電機(jī)調(diào)速與控制課程設(shè)計(jì)教學(xué)探究

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［摘要］針對傳統(tǒng)電機(jī)調(diào)速與控制課程設(shè)計(jì)存在的一些問題，如教學(xué)安排過于集中、課程設(shè)計(jì)題目固化、設(shè)計(jì)工具單一、脫離工程實(shí)踐、缺乏交叉融合等，對照工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)分別從教學(xué)的組織安排、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容等方面提出了改革方案，使其更切合工程實(shí)踐，完善課程設(shè)計(jì)的綜合性。課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革近年來實(shí)施取得了一定的效果，基于工程教育認(rèn)證思想，進(jìn)行了評價(jià)效果反思并提出了一些持續(xù)改進(jìn)措施。

［關(guān)鍵詞］課程設(shè)計(jì)；電機(jī)調(diào)速；工程教育認(rèn)證；新工科

一、背景

國內(nèi)的工科教育先后經(jīng)歷了20世紀(jì)50年代的“技術(shù)范式”、20世紀(jì)80年代的“科學(xué)范式”以及20世紀(jì)90年代的“工程范式”。2006年我國啟動工程教育專業(yè)認(rèn)證，對工程技術(shù)人才培養(yǎng)模式提出了更高的要求。中國工程教育認(rèn)證協(xié)會于2012年7月重新修訂了《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》，其認(rèn)證的通用標(biāo)準(zhǔn)以“學(xué)生”為中心，強(qiáng)調(diào)達(dá)成度過程評價(jià)和持續(xù)改進(jìn)[1]。2017年2月，教育部高等教育司了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，明確指出新工科項(xiàng)目的開展與實(shí)施應(yīng)當(dāng)圍繞工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量和新體系進(jìn)行[2][3]。同時(shí)，電氣化是20世紀(jì)最偉大的工程成就；進(jìn)入21世紀(jì)后，電氣化向更寬更深發(fā)展，并且直接面向智能制造。電機(jī)調(diào)速與控制[4][5]是電氣工程及其自動化的專業(yè)課，掌握各種類型電機(jī)的調(diào)速原理，對學(xué)生畢業(yè)參與機(jī)器人、數(shù)字機(jī)床等智能制造領(lǐng)域工作有極大的幫助。加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)是工程教育認(rèn)證的迫切要求，沒有實(shí)踐的理論是蒼白無力的，同時(shí)也難以被學(xué)生深刻掌握。電機(jī)調(diào)速與控制課程對應(yīng)的課程設(shè)計(jì)可以幫助學(xué)生將所學(xué)的理論知識用于實(shí)際的工程活動中。華僑大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)已于2019年通過工程教育認(rèn)證受理，在此之前便以工程教育認(rèn)證為指導(dǎo)思想，對電機(jī)調(diào)速與控制課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了改革探索，旨在增強(qiáng)所培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

二、現(xiàn)有課程設(shè)計(jì)存在的問題

電機(jī)調(diào)速與控制課程設(shè)計(jì)是電氣工程專業(yè)的一門重要實(shí)踐課，可以加深學(xué)生對課程基礎(chǔ)知識的理解，同時(shí)也能提高學(xué)生運(yùn)用知識和實(shí)踐的能力。而傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)教學(xué)方式如下：在兩周內(nèi)布置課題任務(wù)，給定目標(biāo)電機(jī)參數(shù)，學(xué)生通過MATLAB仿真軟件，設(shè)計(jì)其閉環(huán)控制方式與整定環(huán)路參數(shù)。這種教學(xué)方式的弊端在于：（1）教學(xué)與學(xué)生實(shí)施安排過于集中：此前的課程設(shè)計(jì)一般安排在理論課程知識教授結(jié)束后的兩周內(nèi)完成，學(xué)生尚未對理論知識充分理解，并且短時(shí)間內(nèi)難以建立與工程的聯(lián)系，實(shí)施的效果不佳。（2）課程設(shè)計(jì)題目固化：此前課程設(shè)計(jì)一般由電機(jī)調(diào)速與控制原理教材上的例題改編，設(shè)計(jì)題目較為固定，或者只對其中的電機(jī)參數(shù)、控制結(jié)構(gòu)簡單改動，學(xué)生的設(shè)計(jì)一般可以參考往年學(xué)生留下的模板，甚至有照搬現(xiàn)象。因此在設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生并沒有真正理解電機(jī)控制原理，從而導(dǎo)致課程設(shè)計(jì)流于形式，無法達(dá)到考查的目的。（3）課程設(shè)計(jì)使用的設(shè)計(jì)工具單一：在電機(jī)調(diào)速與控制的課程設(shè)計(jì)中，雖然借助了計(jì)算機(jī)輔助仿真軟件MATLAB，但是單一的設(shè)計(jì)工具限定了學(xué)生發(fā)揮的空間；并且在將來學(xué)生走向科研、工作崗位后，使用的開發(fā)工具可能有所不同。（4）課程設(shè)計(jì)脫離工程實(shí)際：此前的課程設(shè)計(jì)先通過理論計(jì)算進(jìn)行電機(jī)控制系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算，并在MATLAB仿真軟件上進(jìn)行模型驗(yàn)證。學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)后仍無法理解實(shí)際工程中的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是何種形式，其控制系統(tǒng)載體以及軟件實(shí)現(xiàn)又是什么樣的，因此并沒有真正打通理論和工程實(shí)踐這條通路。（5）課程設(shè)計(jì)缺乏交叉融合：眾所周知，電氣工程是一門交叉融合的綜合性學(xué)科，電路、模擬電子、數(shù)字電子、電力電子此電類課程是本專業(yè)的基礎(chǔ)課程，電機(jī)調(diào)速與控制是在此類課程基礎(chǔ)上的專業(yè)應(yīng)用型課程。但是配套的課程設(shè)計(jì)并沒有真正實(shí)現(xiàn)電類課程的融合，學(xué)生在課程設(shè)計(jì)實(shí)施完后，并不能很好地掌握如電子元器件的使用、電力電子拓?fù)涞倪x取等內(nèi)容。針對上述問題，為了適應(yīng)工程教育認(rèn)證以及新工科學(xué)科建設(shè)要求，加強(qiáng)學(xué)生理論知識和實(shí)踐能力的聯(lián)系，以及提高其解決復(fù)雜工程問題的能力，筆者提出了一些措施對電機(jī)調(diào)速與課程設(shè)計(jì)的教學(xué)進(jìn)行改革。

三、教學(xué)改進(jìn)措施

（一）教學(xué)組織的改革

傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速與控制課程設(shè)計(jì)實(shí)施安排過于集中，且與日常教學(xué)相脫節(jié)，學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識后不能馬上通過實(shí)踐鞏固，不能較好地達(dá)到課程設(shè)計(jì)應(yīng)有的效果[6]。針對該問題，將課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)按照工程項(xiàng)目管理中的任務(wù)目標(biāo)分解的方式，結(jié)合到理論課程的教學(xué)工作中。在學(xué)期開始時(shí)即布置總體設(shè)計(jì)任務(wù)，并且在理論課程各個(gè)章節(jié)講授中布置分解任務(wù)，如講授緒論，可讓學(xué)生開展關(guān)于目前工業(yè)應(yīng)用的電機(jī)及其驅(qū)動器的調(diào)研，了解關(guān)于驅(qū)動器拓?fù)浼肮β势骷吞?、控制板和?qū)動板的器件選型等方面內(nèi)容；在較寬裕的學(xué)期安排中，可提前布置學(xué)生熟悉相關(guān)的仿真軟件以及電路設(shè)計(jì)軟件；在講授第三章關(guān)于轉(zhuǎn)速電流雙反饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，布置的作業(yè)可與學(xué)生要開展的設(shè)計(jì)題目結(jié)合，學(xué)生在理論課程學(xué)習(xí)時(shí)可完成參數(shù)計(jì)算，減輕之后的設(shè)計(jì)工作量。通過這種以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心全周期的工程實(shí)踐培養(yǎng)模式，既加深了學(xué)生對理論知識與課程設(shè)計(jì)實(shí)踐的關(guān)聯(lián)性，同時(shí)也使得整個(gè)課程設(shè)計(jì)開展在相對輕松的氛圍下進(jìn)行。

（二）課程設(shè)計(jì)題目的改革

在課程設(shè)計(jì)題目的改革方面，經(jīng)過高校教師、企業(yè)專家共同參與的培養(yǎng)方案修訂研討會，將課程設(shè)計(jì)名稱變更為基于電路設(shè)計(jì)軟件的電機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，并以學(xué)生發(fā)展為中心，設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，使實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)。課程設(shè)計(jì)的目標(biāo)為中小型直流、交流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)驅(qū)動電路，通過設(shè)計(jì)掌握中小型電機(jī)驅(qū)動方法及電路設(shè)計(jì)軟件的使用。在課程設(shè)計(jì)的目標(biāo)對象電機(jī)上，與實(shí)際工程應(yīng)用更加貼合，選取了工業(yè)制造應(yīng)用的實(shí)際電機(jī)參數(shù)。要求學(xué)生根據(jù)電機(jī)的工作原理，分析電機(jī)驅(qū)動的基本形式，完成驅(qū)動電路的方案設(shè)計(jì)，主要包括：主電路拓?fù)洹⒅绷髂妇€電壓等級、整流電路、濾波電路、斬波電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)速/位置檢測電路等，并利用輔助設(shè)計(jì)軟件繪制驅(qū)動電路原理圖、布板，撰寫設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告。報(bào)告內(nèi)容主要包括：設(shè)計(jì)目的與要求、系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)或設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)控制方案、器件選型、硬件工作原理及有關(guān)參數(shù)計(jì)算、主要參考資料及心得體會。差異化的課程設(shè)計(jì)題目，既可以讓學(xué)生形成分組討論，又不容易陷入固有模式。

（三）開發(fā)性的設(shè)計(jì)工具

此前的課程設(shè)計(jì)使用單一的設(shè)計(jì)軟件，原因是課程設(shè)計(jì)題目和教學(xué)內(nèi)容的局限性。由于改革了教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，學(xué)生在課程設(shè)計(jì)實(shí)施過程中可使用多種工具，如參數(shù)計(jì)算與模型仿真時(shí)可使用MATLAB，硬件電路原理設(shè)計(jì)與布板布線時(shí)可使用AltiumDesigner、Protel、KiCad等，在虛擬仿真時(shí)可使用Protues，在控制軟件設(shè)計(jì)時(shí)可使用Keil、CCS等不同處理器平臺的開發(fā)環(huán)境。這種開發(fā)的方式，不強(qiáng)制學(xué)生使用何種工具進(jìn)行開發(fā)，可以激發(fā)學(xué)生探索的熱情，開展自主性深度學(xué)習(xí)，并投身到更具挑戰(zhàn)性的工程實(shí)踐中。

（四）與工程實(shí)踐接軌

課程設(shè)計(jì)的改革在專業(yè)基礎(chǔ)上，結(jié)合新工科發(fā)展趨勢，注重學(xué)科交叉和綜合性；在理論學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，加強(qiáng)學(xué)生動手方面的訓(xùn)練，增強(qiáng)學(xué)生工程、成本和項(xiàng)目管理意識，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。例如，通過課程設(shè)計(jì)期望學(xué)生掌握電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功能需求、標(biāo)準(zhǔn)、電路設(shè)計(jì)與器件選型以及控制算法仿真和軟件編寫；并熟悉項(xiàng)目開發(fā)的一般流程、工程文檔的編制。課程設(shè)計(jì)不僅可以增強(qiáng)學(xué)生的動手能力，也在一定程度上增加了學(xué)生的行業(yè)認(rèn)知，畢業(yè)后可更快地投入工作中。

（五）注重專業(yè)融合

課程設(shè)計(jì)的改革，更加注重專業(yè)內(nèi)的融合[7]。如在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)上結(jié)合了電力電子技術(shù)課程中的PWM變換器與逆變器部分；在硬件設(shè)計(jì)上結(jié)合了模擬電子線路與電路；在數(shù)字化控制技術(shù)方面，對于微處理的應(yīng)用結(jié)合了數(shù)字電路與單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)；在電機(jī)控制軟件的實(shí)現(xiàn)上，結(jié)合了自動控制理論內(nèi)容。通過一個(gè)完整的實(shí)踐訓(xùn)練，學(xué)生能更加理解專業(yè)內(nèi)課程的聯(lián)系以及其應(yīng)用場合，并且能夠以學(xué)習(xí)效果為中心，進(jìn)行有效檢驗(yàn)與實(shí)施，并形成性教學(xué)評價(jià)。

四、實(shí)施效果

本課程設(shè)計(jì)從教學(xué)組織形式、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容等方面進(jìn)行了改革，并從2018—2019學(xué)年起在電氣工程及其自動化專業(yè)2016級兩個(gè)班進(jìn)行了試點(diǎn)，至今已開展實(shí)施2年，學(xué)生的評教有顯著提高，相應(yīng)的理論課程的學(xué)習(xí)效果也有所提高，學(xué)生的動手與工程能力也明顯提升，學(xué)生去往相應(yīng)的工作單位已初步具備行業(yè)認(rèn)知，可以更快融入工作。圖1、圖2為學(xué)生開展課程設(shè)計(jì)提交的PCB設(shè)計(jì)圖與硬件設(shè)計(jì)原理圖。

五、持續(xù)改進(jìn)

雖然在電機(jī)調(diào)速與控制的課程設(shè)計(jì)改革中取得了一定的效果，但是根據(jù)工程教育認(rèn)證的思想將進(jìn)一步進(jìn)行反思與持續(xù)改進(jìn)。首先，在接下來的課程建設(shè)中將更加注重全過程的培養(yǎng)，力圖培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、文獻(xiàn)調(diào)研、理論分析、仿真驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)求證，最終解決復(fù)雜工程問題。目前課程設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)求證環(huán)節(jié)上仍然有所欠缺。將來在電機(jī)控制系統(tǒng)的驅(qū)動設(shè)計(jì)上，采用模塊化電路引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、參數(shù)選型、焊接與調(diào)試，綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識和方法逐一分析解決電路調(diào)試過程中遇到的問題；要求學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)搭建電路、數(shù)字控制及性能指標(biāo)優(yōu)化，在系統(tǒng)調(diào)試中鍛煉學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作、溝通交流、項(xiàng)目管理及解決復(fù)雜問題的能力。其次，可從提升大學(xué)生工程創(chuàng)新意識、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神的角度出發(fā)，通過課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)施，結(jié)合全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、挑戰(zhàn)杯、大學(xué)生互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、國家級和省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目等擬定課程設(shè)計(jì)題目，以期產(chǎn)生相應(yīng)的大學(xué)生雙創(chuàng)成果，有助于專業(yè)和學(xué)科建設(shè)。最后，不管是此前還是現(xiàn)在的課程設(shè)計(jì)實(shí)施中，尚缺乏有效的反饋機(jī)制[8]：學(xué)校和學(xué)院層面針對課程制定了各項(xiàng)教學(xué)管理質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)管理文件匯編，但此部分屬于頂層框架；目前的反饋大都是過程中的師生互動，但是在課程設(shè)計(jì)結(jié)束后對于該屆學(xué)生的效果評價(jià)以及對其師生在本專業(yè)領(lǐng)域其他課程的持續(xù)改進(jìn)缺乏有效的閉環(huán)。對于課程設(shè)計(jì)實(shí)施存在的問題信息收集不全，無法全面提供任課教師、專業(yè)教研室、教學(xué)委員會作為課程建設(shè)持續(xù)改進(jìn)的參考依據(jù)。因此，亟待建立一個(gè)全面衡量學(xué)生能力的體系和標(biāo)準(zhǔn)，為課程設(shè)計(jì)按照工程教育專業(yè)認(rèn)證進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)提供有力的支撐的評價(jià)反饋機(jī)制。

作者:王榮坤 單位:華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院