项目驱动的主动教学方法在《电力拖动自动控制系统》教学中的应用

张巍巍 潘俊涛 张白 吴国强 薛敏

摘要：通过引入项目驱动的主动教学方法，从示例项目、仿真实验项目到工程实践项目三个方面，使得学生从理论学习—仿真分析—实物实验三个层面全面掌握电力拖动自动控制系统课程的学习内容。

关键词：项目驱动的主动教学方法；电力拖动控制系统；教学探索

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）27-0183-02

一、引言

随着工业4.0的不断推进，国家对运动控制技术人才的需求也日益增加。作为电气工程和自动化专业的核心课程，电力拖动自动控制系统课程综合性和实践性强，是一门综合了电机学、电力电子技术、自动控制原理等课程相关理论知识和实践工程应用的典型课程。全国高校自动化专业根据各自的培养特色，制定了特色鲜明的课程体系，通过理论教学和实验实践教学结合的方式，培养学生工程实践和创新能力，满足社会发展的需要。

二、课程特点及教学现状分析

1.课程特点。电力拖动自动控制系统是北方民族大学自动化本科专业开设的专业核心课程之一，教材为上海大学阮毅、陈伯时教授编写的《电力拖动自动控制系统—运动控制系统（第四版）》。教材内容主要包括直流调速系统、交流调速系统和伺服系统三部分。虽然在实际应用中，交流调速系统已经成为主流，但是直流调速系统是调速的理论基础，因此，教学中主要讲授直流调速系统的基本原理、分析和设计方法。通过课程的学习，要求学生掌握直流电动机拖动系统的基本组成原理，单、上闭环控制系统的动、静态性能分析以及控制系及控制系统的基本设计原理和工程设计方法。与其他课程相比，该课程具有以下特点。（1）课程综合性强，知识覆盖面广。（2）课程与工程实际联系紧密，技术更新较快。

2.教学现状分析。通过综合调查问卷和学生反馈，课程的教学过程和学生的学习过程中存在以下问题。理论课学习中知识点密集，涉及的专业基础知识多，学生头脑中缺乏电力拖动生产实际系统的影子，学生缺乏学习兴趣，对一些工程原理和过程还是无法深入理解，不能从系统角度深入控制信号采集、输入、处理和输出，以及各个环节之间参数的设置和配合。

实验部分和理论学习不能紧紧地联系在一起，理论课上讲解的不能作为实验的引导知识。实验授课过程中，使用的设备都是由实验箱和实验台构成，实验所需的相关电路、电气元件、实验设备都是在实验箱内部。

三、课程教学改革

鉴于课程的特点和教学现状，在电力拖动自动控制系统课程的教学中，将以课程理论知识体系为中心转变为以“项目”为中心，可引起学生的好奇心，提高学习兴趣，同时，以理论分析—仿真实验—实物或半实物实验开展实验教学，可促进学生实践技能的形成。采用项目驱动的主动教学方法，通过介绍典型电力拖动系统在实际工程中的应用，并结合《自动控制原理》、《电机拖动》、《电力电子技术》等多门课程中的基础知识，用于实际电力拖动控制系统的分析和设计，以实际项目和工程经验为出发点，驱动新知识的引入和学习，同时，根据学生的实际水平，在仿真实验的基础上，基于已经搭建的GUI仿真平台，开发和完善不同类型的拖动控制仿真模型，学生可以从理论知识—仿真实验—实际项目三个层次更加系统地掌握所学知识。

1.理论学习从示例项目开始。在讲解每一个理论模块时，首先系统介绍其具体应用场景和部分功能，将功能模块或者应用场景作为示例项目，提出课程中需要掌握的内容和关键知识点。在讲解转速开环控制的直流调速系统内容时，结合先修的《电力电子技术》、《自动控制原理》和《电机拖动》等课程，以提问方式复习之前所学的课程相关内容，设计了他励直流电机直接启动、晶闸管-直流电动机开环调速和他励直流电机开环调速三个仿真示例项目，其中晶闸管-直流电动机开环调速演示实验如图1所示。在Matlab-Simulink平台下，通过课堂演示示例项目，结合新内容提出新的问题，引导学生自己思考，再将课本内容展开对比。通过这种模式，使学生对所学知识从项目角度开始思考，对之前所学知识点进行综合，培养学生系统集成的能力。

2.从仿真项目到实验验证。在讲解完理论模块后，结合理论知识和示例项目，要求每个学生独立完成基于仿真软件的典型调速系统的仿真。仿真项目包括了晶闸管-电机闭环有静差调速、无静差调速、PWM变换器-电机有静差调速、无静差调速四个项目，如图2所示。为了加深学生对实际系统的了解和认识，要求学生建立的仿真模型包括传递函数模型和物理模型。通过传递函数模型的建立，将学生前期学习的《自動控制原理》课程内容应用到以电动机为对象的电力拖动控制系统中；通过物理模型的建立，将《电力电子技术》和《电机拖动基础》的课程内容结合起来，同时结合控制理论设计和调试控制器结构和参数。

3.实际项目引导工程实践。在以原理为主的理论教学和以验证为目的仿真实验的基础上，探索设计综合的实际项目。以工业中广泛应用的西门子全数字直流调速系统装置为例，与课程内容相结合，介绍西门子6RA70系列全数字直流调速系统装置的主电路结构、数字PI调节器模块的图形化结构和调节器参数调整方法，同时补充工程应用中的典型要求，着重就电枢电流调节器的参数设计和调试展开讲述，如图3所示。使得对于学习能力较强，对电力拖动控制技术具有浓厚兴趣的学生，在仿真实验的基础上，了解典型的调速系统装置的结构、编程方法和调整方法，培养学生分析、解决工程项目实际问题的能力。

四、结语

电力系统自动控制系统课程有一定的理论性和实践性，通过示例项目在讲解清楚基本原理的基础上，重点通过仿真项目和实验项目让学生系统理解控制系统各个部分的物理意义和衔接过程，使得学生从理论学习—仿真分析—实物实验三个层面全面掌握学习内容。学习过程也从被动地接受知识转变为发现知识，利用知识完成实际项目设计，这样可以充分调动学生的积极性和提高学习兴趣，培养学生分析问题、解决实际问题的能力。通过不断地探索和教学实践，证明项目驱动的主动教学方法是提高教学质量的有效途径。

参考文献：

[1]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].第4版.北京：机械工业出版社，2010.

[2]冯兴田，胡慧慧，陈荣.卓越计划背景下《电力拖动自动控制系统》课程的改革与实践[J].中国电力教育，2018，1（1）：60-63.

[3]闫根弟，原菊梅，李娜.《电力拖动自动控制系统》适应应用转型的教学改革[J].教育教学论坛，2018，4（14）：126-127.

[4]陈荣.《电力拖动自动控制系统》虚拟实验系统设计[J].实验科学与技术，2013，6（12）：13-15.