应用型本科“运动控制系统”教材建设探讨

2018-09-10田卫华庞新富包妍闫鸿魁

高教学刊 2018年8期

田卫华庞新富包妍闫鸿魁

摘要：“运动控制系统”课程的教材建设是应用型本科自动化类专业教学建设的重要内容之一。针对应用型本科教材的现状和不足，根据当前自动化专业学生就业岗位群对应用型人才培养所提出的能力要求，提出理论结合实践，从系统和应用角度去理解相关理论和技术的编写思想。对工程应用型“运动控制系统”教材的内容选编、编写形式、案例选材和立体化建设等进行了探讨。最后，给出对应用型教材建设的几点建议。

关键词：应用型本科；运动控制系统；教材建设；立体化教材

中图分类号：G647 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）08-0082-03

Abstract： Teaching material construction of the course of motion control system is one of the important content of the construction of the major of automation in application-oriented undergraduate. In view of the situation and insufficiency of teaching material for application-oriented undergraduate， and according to the proposed ability requirements of the applied talents cultivating for the current students employment group， the idea of theory combined with practice and from the perspective of system and application to understand the related theory and technology is put forward. Then， the content， written form， cases selection and stereoscopic construction of the applied teaching material of motion control system are discussed in this paper. Finally， some suggestions about the construction of applied teaching materials are provided.

Keywords： application-oriented undergraduate； motion control system； teaching matieral control； stereoscopic teaching material

引言

應用型本科教育，是以本科教育为主，面向区域经济社会，以学科为依托，以应用型专业教育为基础，以社会人才需求为导向，培养高层次应用型人才，以培养知识、能力和素质全面而协调发展，面向生产、建设、管理、服务一线的高级应用型人才为目标定位的高等教育。应用型本科教育是一种新的教育类型，它的办学标准，应是既要有一定的学术性，又要有一定的实践性，其所培养的是“应用型人才”[1]。对于应用型院校本科毕业生来说，将来就业方向主要是基层一线，面对自动控制系统的设计、安装、调试、维护和系统集成等电气技术工作，需要的是系统的思维能力、宽广的知识面、较强的动手实践能力和解决实际工程问题的能力。而对于复杂理论内容则是以够用为度。因此，应用型本科人才培养要注重实践性和应用型，也要兼顾基本理论知识的系统性。“运动控制系统”课程是自动化类专业的一门必修课。该课程综合性强，具有理论联系实际的突出特点，从系统的角度培养学生综合应用知识进行系统分析与综合的能力，对电气信息类学生掌握自动化领域的专业知识和技能，提高理论联系实际的能力，起着重要的作用。课程教学目标是通过课程教学的各个环节培养学生的自学能力、知识综合运用能力、工程实践能力、分析解决问题的能力以及创新能力。学习该课程后，使学生逐渐具有系统观念、工程观念、创新观念以便适应职业岗位能力需求[2，3]。

为更好地实现运动控制系统课程的教学目标，满足应用型人才培养要求，探索应用型教材编写方法以及教材立体化的实现具有重要的实际意义。

一、应用型教材建设的迫切性

“运动控制系统”课程作为电气工程和自动化类专业的一门专业必修课，已有多种版本的教材在各高校使用。通过对相关专业学生就业岗位技能需求情况的调查分析，当前“运动控制系统”课程教材上存在的问题主要体现在以下两个方面：

（一）适用于“应用型”本科的教材极少

近年来，一大批地方高校向应用型本科的转型建设如火如荼。应用型本科院校人才培养要从过去偏重于基础知识和艰深的理论传授向应用能力和实践能力的培养转型[4]。目前“运动控制系统”本科教材绝大多数更侧重知识的系统性和理论基础，对学生的抽象思维和数理知识有一定要求，更适合“研究型”本科，却并不适合“应用型”本科。而且，多数教材没有完整的工程实际案例，或案例陈旧，不能与专业领域发展相适应。

（二）教材编写形式单一，缺乏新颖生动的表现形式

目前，大部分“运动控制系统”教材的表现形式单一，平铺直叙，无法吸引学生眼球；重要知识点和典型问题没有突出；缺乏对读者启发与互动性，无法引起学生的自主学习兴趣。教材中原理框图和示意图居多，缺乏高清实物图，读者很难将理论与实际联系起来等等。

在“运动控制系统”课程教学中，由于上述问题的存在，造成课程教学目标难以实现，学生学习成绩和综合设计及应用能力达不到教学要求，严重影响了后续课程的学习和毕业设计等环节，应用型人才培养目标难以实现。因此，编写一本适用于应用型本科的“运动控制系统”教材，并进行相应的数字化资源建设，融合现代信息技术，拓宽学生获取知识的渠道，这是至关重要的。

二、教材编写思路

本教材的开发是在依据当前自动化专业学生就业岗位群对应用型人才培养所提出的能力要求，在面向智能制造的运动控制系统课程群建设的基础上，作者对工程应用型“运动控制系统”教材的内容选编、编写形式、案例选材和立体化建设等进行了探索。为使学生在知识的学习过程中，能理论结合实践，从系统和应用角度去理解相关理论和技术，尝试如下教材结构和教学思想，即从现代工程应用案例出发提出系统需求，由系统需求引出相关理论知识，而后利用理论与工程实现方法指导实际的设计过程。同时，通过Matlab仿真对理论教学内容进行及时的验证，以加强对理论知识的理解。

三、教材开发与研究

（一）明确教学目标，整合优化教材内容

本课程的教学目标是通过课程教学的各个环节培养学生的自学能力、知识综合运用能力、工程实践能力、分析和解决问题的能力以及创新能力。学习该课程后，使学生逐渐具有系统观念、工程观念、创新观念以便适应职业岗位能力需求。教材内容吸收了运动控制系统已在工程上应用得比较成熟的新技术，去除了部分直流调速系统的陈旧内容。全书内容分为转速闭环直流调速系统、转速、电流双闭环直流调速系统、交流调速系统、伺服控制系统、多轴运动控制系统以及典型应用案例分析等。秉承“理论够用，注重应用”的理念，对基本原理讲透，对高深理论简略，特别强调运动控制系统在工程上的应用。

（二）编写形式新颖，带入感强

教材在结构组织上按照“学习目标→能力目标→案例描述→知识及过程叙述→案例实现→小结→习题”，层次分明、条理清晰，逻辑性强；与工程设计思维方式及过程相吻合；采取顺序化和模块化相结合，对学生自主学习及各种能力的培养及拓展极为有效。

1. 每一章都以一个典型运动控制系统的结构框图将各节内容串联起来。在每一章的开头，给出这个系统结构图并突出本章内容在典型运动控制系统中所处的位置，使读者能够直观地看到本章知识的地位与作用及其与系统内其他组成部分的联系。

2. 借鉴国外成功教材的编写模式，增加高清实物图。书中所述的系統及部件不再是单纯的方框图的形式而是尽量来自工程实际的实物图片，一方面增强了读者阅读兴趣，同时也使读者能迅速地将书本内容与工程实际进行对接，更有助于理论联系实际。

3. 章节后面设置与工程实际相关的小贴士。在每章后面设置不同的小贴士，可以是小知识、小问题，也可以是网址链接，以增强启发性与互动性。例如，在异步电动机变压变频调速的后面，可以设置通用型变频器的选用方法介绍；在转速单闭环调速系统内容讲述完毕后，可以设置个小问题“如果转速单闭环调速系统的反馈线断了，系统的输出及性能将会怎样？”等等。

（三）结合案例，以生产工程为导向，突出应用能力培养

本书在交直流调速和伺服系统各章节中，根据相关知识点，首先引出典型工程应用实例，以典型实例为主线，通过功能技术需求分析，提出设计任务和系统解决方案，引导学生建立系统概念，明确要解决的问题，使学生能带着问题、带着对知识和技术的需求学习相关知识。进而以应用例子为解决目标，引出交直流调速系统、交流伺服系统、多轴运动控制系统等应用较广的运动控制系统的基础知识、Matlab仿真设计、常用系统设计方式及工程实现方法，以突出应用能力培养。

例如转速、电流双闭环直流调速系统案例——轧机直流调速系统”的案例描述为：“在许多实际应用场合生产设备都有调速的要求。上一章讨论的转速单闭环直流调速系统，用PI调节器虽然能保证动态稳定性，实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象，但在工业现场却较少得到应用，这是为什么呢？生产设备常用的直流调速方法是什么？本章将围绕某厂轧机直流调速系统设计过程对上述问题进行分析。”然后，给出场景描述“某厂轧机用于将厚度为2.6-6.0mm的紫铜或合金胚材轧制成厚度为1.0-2.5mm的成品薄板，轧制生产线传动子系统由直流电动机、减速机、齿轮座和连接轴等组成”。轧机工作辊的直流传动系统应能满足如下的基本工艺要求：

1. 启动到给料速度——加速到规定速度-恒速轧制——制动到给料速度一停止；

2. 在轧制时，轧机轧辊速度自动保持不变；

3. 可根据不同的轧制要求对轧机轧辊速度进行调节；

4. 能够以系统允许的最大加速度快速启动及制动。

（四）反映学科及应用领域的发展

在当前“智能制造”背景下，数字化、智能化、网络化正在成为运动控制系统的主流，并且多轴、分布式、伺服运动控制系统有非常广泛的应用，本书拟把这些知识独立成章进行详细讲解。最后，结合工程实际分析介绍恒压供水系统、数控系统、工业机器人、太阳能双轴伺服控制系统等典型应用系统，以开拓学生视野，加深学生对运动控制系统的工程应用认识。

四、教材立体化与资源建设

立体化教材是将现代信息技术与教学的有机结合，充分利用网络教学平台，不仅拓展了教学资源的形态和结构，而且也促使了与之密切相关的课程教学模式的改变。它使得课程教学的时空结构以及活动方式发生了改变，使得学习的过程与现实生活联系更加紧密。这就要求在教材建设过程中，既要注重教材的编写，还要注重教材数字资源的建设，实现教材的立体化，以便从多个方面充实课程教学[5，6]。因此，我们在“运动控制系统”教材编写的同时，也建设了与本教材配套的数字化网络教学资源，包括课程教学视频、PPT、试题库、重点与难点解析、习题解答、工程应用视频等。利用学校的网络教学综合平台，将这些数字化资源为学生所利用，并开展自主学习、探究学习、合作学习等研究型教学，使学生线上学习和线下学习有机结合，增强了师生互动，拓广了课程教学空间。此外，教学空间的拓广也使得课程考核办法更加多元化。例如，我们在2014级自动化专业实施了基于网络教学平台的翻转课堂，基于手机APP的线上测试等等，多元化的教学空间促进了多元化的考试方法改革，成绩评定更加全面、真实、合理，实践结果证明学生对课程的满意度提高了2个百分点，实施教学改革的5个班，有3个班及格率为百分之百，另两个班及格率为97%，总优秀率达18%以上，同比2013级有显著的提高。

随着“运动控制系统”课程立体化教材建设的深入进行，以及相应教学方法的应用，课程教学改革可以有效地提高教学质量，增强学生就业竞争力。

五、结束语

综上所述，通过“运动控制系统”应用型教材建设的研究与实践，作者提出以下三点建议：

（1）在应用型教材内容上应以“实用为主，够用为度”，并且要反映专业技术应用领域的最新发展，而校企合作开发教材能够最大限度地满足职业岗位能力需求。

（2）在应用型教材编写模式上力争有更大的突破和创新，形成独特的风格和特色，并加以推广应用。

（3）大力推进基于能力模块的系列化应用型教材建设、教材数字化资源建设，打造应用型精品教材。

目前，我国应用型本科院校的教材建设相对滞后，不能满足地方社会经济发展和行业（企业）的用人需求。积极探索开发和建设应用型本科教材具有重要实际意义。

参考文献：

[1]王彬彬，钱建平，申继伟.应用型本科“电路”立体化教材建设[J].教育现代化，2016，11（33）：91-103.

[2]曹帽.论应用型本科教材建设的问题[J].中国管理信息化，2015，18（21）：242-243.

[3]张志华，王莉，沈明新，等.面向工程应用的运动控制系统教学方法探索[J].中国冶金教育，2015，6：22-25.

[4]张云霞.基于校企合作的应用型教材建设探索[J].教育现代化，2017，2（27）：64-65.