“运动控制系统”课程设计在SRTP中的探索

李新德 闫冬文 李和清 余 乐

(1.东南大学 自动化学院,南京 210096)(2.东南大学 网络空间安全学院,南京 210096)

随着我国高等教育的不断改革,SRTP(Student Research Training Program,大学生科研训练计划)已在高校中得到广泛认可,在培养学生创新思维和创新能力方面,具有较好的引导和推动作用。“运动控制系统”是自动化类专业本科阶段的核心课程,在SRTP中广泛应用,但多数学生仅停留在基础理论层面,难以较好地应用于实战工程项目中。项目导向型教学模式是让学生从“0”到“1”完成与课程相关的项目,提倡“理论与实践结合,课堂与实验室结合,能力与项目结合”的教学新方式。基于项目导向型的“运动控制系统”课程设计模式有助于培养学生的综合实践能力和项目管理能力,对全面提升课程教学质量具有重要意义。

1 项目导向型课程设计实施的必要性

“运动控制系统”是电力电子技术、计算机控制技术、自动控制原理和电机学等多学科相互交叉的课程,具有综合性强、知识面广的特点[1]。如果采用传统教学方式,即课堂讲授理论知识、讲解例题,学生理解起来较为抽象,可能造成学生只会做题,不会动手的“怪”现象,严重偏离教学初衷[2]。

基于上述问题,本文以“运动控制系统”课程设计为例,提出项目导向型的教学模式,如图1所示。该教学模式围绕课程知识的运用为中心,选取实际应用中典型的若干项目作为课程载体,将理论知识和实战应用技能融合到项目中,学生通过完成项目中设定的任务达到自我综合能力提升的教学目的[3]。在传统教课方式的基础上,以实践为前提,知识运用为目标,以学生合作型自主学习为主,教师指导为辅,全面培养学生从“敢想,敢说,敢做”到“能想,能说,能做”。

在“运动控制系统”中采用项目导向型教学模式,既保留了传统教学模式的优点,又充分融合了实践过程与知识运用。同时强调了以项目实践为教学导向,让学生在项目中既能巩固、运用知识,又能培养团队合作、创新以及问题的分析和处理能力。

2 项目导向型课程设计的实施方案

“运动控制系统”课程的重要内容有交、直流调速系统两个部分,其中直流电机的调速系统具有结构简单,应用范围广的特点,是经典的学习和分析对象[4]。本文以直流调速系统为知识背景,提出以“两栖无人机的研制”作为项目导向型教学实例。

两栖无人机的五大设计环节如图2所示,分为三大部分:①原理分析:两栖无人机的飞行原理和控制方案设计;②硬件设计:系统硬件框架结构设计,无人机3D模型设计,硬件选型以及电路设计;③软件设计:无人机控制算法设计。本节以“两栖无人机的研制”项目的三大部分实施过程中涉及的知识板块为背景,讨论项目导向型教学模式中学生和教师两个主体间存在的交互方式以及相互影响发挥的作用。

图2 两栖无人机设计环节

2.1 自主学习与团队协作

由知识与实践导向的实验型合作项目能培养学生的团队协作能力。在“两栖无人机的研制”项目中,从理论分析到硬件和软件设计,包括飞行原理分析、构建系统结构框架、硬件选型与设计、飞行控制方案设计和软件实现等步骤,由学生组成的项目团队协商完成。通过自主学习与团队协作能力培养,重点培养学生以下几方面能力:

1)巩固理论知识和统筹能力

两栖无人机设计中的硬件和软件设计,如电子元件选取、电路设计、PCB板制作、电路板焊接、单片机程序实现等,在模拟电路、数字电路、单片机、C语言等专业基础课中均有涉及。

在“运动控制系统”课程中采用项目导向型教学模式能够巩固学生所学过的知识,并使其在项目中得到应用。如图3所示是两栖无人机的系统组成,可以看出小到滤波电路、稳压电路的设计,大到整个系统硬件架构设计,均需要多门课程知识交织综合才能完成。

图3 两栖无人机的系统组成框图

2)知识拓展和进阶学习能力

如图4所示是两栖无人机姿态控制结构框图,学生需要学习和应用姿态控制算法,自行建立无人机的姿态运算模型。其中,姿态控制需要复杂的数学运算求解,如建立动力学和运动学模型、姿态解算等,均需要学生自行拓展学习。

图4 两栖无人机姿态控制结构框图

学生通过自主学习和探索,以旧知识为基础,探索式的发现和掌握新知识。该过程从意识层面上提高学生的求知欲和对新知识的包容度,有利于培养学生攻克困难的信心,使学生形成正向回馈,在不断学习中实现对无人机姿态的可靠、快速、精确的控制。

3)多学科交叉和创新能力

创新是技术进步的核心,是引领发展的第一驱动力。多学科交叉具有综合性、系统性和渗透性等特点,有利于培养学生成为复合型人才。“两栖无人机的研制”是一个系统性项目,涉及机械工程、电子工程、控制工程等多学科领域。如图5所示是两栖无人机的机体模型,机体3D建模与仿真常使用SOLIDWORKS、CATIA等专业软件。该内容在“运动控制系统”课程中没有涉及,学生需要根据项目需求的自行建模分析。通过多学科交叉融合,有助于学生开拓视野,更好地完成项目研究。

(a)水空无人机模型

4)学思并用,团队管理能力

SRTP通常由2～5人组成的项目团队承担,其中1人担任队长。在管理学领域可称之为“组织”。任何一个有组织的集体活动,不论其性质如何,都只有在管理者对它加以管理的条件下,才能按照所要求的方向进行。“两栖无人机系统的研制”项目需要小组成员尽己所能搜集资料,集思广益,讨论制定项目具体的技术方案。队长根据组员的情况和项目难度,将完整项目拆解,形成完整的技术方案。同时,团队定期召开讨论会议,总结项目研究进展[5]。这里我们发现团队的定期会议尤为重要,提出“周组会”和“月组会”两种方案。前者有利于及时发现项目的短期内存在的难题,后者注重中长期科研任务的规划和总结。

2.2 教师指导为辅

在项目导向型教学模式中,教师扮演“技术顾问”的角色。包括确定项目任务、制定项目验收时间节点、定期答疑和最终考核标准等[6]。在“两栖无人机系统的研制”项目中,根据团队定期提交的总结报告提供指导性意见,避免研究方法和研究方向出现偏差,对于团队提出的科研进展难题,寻求最优解决方案。此外,实验室科研氛围也是开展SRTP成败的关键,在“两栖无人机系统的研制”项目中,配置了除教师之外的“科研小导师”,他们是由一群科研成果突出的“学长、学姐”等组成,以此营造“帮扶型、鼓励型和分享型”的科研团队,促进实验室良好的科研氛围。

2.3 项目成果考核

如图6所示是基于项目导向型教学模式,不同团队完成的两栖无人机项目成果实物图。传统的教学成果以考试成绩论英雄的方式不再适用,我们采用学生自评、组员互评、项目答辩得分和教师评分的综合评价方式[7]。同时,鼓励学生将有价值的项目成果积极参与各类别科研竞赛、申请知识产权、发表国内外期刊论文等,做到科研成果有效输出和反馈。

(a)水空两栖无人机实物图(由团队1开发)

3 项目导向型课程设计在SRTP中的思考

SRTP为学生培养科研能力、创新意识提供了广阔的平台,但多数学生仅停留在基础理论层面,难以较好地将理论知识应用于实战工程项目中,缺乏知识应用到实践中的意识,如果不提前培养他们的动手实践能力,即便提供发展平台,也无法发挥其自身优势[8]。“运动控制系统”是一门综合其他理论课程而成的强实践性课程,为学生今后进行科研项目有较大的促进作用。在这门课程中采用项目导向型教学模式有助于培养学生的“项目意识”和“知识实践意识”。

在课程项目中,学生经历了发现问题,交流、合作并解决问题的过程,这将有助于培养其自身的积极性和主观能动性,增强创新意识和动手能力,引导形成严谨的科学态度以及团队合作精神[9]。对培养单位而言,教师与学生均是教学体系中的主人,在实践中应积极探索新时代背景下的教学新需求。在“运动控制系统”课程中采用项目导向型教学模式有利于让学生重视理论与实践融合发展;有利于推动学生对学习和科研的新认知;有利于培养创新性、综合性人才,响应国家对高校培育高质量人才的需求和号召,进一步提高学生的综合素质[10]。

4 结语

“运动控制系统”是一门紧密结合理论和实践的综合性课程。针对教学过程中发现的新需求和新问题,本文提出了项目导向型教学新模式,该模式让学生从“0”到“1”完成与课程相关项目,提倡“理论与实践结合,课堂与实验室结合,能力与项目结合”的教学新模式;我们以直流调速系统为知识背景,设置“两栖无人机的研制”作为项目导向型教学实例,通过培养学生“巩固理论知识和统筹”和“多学科交叉和创新”等能力,有效提升学生综合科研素养;基于项目导向型的“运动控制系统”课程教学新模式,对全面提升课程教学质量具有重要意义。学生通过解决实际问题,提高了综合实践能力和项目管理能力。