运动控制系统课程基于OBE理念的教学改革研究与实践

    徐颖 潘佳琦 田思庆

    摘 ?要 运动控制系统课程是自动化专业的核心课程。在佳木斯大学进行工程教育专业认证的背景下，借鉴OBE理念，以成果为导向，分析自动化专业学生应具备的能力，反向设计教学内容、教学方式、考核评价等方面，并通过实际授课进行验证，得到良好的教学效果。

    关键词 OBE;运动控制系统;教学改革;工程教育;PPT;自动化专业;实验教学

    中图分类号：G642.0 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）11-0088-03

    1 前言

    运动控制系统课程是自动化专业的必修课程，也是核心课程，是一门多学科交叉的综合性课程[1]。该课程涉及六门学科，分别是电机学、自动控制原理、电力电子、信号检测与处理技术、计算机控制、微电子技术，具有知识面广、综合性强、实践性强的特点[2]。随着运动控制系统学科的发展，原有的教学内容、教学手段和教学方法已经不适合培养与当前社会需求相匹配的应用型人才。

    OBE理念（Outcomes-based education）是以成果为导向的新的教育理念，由美国首先提出，并且迅速得到广泛认可。目前，美国工程教育协会已经将OBE理念贯穿于工程教育认证的始终，形成了完整的理论体系。佳木斯大学正着手准备工程教育专业认证工作，在这样的背景下，把OBE理念引入运动控制系统课程，推动自动化专业工程教育认证工作，具有重要的借鉴意义[3]。

    2 OBE理念

    传统的教育以学科为导向，更强调学科的完整性，强调教师能教什么，而不是学生能学到什么。随着科技的发展，社会对技术型人才的需求在不断变化，这种以学科为导向的教育理念忽视了对学生专业能力的培养，使学生具备的能力与素质和社会需求脱节，增大了就业压力。

    OBE理念以学生能力为导向，聚焦学生能做什么，而不是知道什么;理解什么，而不是记忆什么。OBE理念反向设计教学内容、教学方法、教学手段，强调学生个性化发展，扩大机会，为每个学生提供展示所学的机会，而不是标准化的授课方式、标准化的评价考核方式;强调实用性，注重知识与实际贴合，而不是容易忘记的知识片段;强调的不仅仅是学习能力，还有表达能力、实际动手能力、解决实际问题能力、团队协作能力，还涉及相关价值观和情感因素。OBE理念下的课程建设，由于目标十分明确，以未来社会对人才的需求为目标，使学生明确能力培养方向，从而激发学生的内生动力、学习热情，使学生避免迷茫，树立信心，最终达到能力要求，解决就业压力与社会需求不对称的矛盾。

    3 基于OBE理念的运动控制系统课程

    教学方法 ?佳木斯大学为应用型本科院校，自动化专业的培养目标为工程应用人才，未来的就业岗位主要为服务工程师，主要从事自动控制系统的设计、安装、调试和维修工作。将OBE理念应用到运动控制系统课程，应用型本科院校的自动化专业学生应该具备的能力主要是运动控制系统的设计能力、系统思维能力、较强的动手实践和解决实际工程问题的能力。

    1）理论课内容。在讲授的课程内容上，应该强化知识的广度，弱化知识的深度。如在讲解第六章“基于动态模型的异步电动机调速系统”时，异步电动机的动态数学模型、坐标变换这部分内容涉及复杂的数学公式和推导。数学模型这部分内容在讲授的时候重点强调的是模型的特点，即高阶、非线性、强耦合、多变量，让学生有感性的认识，而不是详细讲述动态数学模型的推导过程，试图锻炼学生的数理演算能力，启发学生思考为什么异步电动机的動态数学模型如此复杂，培养学生发现问题的能力，并且启发学生思考如何使动态数学模型简化，培养学生解决问题的能力;继而引出坐标变换方法，启发学生思考坐标变换的目的是什么;强调变换过程中异步电动机数学模型的变化，而不是数学公式怎么推导而来。

    比如从异步电动机定子、转子的三相坐标系变换到两相坐标系（定子αβ，转子α′β′）后，结合图示，先定性分析定子间、转子间和定子与转子间的电磁耦合关系，然后通过数学模型方程加以验证，并指出变换后数学模型的特点：降低了方程的维度，消除定子三相绕组间和转子三相绕组间的电磁耦合，简化了磁链方程。再进一步分析从两相坐标（定子αβ，转子α′β′）变换到静止两相坐标（αβ）后，数学模型的变化特点：消除了定子、转子间的电磁耦合，磁链方程变为线性方程。同理，直接分析从两相坐标系（定子αβ，转子α′β′）变换到旋转坐标系（dq）后的异步电动机数学模型，通过和静止两相坐标系（αβ）下的数学模型相比较，启发学生思考两者差异，并分析为什么要用旋转坐标系（dq）。

    在讲授的内容上，应该以实际项目为主线，注重知识的实用性，而不是孤立地、片面地讲解理论知识。为激发学生的学习兴趣，以智能电动轮椅项目为例，通过硬件和软件两方面介绍，串联不同学科的知识，培养系统化思维。比如信号和主要电路硬件分为单片机、驱动电路、主电路（桥式可逆PWM电路）、故障检测电路、电源电路、操作与现实电路（操作杆、液晶显示器、按键）。单片机对于自动化专业的学生而言并不陌生，但之前所学为8051单片机。本课程可以介绍运动控制系统专用的单片机，如TI公司生产的TMS320F2812 DSP。驱动电路和主电路是电力电子课程涉及的，可以只做回顾。软件部分为直流电动机的数学模型、控制算法（转速、电流双闭环PI算法）等。对于交流调速系统，可以采用对比的方法，引入可逆轧钢机运控控制系统的工程实例，介绍项目的软件部分和硬件部分。

    在讲授内容上，补充教材未涉及但是实际工程中经常使用的设备。对于运动控制系统而言，变频器和步进电机是高频使用的设备。在介绍变频器时，增加变频器的选型、安装和维护内容。步进电机由于控制信号为脉冲信号，更适合应用于数字调速系统中。数字调速系统是运动控制系统的发展趋势，在数控机床、医疗器械领域应用广泛。有必要介绍步进电机的控制方式、驱动器设定等内容，扩展学生的知识面。

    2）理论课形式。改变传统的整节课都是教师讲授的方式，改为学生总结—教师讲授—学生总结的方式。为增加学生的表现机会，锻炼学生的口头表达能力、整合知识的逻辑思维能力，每三人组成一个学习小组，每堂课课前10分钟，让一个小组出一名代表，利用五分钟口述上节课主要内容、知识间的逻辑关系等;另外两个小组成员接受班级其他学生的提问，最后由教师点评。教师开始新内容的讲授，并且在课程结束前留出五分钟，随机抽取或者让主动举手的学生总结本节课内容，记小组分，作为平时成绩的一部分。

    3）理论课工具。多媒体教学已经深入人心，通过PPT展示，省去在黑板上书写复杂原理图、复杂电路图、复杂公式，节省了大量的宝贵课堂时间。但是，一方面，PPT往往是整页呈现，没有给学生充足的思考时间;另一方面，由于运控控制系统课程的特点，需要不时帮助学生回顾其他学科的知识，如直流电机的运行原理、频率特性曲线绘制、整流桥工作原理等，将这些内容补充到运动控制系统课程PPT上，会打乱PPT的呈现逻辑，并且这些内容的讲授会随着学生不同而具有选择性、随机性。基于此，需要PPT与板书相结合，做到讲授效率与講授效果兼顾。

    4）实验课教学。本门课是实践性很强的课程，学生需要通过实验，加深对算法和系统结构的理解，提高动手能力和解决实际问题的能力。为此，需要仿真实验和实验室实验相结合。运动控制系统课程内容比较抽象，MATLAB软件安装方便且免费，具有仿真交互性[4]。学生不必受限于实验室资源，在自己的计算机上就可以搭建仿真系统。通过搭建系统，改变参数得到不同的仿真曲线，不但能使调速系统的调速效果直观化，加深学生对于调速系统结构、原理的理解，而且能提高学生的系统性思维能力，提高工程设计能力，弥补实验环节的不足。如搭建按转子磁链定向的矢量控制的仿真系统，观察起动过程中，电流的励磁分量和转矩分量波形、转矩波形、转速波形、磁链波形。在线修改调节器参数，将结果相对比，形成直观的印象，加深对抽象的矢量控制知识的理解。

    基于OBE理念，佳木斯大学自动化专业毕业学生未来就业岗位多为服务工程师，就业通常涉及控制系统产品安装和调试工作，公司的培训时间有限，需要服务工程师根据公司的内部安装手册、调试手册等学会产品的具体安装调试。考虑到学生的个性差异，将实验分为三个层次进行教学。

    1）验证性为导向的实验教学。通常教师进行演示，学生模仿搭建，这在一定程度上锻炼了学生的动手能力，满足对本课程持有一般兴趣的学生的需求。

    2）解决问题为导向的实验教学。提供搭建好的实验平台，但是留几个错误接线或者是错误的参数设置，使得系统不能正常使用，让完成验证性实验的学生自愿调试。如对于直流电动机调速系统，试验台总开关闭合，而励磁开关断开，其他设置正常，电动机不运行，但是数字给定显示器有数值变化。通过实验，让学生学会排查问题，锻炼学生发现问题、解决问题的工程能力。

    3）自主设计为导向的开放性实验。不指定实验题目，仅为学生提供实验室设备，让学生根据自己的兴趣自行设计实验内容，锻炼学生进行系统设计的工程能力。

    评价考核 ?考核内容包括平时成绩和考试成绩。OBE理念下，考评体系需要个性化、非标准化。因此，学生可以选择完成多次作业获得平时成绩，也可以选择做项目获得平时成绩，为学生提供更多的选择余地。学生自主参与各种运控控制系统相关项目，模仿公司做项目的流程，熟悉公司项目运作及归档过程;提交归档材料，如项目需求说明书、项目概要设计、项目详细设计说明书;并且完成项目口头答辩，教师给予相应评价，即平时成绩=课堂总结表现+标准化作业或者做项目+出勤。

    4 结语

    OBE理念下的运动控制系统课程教学改革，培养方向目标十分明确，学生有目标感，有驱动力。学生在项目策划与团队协作能力上，在沟通表达能力上，在动手实践能力上，在发现问题、解决问题的能力上，均取得较大的进步，为未来从事服务型工程师工作奠定坚实的基础。

    参考文献

    [1]李新德，郝立，孟正大，等.“电力拖动与运动控制系统”课程教学方法探讨[J].电气电子教学学报，2009，31（6）：94-95.

    [2]潘庭龙，沈艳霞.CDIO模式下“运动控制系统”课程教学体系研究[J].中国电力教育，2009（24）：129-130.

    [3]周彦，王冬丽，向礼但，等.OBE理念下工程应用型专业的研讨式教学改革[J].教育教学论坛，2019（10）：106-107.

    [4]沈艳霞，赵芝璞，纪志成.Matlab/Simulink在运动控制系统教学中的应用[J].贵州大学学报：自然科学版，

    2005，22（4）：435-438.