“运动控制系统”课程混合式教学改革探索

摘要：文章针对目前“运动控制系统”课程教学过程中存在的不足，充分利用线上和线下、课内和课外等多种教育资源、教学工具及教学手段，重点从课程教学平台、课程教学流程和课程实践环节等方面深入开展“运动控制系统”课程的教学改革，以期突破传统教学在时间和空间等方面存在的局限性，大力促进信息技术与教育教学的深度融合与创新，充分发挥学生学习的自主性和积极性，多角度锻炼学生的思维能力和创新能力，有效培养学生分析和解决实际问题能力，为培养满足新工科需求的自动化专业技术人才提供重要支持。关键词：运动控制系统；混合式教学；教学平台；教学流程；实践环节习近平总书记在党的二十大报告中指出：“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。”[1]科技进步靠人才，人才培养靠教育。作为人才培养过程中的关键性因素，课程质量直接影响着人才培养质量。教育部于2019年发布《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》，明确指出必须深化教育教学改革，把教学改革成果落实到课程建设上，提出实施一流本科课程“双万计划”，重点放在提升创新型、复合型、应用型人才培养课程建设的创新性、示范引领性和推广性上[2]。其中，线上线下相融合的混合式教学已成为高等教育课程发展的主要趋势之一。伴随着数字化教学工具及教学手段的逐步加入，混合式教学课程成功突破了传统课程单一线下教学模式在时间和空间等方面存在的局限性，有效推进了信息技术与教育教学的深度融合与创新，有助于推动高等教育在教学理念、教学方法、教学技术、教学方式和教学模式等诸多方面的改革，为真正实现我国高等教育教学质量的“变轨超车”提供了重要支持[3-5]。在这种背景下，笔者对自动化领域的核心专业课程“运动控制系统”混合式教学改革问题进行探索具有重要的意义。一、“运动控制系统”课程教学现状及存在问题“运动控制系统”是自动化领域控制方向的核心课程，重点讲授电力拖动控制系统的原理、分析和设计等内容。课程以转速、转矩和磁链控制规律为主线，从开环到闭环、从直流到交流、从调速到伺服逐层递进论述运动控制系统的静、动态性能和设计方法[6]。在理论方面，运动控制系统与电机学、电力电子技术、自动控制原理、计算机控制技术和检测技术等学科专业知识紧密联系，课程理论交叉性特点十分突出。在应用方面，运动控制系统以交直流电动机为控制对象，电动机广泛应用于电气伺服传动、信息处理、交通运输、国防和电子电气等领域，课程应用实践性特点也较为突出。作为一门理论性和应用性均较为显著的专业核心课程，“运动控制系统”课程现阶段普遍采用线下教学模式。以本专业为例，每周安排三个学时开展课程教学工作。但是，考虑到“运动控制系统”课程的自身特点，现阶段课程教学模式存在以下问题，这在一定程度影响了课程的整体教学质量。1.“运动控制系统”课程理论交叉性特点较明显，教学过程中涉及众多学科的专业知识。以控制对象为例，包括直流电动机、交流异步电动机和交流同步电动机等。为了顺利学习掌握各种电动机对应运动控制系统的设计思路及方法，学生必须对控制对象的工作原理及特性有一定的了解。但因为涉及的知识点较多，学生基础往往参差不齐，教师常需要在课堂上花費一定时间帮助学生进行相关内容回顾，占用本身就相对较少的教学学时，课程整体教学效果难免受到影响。2.运动控制系统广泛应用于国民经济生产各行各业的自动化控制设备中，课程内容与实际工程应用紧密相连。在新工科背景下，培养能做到理论联系实际的应用型专业技术人才是自动化专业人才培养的重要目标。但是，受限于课程教学学时，教师在教学过程中只能侧重于讲授理论知识，对运动控制系统实际工程应用的相关内容讲授相对较少，更难以在控制系统创新性研究方面进行深入讨论，这直接影响了对学生创新能力和分析及解决实际问题能力的培养。3.“运动控制系统”是一门应用实践性课程，实验实践是课程的重要环节，关系到课程内容的深入学习及巩固。但是，现有实验平台设备多采用模块化形式，学生只需按照实验书上固定流程即可搭建实验系统，按照固定步骤即可完成相关任务。这种方式虽可保证实验的顺利进行，却无法充分锻炼学生对课程理论知识的深入理解及应用。同时，传统的线下实验设备一旦组建好，后期也难以做到频繁升级更新，无法紧跟运动控制系统的发展，学生难以完成控制系统创新设计等工作，一定程度上影响了对学生思维创新和应用实践能力的培养。针对上述问题，提出开展“运动控制系统”课程混合式教学改革研究，充分利用线上和线下、课内和课外等多种教育资源、教学工具及教学手段，从课程教学平台、课程教学流程和课程实践环节等方面入手开展教学改革，充分发挥学生学习的自主性和积极性，多角度锻炼学生的思维能力和创新能力，有效培养学生分析和解决实际问题能力，为培养满足新工科需求的自动化专业技术人才提供重要支持。二、“运动控制系统”课程混合式教学改革措施（一）课程教学平台改革“运动控制系统”课程内容的丰富性和课程教学学时的有限性之间存在着较明显不平衡，直接影响了课程教学目标的达成。构建“运动控制系统”课程混合教学综合平台正是解决上述问题的关键基础。首先，结合“运动控制系统”课程内容特点，以被控对象为主线，将课程内容模块化，分为直流电动机开环控制系统、直流电动机单闭环控制系统、直流电动机双闭环控制系统、异步电动机稳态模型调速系统、异步电动机动态模型调速系统、同步电动机变压变频调速系统和伺服系统等模块。后续课程教学将以上述模块为中心开展工作。其次，考虑到课程课内资源相对有限的问题，综合分析优课联盟、中国大学生慕课等互联网教学资源，结合本专业培养自动化领域新工科专业技术人才的具体要求，挑选与课程内容相匹配的优质在线开放课程资源，突破地域限制，实现名师进课堂。同时，考虑到“运动控制系统”课程具有较明显的理论交叉性，以各模块内容为中心向外围知识领域扩展，确定与运动控制系统紧密相关的电动机、功率放大与变换、信号检测与处理等相关知识领域，针对性挑选对应在线开放课程资源，使本课程教学资源库更加系统化、完整化，为学生深入学习了解运动控制系统提供有力支持。最后，借助超星学习通这一工具，搭建“运动控制系统”课程混合教学综合平台，重点实现课程模块内容资源发布、课程模块辅助内容资源发布、课前预习指导、课前自主学习测试、线下课堂要点总结回顾、章节配套练习题发布、课程报告发布、课程讨论交流等功能，从而在面对学生不同程度、不同角度需求时能及时予以更有针对性的学习帮助，有效解决课程教学资源受限和教学课时受限等问题，有助于提高学生的学习兴趣，改善学生学习的主动性、自主性和认知参与度，最终有效提高课程的整体教学质量。（二）课程教学流程改革现阶段“运动控制系统”课程教学学时普遍较少，往往是由教师进行课程知识点的单方向讲授，学生只是被动学习，缺少教与学之间的互动，学生对课程学习目标往往不明确。因此，在构建课程混合教学综合平台的基础上，提出进行“运动控制系统”课程混合式教学流程改革。将课程教学流程分为课前、课堂和课后三个阶段，结合各阶段的教学要求及特点，分阶段进行针对性设计和实施。在课前阶段，借助“运动控制系统”课程混合教学综合平台，围绕各模块内容的核心知识点，针对性制定课前预习指导，发布相关在线开放课程资源，重点引导学生完成本模块基本概念、基本设计思路和计算方法等内容的自主学习。当学生在学习过程中遇到关联性知识难点时，可利用课程混合教学综合平台中的课程模块辅助内容资源自行进行补充学习。在此基础上，学生需要完成课前自主学习测试，及时发现不足，针对性进行查缺补漏，完善对课程理论知识的学习。此外，学生之间还可借助课程混合教学综合平台中的课程讨论交流版块开展关于本模块内容的讨论，教师也可在线互动答疑，实时跟踪学生的学习进展情况，必要时对有需要的学生进行单独辅助指导，以帮助学生在课前阶段顺利学习掌握课程相关理论知识。在课堂阶段，考虑到学生已基本完成了课程模块理论内容的学习，因此将线下课堂环节的教学重点放在运动控制系统的应用实践方面。以各模块对应运动控制系统为对象，带领学生学习了解各系统的发展历程和发展趋势。在此基础上，从简單到复杂，从无限制因素到单一限制因素，再到多限制因素，逐步引入各运动控制系统的工程应用实例，重点组织学生了解各控制系统的应用背景，引导学生分析各控制系统的应用条件，讨论实际系统在设计过程中须注意的关键问题，提炼并总结不同问题的解决方案，加深学生对于运动控制系统实际工程应用的了解。此外，针对课前阶段学生反馈较多的问题，采用翻转教学方式，以学生为主体进行分组讨论，引导学生对问题进行更深入的剖析和理解。在课后阶段，针对各模块内容中的重点概念、核心设计思路和关键计算方法，发布章节配套练习题，辅助学生复习巩固课程理论知识，帮助教师及时掌握学生对课程内容的掌握情况，进而对课程教学流程设计方案进行针对性优化调整。在此基础上，围绕各模块对应运动控制系统，发布具有一定开放性和创新性的课程项目，设定控制系统的应用场景，以小组形式组织学生开展计及实际工程应用要求和应用条件的运动控制系统设计工作，完成相关课程报告，从而加深学生对于运动控制系统应用性方面的理解认识，有效提升学生的实际应用能力和团队合作能力。（三）课程实践环节改革现有运动控制系统实践环节大多依托传统模块化实验设备进行固定流程操作，传统设备升级更新速度慢，难以跟上课程教学发展要求，更难以开展运动控制系统创新设计方面的教学工作。因此，提出对“运动控制系统”课程实践环节进行改革，构筑课程虚拟实践教学平台。将计算机仿真软件与课程理论教学内容有机结合，基于MATLAB软件中电力系统工具箱的强大功能，以Simulink为实践运行环境，构筑更为立体化、多样化的课程虚拟实践教学平台。以各模块对应运动控制系统为主体，分层设计实验内容，从简单到复杂，从纯理论背景到结合实际工程应用要求，从无应用限制条件到多应用限制条件，层层递进深入。以各类电动机对应典型运动控制系统为对象，搭建仿真模型，应用课程所学理论知识，对控制系统中的关键参数进行调节，分析总结各参数对系统整体性能的影响，同时对基于同种电动机的不同类型运动控制系统的运行效果及性能进行系统性分析比较，讨论不同控制系统结构及控制策略的优缺点，总结各类型运动控制系统的适用范围及条件。在此基础上，以各种电动机为控制对象，开设具有综合性、设计性、创新性和开放性等特点的应用型实验项目。以异步电动机为例，设定电动机应用场景，如机器人、无人驾驶汽车、自动生产线和自动机械臂等。由学生完成涉及实际工程应用要求及限制条件的系统性能需求分析，自主完成运动控制系统方案设计，实现控制系统参数整定。在此基础上，借助课程虚拟实践教学平台，模拟控制系统实际运行场景，对所设计系统的性能进行多角度、多层次的检验，发现系统存在的问题，再结合课程理论知识内容，针对性对系统设计方案进行优化完善，反复迭代，直至设计得到适合应用场景需求及限制的运动控制系统。在这一过程中，学生可以更加全面地从理论性和应用性等多角度加深对运动控制系统的了解认识，将理论知识和应用实践进行更为深入的融合与创新。此外，利用课程混合教学综合平台，实现线上与线下、教师与学生、学生与学生之间针对实践过程中比较关心问题和任务的交流互动，提高课程实践环节的教学效果，进一步促进“运动控制系统”课程教学质量的整体提升。三、结论在信息技术飞速发展的背景下，以自动化专业核心课程“运动控制系统”为例，对高等教育课程混合教学改革问题进行探索。针对课程教学过程中存在的不足，充分利用线