電機調(diào)速與控制課程設(shè)計教學探究

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［摘要］針對傳統(tǒng)電機調(diào)速與控制課程設(shè)計存在的一些問題，如教學安排過于集中、課程設(shè)計題目固化、設(shè)計工具單一、脫離工程實踐、缺乏交叉融合等，對照工程教育認證標準分別從教學的組織安排、教學目標、教學內(nèi)容等方面提出了改革方案，使其更切合工程實踐，完善課程設(shè)計的綜合性。課程設(shè)計教學改革近年來實施取得了一定的效果，基于工程教育認證思想，進行了評價效果反思并提出了一些持續(xù)改進措施。

［關(guān)鍵詞］課程設(shè)計；電機調(diào)速；工程教育認證；新工科

一、背景

國內(nèi)的工科教育先后經(jīng)歷了20世紀50年代的“技術(shù)范式”、20世紀80年代的“科學范式”以及20世紀90年代的“工程范式”。2006年我國啟動工程教育專業(yè)認證，對工程技術(shù)人才培養(yǎng)模式提出了更高的要求。中國工程教育認證協(xié)會于2012年7月重新修訂了《工程教育專業(yè)認證標準》，其認證的通用標準以“學生”為中心，強調(diào)達成度過程評價和持續(xù)改進[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踐的通知》，明確指出新工科項目的開展與實施應(yīng)當圍繞工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量和新體系進行[2][3]。同時，電氣化是20世紀最偉大的工程成就；進入21世紀后，電氣化向更寬更深發(fā)展，并且直接面向智能制造。電機調(diào)速與控制[4][5]是電氣工程及其自動化的專業(yè)課，掌握各種類型電機的調(diào)速原理，對學生畢業(yè)參與機器人、數(shù)字機床等智能制造領(lǐng)域工作有極大的幫助。加強實踐環(huán)節(jié)是工程教育認證的迫切要求，沒有實踐的理論是蒼白無力的，同時也難以被學生深刻掌握。電機調(diào)速與控制課程對應(yīng)的課程設(shè)計可以幫助學生將所學的理論知識用于實際的工程活動中。華僑大學電氣工程及其自動化專業(yè)已于2019年通過工程教育認證受理，在此之前便以工程教育認證為指導思想，對電機調(diào)速與控制課程設(shè)計進行了改革探索，旨在增強所培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的能力。

二、現(xiàn)有課程設(shè)計存在的問題

電機調(diào)速與控制課程設(shè)計是電氣工程專業(yè)的一門重要實踐課，可以加深學生對課程基礎(chǔ)知識的理解，同時也能提高學生運用知識和實踐的能力。而傳統(tǒng)的課程設(shè)計教學方式如下：在兩周內(nèi)布置課題任務(wù)，給定目標電機參數(shù)，學生通過MATLAB仿真軟件，設(shè)計其閉環(huán)控制方式與整定環(huán)路參數(shù)。這種教學方式的弊端在于：（1）教學與學生實施安排過于集中：此前的課程設(shè)計一般安排在理論課程知識教授結(jié)束后的兩周內(nèi)完成，學生尚未對理論知識充分理解，并且短時間內(nèi)難以建立與工程的聯(lián)系，實施的效果不佳。（2）課程設(shè)計題目固化：此前課程設(shè)計一般由電機調(diào)速與控制原理教材上的例題改編，設(shè)計題目較為固定，或者只對其中的電機參數(shù)、控制結(jié)構(gòu)簡單改動，學生的設(shè)計一般可以參考往年學生留下的模板，甚至有照搬現(xiàn)象。因此在設(shè)計過程中，學生并沒有真正理解電機控制原理，從而導致課程設(shè)計流于形式，無法達到考查的目的。（3）課程設(shè)計使用的設(shè)計工具單一：在電機調(diào)速與控制的課程設(shè)計中，雖然借助了計算機輔助仿真軟件MATLAB，但是單一的設(shè)計工具限定了學生發(fā)揮的空間；并且在將來學生走向科研、工作崗位后，使用的開發(fā)工具可能有所不同。（4）課程設(shè)計脫離工程實際：此前的課程設(shè)計先通過理論計算進行電機控制系統(tǒng)的參數(shù)計算，并在MATLAB仿真軟件上進行模型驗證。學生完成課程設(shè)計后仍無法理解實際工程中的電機調(diào)速系統(tǒng)是何種形式，其控制系統(tǒng)載體以及軟件實現(xiàn)又是什么樣的，因此并沒有真正打通理論和工程實踐這條通路。（5）課程設(shè)計缺乏交叉融合：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)計并沒有真正實現(xiàn)電類課程的融合，學生在課程設(shè)計實施完后，并不能很好地掌握如電子元器件的使用、電力電子拓撲的選取等內(nèi)容。針對上述問題，為了適應(yīng)工程教育認證以及新工科學科建設(shè)要求，加強學生理論知識和實踐能力的聯(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調(diào)速與課程設(shè)計的教學進行改革。

三、教學改進措施

（一）教學組織的改革

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

（二）課程設(shè)計題目的改革

在課程設(shè)計題目的改革方面，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)計名稱變更為基于電路設(shè)計軟件的電機控制系統(tǒng)課程設(shè)計，并以學生發(fā)展為中心，設(shè)計具有挑戰(zhàn)性的教學目標和教學內(nèi)容，使實踐教學內(nèi)容與時俱進。課程設(shè)計的目標為中小型直流、交流電機控制系統(tǒng)設(shè)計驅(qū)動電路，通過設(shè)計掌握中小型電機驅(qū)動方法及電路設(shè)計軟件的使用。在課程設(shè)計的目標對象電機上，與實際工程應(yīng)用更加貼合，選取了工業(yè)制造應(yīng)用的實際電機參數(shù)。要求學生根據(jù)電機的工作原理，分析電機驅(qū)動的基本形式，完成驅(qū)動電路的方案設(shè)計，主要包括：主電路拓撲、直流母線電壓等級、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)計軟件繪制驅(qū)動電路原理圖、布板，撰寫設(shè)計總結(jié)報告。報告內(nèi)容主要包括：設(shè)計目的與要求、系統(tǒng)技術(shù)指標或設(shè)計要求、系統(tǒng)控制方案、器件選型、硬件工作原理及有關(guān)參數(shù)計算、主要參考資料及心得體會。差異化的課程設(shè)計題目，既可以讓學生形成分組討論，又不容易陷入固有模式。

（三）開發(fā)性的設(shè)計工具

此前的課程設(shè)計使用單一的設(shè)計軟件，原因是課程設(shè)計題目和教學內(nèi)容的局限性。由于改革了教學目標和內(nèi)容，學生在課程設(shè)計實施過程中可使用多種工具，如參數(shù)計算與模型仿真時可使用MATLAB，硬件電路原理設(shè)計與布板布線時可使用AltiumDesigner、Protel、KiCad等，在虛擬仿真時可使用Protues，在控制軟件設(shè)計時可使用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，不強制學生使用何種工具進行開發(fā)，可以激發(fā)學生探索的熱情，開展自主性深度學習，并投身到更具挑戰(zhàn)性的工程實踐中。

（四）與工程實踐接軌

課程設(shè)計的改革在專業(yè)基礎(chǔ)上，結(jié)合新工科發(fā)展趨勢，注重學科交叉和綜合性；在理論學習基礎(chǔ)上，加強學生動手方面的訓練，增強學生工程、成本和項目管理意識，提高學生解決復(fù)雜工程問題的能力。例如，通過課程設(shè)計期望學生掌握電機調(diào)速系統(tǒng)的功能需求、標準、電路設(shè)計與器件選型以及控制算法仿真和軟件編寫；并熟悉項目開發(fā)的一般流程、工程文檔的編制。課程設(shè)計不僅可以增強學生的動手能力，也在一定程度上增加了學生的行業(yè)認知，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)計的改革，更加注重專業(yè)內(nèi)的融合[7]。如在電機調(diào)速系統(tǒng)拓撲的設(shè)計上結(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)字電路與單片機應(yīng)用技術(shù)；在電機控制軟件的實現(xiàn)上，結(jié)合了自動控制理論內(nèi)容。通過一個完整的實踐訓練，學生能更加理解專業(yè)內(nèi)課程的聯(lián)系以及其應(yīng)用場合，并且能夠以學習效果為中心，進行有效檢驗與實施，并形成性教學評價。

四、實施效果

本課程設(shè)計從教學組織形式、教學目標、教學內(nèi)容等方面進行了改革，并從2018—2019學年起在電氣工程及其自動化專業(yè)2016級兩個班進行了試點，至今已開展實施2年，學生的評教有顯著提高，相應(yīng)的理論課程的學習效果也有所提高，學生的動手與工程能力也明顯提升，學生去往相應(yīng)的工作單位已初步具備行業(yè)認知，可以更快融入工作。圖1、圖2為學生開展課程設(shè)計提交的PCB設(shè)計圖與硬件設(shè)計原理圖。

五、持續(xù)改進

雖然在電機調(diào)速與控制的課程設(shè)計改革中取得了一定的效果，但是根據(jù)工程教育認證的思想將進一步進行反思與持續(xù)改進。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)學生發(fā)現(xiàn)問題、文獻調(diào)研、理論分析、仿真驗證、實驗求證，最終解決復(fù)雜工程問題。目前課程設(shè)計在實驗求證環(huán)節(jié)上仍然有所欠缺。將來在電機控制系統(tǒng)的驅(qū)動設(shè)計上，采用模塊化電路引導學生進行電路設(shè)計、參數(shù)選型、焊接與調(diào)試，綜合應(yīng)用所學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；要求學生進行系統(tǒng)搭建電路、數(shù)字控制及性能指標優(yōu)化，在系統(tǒng)調(diào)試中鍛煉學生團隊合作、溝通交流、項目管理及解決復(fù)雜問題的能力。其次，可從提升大學生工程創(chuàng)新意識、實踐能力和團隊合作精神的角度出發(fā)，通過課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)的實施，結(jié)合全國大學生電子設(shè)計大賽、挑戰(zhàn)杯、大學生互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、國家級和省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目等擬定課程設(shè)計題目，以期產(chǎn)生相應(yīng)的大學生雙創(chuàng)成果，有助于專業(yè)和學科建設(shè)。最后，不管是此前還是現(xiàn)在的課程設(shè)計實施中，尚缺乏有效的反饋機制[8]：學校和學院層面針對課程制定了各項教學管理質(zhì)量標準和教學管理文件匯編，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)計結(jié)束后對于該屆學生的效果評價以及對其師生在本專業(yè)領(lǐng)域其他課程的持續(xù)改進缺乏有效的閉環(huán)。對于課程設(shè)計實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、教學委員會作為課程建設(shè)持續(xù)改進的參考依據(jù)。因此，亟待建立一個全面衡量學生能力的體系和標準，為課程設(shè)計按照工程教育專業(yè)認證進行持續(xù)改進提供有力的支撐的評價反饋機制。

作者:王榮坤 單位:華僑大學信息科學與工程學院