新工科理念下变频控制技术课程混合式教学模式探索

付丽君 孙金根 吴东升

[摘 要]新工科建设势在必行，科学技术的发展以及各种教学模式的探索和信息化教学平台的建设，都为变频控制技术课程教学的改革奠定了基础。高等教育的教学模式应当与时俱进，笔者结合多年来教学和指导学生参加大学生竞赛的经验，将各种适合本课程的教学模式进行融合，引入教学中，提高了工程教育的人才培养水平。

[关键词]新工科;教学模式融合;信息化教育;项目式教学

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）10-0102-03

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”“互联网+”“一带一路”等一系列国家战略，完成加快中国经济发展的转变，国家急需培养一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为国家产业发展和国际竞争提供智力和人才支撐。为此，2016年国家提出了“新工科”这一概念[1]。

为了新工科的实施，2017年教育部组织国内高校进行深入研讨，积极推进新工科的建设，在形成了“复旦共识”“天大行动”的基础上，2017年6月9日，来自高校、企业和研究机构的30余位专家，在北京召开新工科研究与实践专家组成立暨第一次工作会议，全面地启动、系统地部署新工科建设。在对科技革命、新产业革命、新经济背景带来的时代新机遇、聚焦国家新需求、谋划工程教育新发展进行深入研讨下，此次会议审议通过了《新工科研究与实践项目指南》，即“北京指南”，为新工科建设制订了指导指南，为探索领跑全球工程教育的中国模式的形成，为工程教育提供中国经验，助力高等教育强国建设指明了方向[1-3]。

新工科相对于传统工科专业人才培养，是以新经济、新产业为背景，为未来新兴产业和新经济培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才。新工科更强调学科的实用性、交叉性与综合性，尤其注重信息通信、电子控制、软件设计等新技术与传统工业技术的紧密结合[2]。自动化专业作为传统工科专业，如何加快专业的改造升级，主动融合信息、电子科学与技术以及计算机等专业的新理论和新技术，打造自动化专业建设的新格局，彰显自动化专业发展及建设的新活力，适应国家新工科发展战略是专业研究的课题。

变频控制技术是高等学校自动化专业的主干专业课程，对培养学生工程素养有非常大的作用，在专业教学和建设中占有重要地位。变频控制技术是自动控制领域非常重要的实用技术，对于高等本科教育来说，变频控制技术课程教学大纲要求学生既要掌握变频控制理论也要掌握变频器应用知识，是一门理论性和实践性很强的课程[4]。如何在教学中优化教学内容，将各种先进的教学模式以及信息化技术应用到教学中，是新工科培养导向下变频控制技术教学开展中需要解决的问题。

一、变频控制技术教学中存在的问题

变频控制技术教学目标是使学生既要掌握变频控制技术的基本概念和先进的变频技术理论，又要掌握变频器的基本构造及新型变频器的使用和调试方法，为工业现场培养从事变频调速系统方面的科研、设计、调试的电气工程技术人员。变频控制理论涉及自动控制理论、电机与拖动、电力电子技术等专业基础课内容;变频器是由单片机或数字信号处理器构成的一个强弱电结合的电气设备，变频器应用涉及可编程控制技术、常规电气控制技术、通信技术和计算机技术等。为保证学生在学习前有足够的专业知识，本课程都安排在教学计划的最后，具有鲜明的工程特色，在培养学生建立工程概念、工程实践能力，提高学生的工程综合素质有重要作用[4]。随着变频技术的不断发展，课堂教学时数少与教学内容多的矛盾越来越突出。如何依托新工科教学理念，优化教学内容，利用先进的信息化教学技术，探索培养新工科人才的教学模式，提高教学效率是亟待研究探讨的问题。

二、变频控制技术教学内容的优化

变频控制技术课程理论性和实践性都很强，如何合理地安排变频控制技术理论和变频器应用内容，使学生高质量地既能掌握变频控制理论，又能掌握先进的变频器使用和调试方法，是我们教学中要研究和探索的任务。根据课程大纲要求和教学内容，我们将内容进行了优化，分成了五个部分：（1）变频控制理论;（2）变频器内部电路结构;（3）变频器产品介绍;（4）变频器的常用功能及参数设置与调试;（5）变频器应用及系统设计。

变频控制理论部分内容主要有变频变压原理、交流电动机采用变频供电后对机械特性的影响、三种逆变器的脉宽调制技术、矢量控制理论和直接转矩控制理论。变频器内部电路构成部分内容主要讲授最常用的交-直-交变频器，介绍各部分电路的组成与作用。变频器的常用功能主要以目前高校实验设备中广泛使用的西门子公司MM4系列变频器为主进行讲解，并根据变频器最新发展情况，升级课程内容，将西门子新型伺服驱动器SINAMICS S120引入教学中。该驱动器能实现伺服控制、速度控制和转矩控制，该伺服驱动器采用模块化结构，电源模块具有三种类型，包括基本电源模块（BLM）、具有回馈功能的非调节电源模块（SLM）和具有回馈功能并采用专利技术AFE的调节型电源模块（ALM），各模块之间采用了Drive-CLIQ接口通信，是未来变频器的发展方向，也是目前教育部“西门子杯”智能制造挑战赛运动控制比赛中所采用的驱动器。变频器的常用功能以西门子MM4系列变频器为例讲授，并讲授利用操作面板设置参数及调试方法。随着驱动产品功能的越来越强，变频器的调试经常采用调试工具软件进行，因此以SINAMICS S120为例讲解利用工具软件STARTER调试的方法。通信技术已广泛地应用到现代运动控制系统中，因此在教学中介绍了现代运动控制系统的构成，讲解可编程控制器（PLC）、触摸屏（HMI）和变频器在运动控制系统中的作用，以及它们之间的通信方法，使教学内容更贴近实际。变频器产品部分主要简单介绍国内外变频器厂商生产的产品。变频器应用及系统设计内容讲解了三类负载采用变频调速系统的设计方法，并以六个实例讲解变频器的应用。

三、变频控制技术教学模式的改革

我们将变频控制技术课程教学内容分成了五个部分，而这五个部分的内容各有特点，有单独的理论部分，有单独的变频器调试部分等。如果课程讲授只是采用一种教学模式，就会很难达到较好的教学效果。“北京指南”中强调新工科更加注重模式创新，所以我们应针对不同的教学内容采用不同的教学模式，尝试在一门课的教学中采用多种教学方法的融合，形成一种混合式教学模式。

（一）课堂教学与网上资源共享课融合的教学模式

变频控制理论学习有一定的难度，尤其是矢量控制理论，学生接受起来很困难，学生学习起来也感到枯燥乏味，如果学时不充裕的话很难达到较好的教学效果。教育的信息化为我们教学的开展创立了新的平台，国家和各省都开展了精品共享课的建设，为各个高校提供共享的优质教学资源。辽宁省本科教学管理平台的共享课资源交流拖动自动控制系统课程，系统地講授了交流调速的理论知识，包括交流电动机的变频调速理论。因此，变频控制理论部分的教学我们采用课堂教学与网上资源共享课教学相结合的模式开展。我们在课堂上根据内容，首先提出需要掌握的知识点，让学生带着问题到网上资源共享课中学习，找答案。如学习变频调速原理时，提出：是不是在实际的交流电动机调速中，只变频就可以达到改变电动机转速的控制？矢量控制的基本思路是什么，为什么矢量控制中要进行坐标变换？在学生上网学习的基础上，引导学生在课堂上进行讨论，师生互动，改变传统教学学生只管“听”的多年积弊，将“单声道”的课堂教学模式变为交流—讨论的“多声道”教学模式。这样，既调动了学生的学习主动性，又达到了很好的学习效果，充分地利用了教育信息化的资源，提高了课堂教学的效率，节省了课堂时数。

（二）将各大变频器生产厂商宣传资源引入教学

在变频器介绍中，充分利用国内外各大生产厂商的产品宣传片，如Simense MM4系列变频器、RockWell变频器和大陆希望集团的森兰变频器等，让学生通过视频了解变频器的生产过程、变频器实际内部构件，使学生既了解到变频器实际生产企业情况，又对变频器有了感性认知，激发了学生学习的兴趣。

（三）利用多媒体教学的优势开展变频器内部结构教学

在讲授变频器内部电路时，利用多媒体教学的优势，可以加入大量变频器内部构造以及外部端子的排列图片，增大传授的信息量，克服了传统教学中学生只停留在电路的学习，跟实际电气产品相脱钩的弊端。

（四）引进项目式教学模式

根据变频器常用功能参数设置与调试部分教学内容的特点，我们觉得更适合采用项目式教学模式。为此，根据实际变频器应用系统中常用的基本功能，我们结合教学内容，在充分考虑学生需要掌握哪些知识点和操作技能的情况下，有针对性和实用性地设置了四个项目，见表1所示。教学由浅入深地，将变频器常用功能的参数设置与调试方法通过一个个具体的项目串联起来展开，使学生系统地掌握变频器的常用功能使用和调试方法，使学生综合运用变频器的能力得到提高[4-6]。

在学生对项目充分准备后，将进入实验室按项目要求逐一开展实践教学过程，由简单任务到复杂任务，使学生对变频器的操作日益熟练。学生看到自己按项目要求实现了功能操作，有了成就感，也提高了学习的兴趣。在整个项目教学实践过程中，学生在具有一定的理论知识后，通过准备，再通过实践验证理论知识，并在项目的实施过程中针对不断出现的问题，学会了解决问题的方法，使工程素质有了很大提升。

通过让学生带着项目去学习，实现“以学生为中心”和“回归工程”新工科教育理念，培养学生不仅只是学习书本上的内容，还会根据问题学会查阅技术手册解决问题的习惯，增强了学生独立思考能力，加强对未来工程师的素质培养。

（五）引导式教学与课程设计无缝衔接

变频控制技术课程一般都设置课程设计环节，注重理念的引领。变频控制技术系统设计方面的知识采用了引导式教学模式，以某个类型负载变频调速系统为例，从电机容量的选择、变频器的选择，到外围电气器件的选择，只讲解设计思路，具体如何计算、选择和设计留到课程设计环节中由学生自学，然后完成设计任务，实现课程与课程设计教学环节的衔接，培养学生工程整体概念和设计能力。

四、结束语

变频控制技术课程教学内容的特点是理论性和实践性都很强，从多年的授课经验来看，单独一种教学模式并不适合该门课程的教学。新工科强调要加强教学模式的创新，作为老工科专业的课程应当与时俱进，因此在教学中要探索将多种教学模式进行融合，并利用信息化的优质教学资源开展教学。由省优秀教师在共享课信息化教学平台上讲授，使学生能够系统地学习变频控制理论，也可以解决课程内容多学时少的矛盾;采用项目式教学模式，通过设置由简单到复杂的项目任务，使学生学中做，做中学，引导学生完成项目实施，激发了学生的学习主动性和求知欲，也提高了学生独立思考问题能力、实际操作变频器能力和解决问题能力;将变频器生产厂商的宣传片引入教学，真实展现了变频器的应用，开阔了视野，增加了学生的学习动力;对照多媒体教学演示的实际产品构造图片讲解，抛开了照本宣科式的枯燥教学，更能调动学生的学习兴趣;采用引导式教学，可以与课程设计更好地衔接，为后续教学工作取得更好的效果打下基础。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2] 吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科 主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[3] 顾佩华.新工科与新范式：概念、框架和实施路径[J].高等工程教育研究，2017（6）：1-13.

[4] 周惠芳，陈文明.变频器技术及应用课程项目化改革探索与实践[J].中国教育技术装备，2016（12）：134-136.

[5] 陈青华，周炯亮.“变频器技术”课程项目式教学改革与教学设计[J].中国电力教育，2013（13）：82-83.

[6] 张学辉.《变频器项目》课程改革探索与研究[J].电大理工，2016（2）：32-34.

[责任编辑：钟 岚]