程，并循序渐进、不断深入。

3.3 其他超文本教学资源

理论和实践课程课件要配套做好；直观的图片视频展示，可以有效弥补行业知识的不足，应当精心准备；工控网等网站、论坛应向学生介绍，鼓励他们多看多问多参与；网络课程可以适时开展，加强师生互动。这些超文本教学资源可以很好地辅助课程学习，有时会起到意想不到的良好效果。

4 立体化教学方法

4.1 项目教学

项目教学法是应用型本科人才培养实践教学的主流模式，运动控制的技术交叉综合性的特点更需要项目教学来提升效果，着力培养学生严谨创新的工程师素质和精益求精的工匠精神。要注意项目的典型性、多层次、多类型、全过程、渐进性等特点。

项目的设计和选取要根据实际情况，有重点地体现电子、电力电子、单片机、控制方法、机电设计、计算机等技术的综合运用；要有意识有重点地培养电路设计、嵌入式开发、软件应用、硬件选型、系统集成、资料搜索、团队管理、汇报交流等能力；综合性项目要体现开放性，使得学生在充分调研现有技术基础上，综合运用已学知识，主动自学新知识，分析和解决实际问题，培养创新思维。

必做项目的选取要具有典型性，需要找到运动控制项目的“果蝇”。单片机控制步进电动机就是运动控制入门级项目，其核心是环形脉冲分配器+放大器的驱动器设计和软件控制脉冲个数和频率。该项目也可演变成多种类型：选取不同单片机或PLC控制器；驱动器(环形脉冲分配器+放大器)部分可选取分立元器件设计、集成芯片设计、或直接购置步进电动机驱动器产品等方式；软件控制上可采取定时器中断控制、加减速控制、直接利用单片机PWM资源控制、软件实现环形脉冲分配器控制、两台电动机的插补控制、多电动机同步控制等；结合智能窗帘、遥控小车等实现具体应用控制；结合人机界面、网络等控制方式进行群控。中高级项目可以采用PC运动控制板卡的VC/VB编程实现多轴点位或轮廓控制，ARM/DSP控制无刷直流电动机、三相异步电动机、永磁同步电动机等。综合性项目可以开发扫地、擦黑板移动机器人，开发直角坐标工业机器人如贴片机、雕刻机等，飞行器控制等。

结合电子、电力电子技术的电动机驱动器设计开发方面，可以采用芯片L297、IR2103、IR2130、L298N、MC34932、TB6560、电力MOSFET、IGBT模块等，实现各电动机的驱动器电路设计。

4.2 因材施教

首先，根据前述当代应用型本科学生普遍特点，需要唤醒学生专业学习热情，扬长补短，以丰富多彩的形式吸引大部分学生参与到本课程的项目实践中来。

应用型本科学生可有研究型、应用型、技能型等几种定位。少部分学生可通过考研等途径，分化成研究型人才，可引导他们加强理论深入学习和算法实践；少部分同学走技能型方向，可引导他们从规范操作、接线、调试等入手，按高级技师要求加强动手能力训练；对于大部分应用型定位的学生，根据本人意愿和表现还可细分成研发、工艺、管理、市场、售后、技术支持、测试等不同岗位方向，项目教学时可通过分工合作来完成综合性的项目。应用型定位的学生也不排除适当的理论理解和实践项目中的技能训练。

运动控制课程可在自动化、“专转本”自动化、机械电子工程、电气工程及其自动化、建筑电气与智能化等专业开设，对于不同专业背景的学生，课程内容、项目选取、教学方法上也应有所不同。自动化专业该课程作为专业核心课，理论课、实验课、课程设计对于所有学生都是必修，授课注重控制理论应用、与过程控制区别联系、课程的系统性通用性全面性；“专转本”自动化学生通常来自专科或高职的不同专业，其授课特点笔者在文献[17]已有较详细论述；机械电子工程专业要多与机械自动化联系起来，项目教学上与机械设计、力学分析、材料等结合起来；其他相关专业学生，可以开设少课时选修课的方式，讲解运动控制导论。

4.3 因时施教

除合适的教学内容、丰富的教学资源、典型的项目、分层次分专业的因材施教外，科学的实施顺序，对运动控制课程教学效果的影响也同样极为重要。

在大学不同阶段，相关教育需要适时到位。一年级，可在专业导论课讲解运动控制地位、应用场合、发展前景、基本特点，展示运动控制应用视频，可组织学生到实验室参观，实地展示机器人、学生作品、倒立摆等，让学生产生浓厚兴趣；二年级，可吸收部分同学参加课外兴趣小组，为后续参加学科竞赛做准备；三年级，进入专业课程的系统学习阶段，要深入项目实际操作，按照实践教程要求或提示，进行实验、课程设计类项目，并可根据自己兴趣进一步设计、实践中等难度项目；四年级，可结合毕业设计，进行综合项目训练。

运动控制课程开设期间，要重视绪论课和第一次实践课的组织安排；可以选取跳一跳能够得着的入门项目，适当吃点“快餐”，让学生按说明书式的步骤一步步实现，确保绝大多数学生能按时完成，获得一定的成就感，遵循先易后难、循序渐进的认知规律，再逐步加大难度，引导学生深入学习；配合理论课进度，课程实验要适时穿插进行，趁热打铁效果更佳；毕业设计项目要早定人选、早选择方向、早搜集资料，做到早启动，以期出精品，力争做出优秀毕业设计论文。

在综合性项目进行过程中，教师还要适时提醒学生抓住主要问题。比如笔者指导的“擦黑板机器人研制”课题，学生对控制很有把握，但对机械结构、力学设计显得有些无从下手；然而，该课题首要问题是机器人在垂直黑板表面的可靠吸附与移动，指导教师就要适时点出该问题不可回避，需要知难而进，鼓励学生从履带式、磁轮式、真空式等方向调研和试验，最终通过手工制作磁轮成功解决了吸附问题，再通过计算试验选择电动机与减速器从而实现360°移动问题；一旦扫除了这个“拦路虎”，后续设计就非常顺利了；论文撰写时，再回到力学理论，从特殊到一般，总结出类似产品的设计原则。该毕业设计获得省优秀毕业设计三等奖，并申请发明专利一项，整个项目完成过程是环环相扣的，需要及时指明方向，才不至于中途放弃，甚至有时需要教师和学生一起摸爬滚打攻克难关。

应用型本科综合性项目课题多为现有技术的组合应用，一般经努力都能够完成。而应用型本科毕业生初次就业目标多为中小企业，企业的技术攻关也恰好是类似的过程。中小企业往往需要员工一专多能，因此本课程项目教学的目标之一是培养一专多能的复合应用型人才，缺什么补什么，最终也需要培养学生刻苦钻研、“敢啃硬骨头”的精神。

4.4 空间拓展

运动控制是实践性、应用性很强的技术，也是不断发展的，单一的课堂教学不能满足要求，要结合课堂、实验室、学生创新工作室等满足不同层次、不同阶段的需求组织教学。同时结合企业参观、暑期社会实践、行业展会、虚拟社区、历届优秀学生作品展示、参加教师科研、校企合作实践基地等形式，拓展教学空间，对课程学习大有帮助。

应用型人才培养采取闭门造车方式固然不行，但立体化全方位教学方式有时会让人觉得花样百出、眼花缭乱，“快餐”吃多了也不利于健康，还要适时引导学生多到图书馆或书桌前静心地研究技术问题，任何技巧都抵不过刻苦钻研。运动控制课程和技术学习，不沉下心坐下来研究，就不可能获得多大的收获。

5 结语

本文从现状分析、立体化教学资源、立体化教学方法等几个方面探讨了应用型本科运动控制课程立体化教学模式，经过几年的实践，该模式取得了很好的效果。随着我国对应用型人才需求的数量不断扩大、质量不断提高，该教学模式还需在实践中继续发展完善。

[1] 吴晓蓓．《中国制造2025》与自动化专业人才培养[J].中国大学教学，2015(8)：9-11．

[2] 潘懋元，周群英．从高校分类的视角看应用型本科课程建设[J].中国大学教学，2009(3)：4-7．

[3] 刘有耀，蒋林，杜慧敏，等．工程应用型创新人才培养模式研究与实践[J].高等工程教育研究，2015(5)：76-81．

[4] 孟凡芹，朱泓，吴旭东，等．面向“新工业革命”工程教育人才培养质量标准体系构建策略[J].高等工程教育研究，2015(5)：15-20．

[5] 钱国英，王刚，徐立清．本科应用型人才的特点及其培养体系的构建[J].高等工程教育研究，2005(9)：54-56．

[6] 陈小虎，刘化君，朱晓春，等．电气信息与电子信息类应用型人才培养体系的创新与实践[J].中国大学教学，2006(4)：55-56．

[7] 陈新民．应用型本科的课程改革：培养目标、课程体系与教学方法[J].中国大学教学，2011(7)：27-30．

[8] 陈小虎，屈华昌，邵波．教学应用型本科院校的办学理念及其路径选择[J].高等工程教育研究，2005(2)：58-60．

[9] 叶伟巍．技术的本质及教育启示[J].高等工程教育研究，2015(5)：40-45．

[10] 刘立群，池洁．立体化教学资源建设及其模型研究[J].沈阳师范大学学报，2015,28(4)：571-573．

[11] 高宁宇．独立学院运动控制系统课程教学改革探讨[J].中国教育技术装备，2012(15)：66-67．

[12] 王永林．运动控制课程教学改革研究[J].中国教育技术装备，2012(30)：92-93．

[13] 李国进，胡立坤，李刚．基于CDIO模式的《运动控制系统》课程教学改革探讨[J].广西教育学院学报，2013(3)：127-130．

[14] 陈卫东，韩兵，杨明，等．运动控制系统课程体系改进与创新[J].实验室研究与探索，2013(9)：157-159．

[15] 李建民．德国的工程教育模式及其启示[J].三江学院学报，2009(3、4)：1-10．

[16] 许慧．积极情绪对工程学生创新能力影响研究[J].高等工程教育研究，2015(2)：94-99．

[17] 熊田忠．“专升本”自动化专业运动控制课程教学改革初探[J].高教论坛，2011(2)：75-77．

TheDiscussiononTree-dimensionalTeachingModeinAppliedUndergraduateMotionControlCourse

XIONGTianzhong，SUNChengzhi，JIShunping，HUANGJie，ZHANGJiahai

(College of Mechanical & Electrical Engineering， Sanjiang University, Nanjing 210012, China)

According to the applied undergraduate motion control course, the students, the features of course, the teachers, the hardware, the implement of course and the teaching resources in Sanjiang University are analyzed, and then a three-dimensional teaching mode of the course isproposed. The content of course is optimized. The theory course book, the practical course book and other hypertext resources are introduced. The three-dimensional teaching methods such as the project teaching, teaching students in accordance with their aptitude, teaching students in accordance with context and the teaching space expansion are expounded. It has been showed that the teaching reform benefitstocultivateapplied talents, and has been gained the better teaching effects.

applied undergraduate； motion control； three-dimensional teaching mode； content optimization； three-dimensional teaching resource； teaching methods