新工科背景下电机拖动与控制课程群教学改革探索

新工科背景下电机拖动与控制课程群教学改革探索

通雁辉，苏晓宇，王宇嘉

上海工程技术大学电子电气工程学院，上海， 201620

摘要：本文探讨了新工科背景下自动化专业电机拖动与控制课程群教学改革的方向和策略。结合应用型本科院校自动化专业人才培养的目标，从电机拖动与控制课程群的角色和特点出发，首先对当前教学中存在的问题进行分析，然后分别从基于项目式教学的课程内容设计、线上线下混合教学模式的运用、虚拟仿真实验平台的构建和半实物仿真实验室的建设四个方面提出课程教学改革的思路和措施。实践表明上述教学改革策略可有效提升自动化专业学生解决复杂工程问题的能力，从而为其他院校自动化相关专业的课程改革提供参考和借鉴。

关键词：新工科；自动化；电机拖动与控制；教学改革

一、引言

随着社会和经济的发展，国家和企业对工程技术人才的培养提出了更高的要求。为了应对即将来临的新科技革命与产业变革，有力支撑创新驱动发展的模式，国家教育部提出“新工科”建设的发展战略，为我国高等工程教育的改革指明了方向。因此，在新工科背景下，思考和探索高等工程教育和教学的新范式和新策略，以培养适合社会发展需求的工程技术人才^[1]，是当前高等工程教育亟需解决的问题。

随着学科交叉的程度越来越强以及企业对应用型人才综合能力的需求不断增加，高等院校的教学改革需要从传统的单门课程拓展到课程群的层面上。工程专业课程群是一种课程建设的新模式，是为完善某一工程领域的认知结构，将若干具有深度逻辑联系的课程加以整合而成的系列课程。各课程在内容上密切相关、相互渗透，具有很强的互补性和综合性，能较大幅度地提高课程的教学效果和培养学生解决复杂工程问题的能力。电机拖动与控制课程群作为应用型本科院校自动化专业的核心课程，其具有很强的综合性和交叉性，相关技术在智能制造、轨道交通、航空航天等领域有着广泛的应用^[2]。作为自动化专业的核心课程群，电机拖动与控制课程群的教学质量在专业人才的培养中起着举足轻重的作用^[3]。电机拖动与控制课程群建设的根本目的就在于培养学生解决复杂工程中的电机拖动与控制问题，提高学生的系统方案设计和实施能力，所以其课程教学的设计都应该围绕该目标而开展。

电机拖动与控制课程群通常包含“电机拖动及基础”、“自动控制原理”、“计算机控制技术”、“单片机技术”、“电力电子技术”等课程。当前的教学现状是课程群内的各门课程的教学相互独立，课程之间的关联性不强，缺乏有机统一的教学规划和课程设计^[4]，由此导致自动化专业学生在系统综合分析和设计能力的培养上存在很大不足。近年来，众多院校都在按照工程认证的要求探索高等应用型人才培养的新模式，我院也在努力尝试大类招生改革，对各专业的课程进行优化整合，强化课程建设和教学改革。自动化专业也以此为契机不断打造课程群的建设，以培养学生的系统工程思维和解决工程中某类复杂工程问题的能力。

二、当前教学中存在的问题

当前电机拖动与控制课程群教学中存在的主要问题包含：

(1) 各课程教学内容的融合度和创新度不强。电机拖动与控制课程群教学内容的设置应注重课程之间的高度关联性和整个课程群的系统性。由于目前课程群内各门课程采取独立教学的方式，且在制定课程教学大纲时缺乏充分的沟通和协调，各任课教师按照自身的教学理念开展教学，所以各门课程的教学内容和知识点较分散，不利于培养学生建立综合的电机拖动与控制理论体系。此外，课程的教学内容陈旧，与当前技术的发展现状不符，由此导致培养出的毕业生不能很好地满足企业的需求。

(2) 缺乏综合性强的实践课程的设置。复杂工程能力的培养不仅需要扎实的理论教学还需要充分的实践训练。虽然目前各相关课程设置了相应的课内实践教学内容，但总体上缺乏综合性较强的实践课程的设置，由此导致对学生综合能力的培养和训练上存在很大不足。有效综合实践课程的设置需要充分结合工程背景，能够将各门课程的理论和实践教学统一起来，强化学生对各门课程知识点的理解和综合运用能力，以利于培养学生解决复杂工程问题的能力。

(3) 课程的教学模式陈旧单一缺乏新颖性。由于沿袭传统课堂讲授的教学模式，学生对课程教学产生疲劳感，从而导致教学效果较差。况且，课程讲授比较适合于理论性强的知识点的讲解，对于注重实践性或研究性的教学内容而言其效果往往不理想。随着信息化教学技术的发展，充分利用项目式教学、反转课堂教学、线上线下混合式教学、虚拟仿真实验平台式教学等不同教学模式，可以为课程注入更多的新鲜元素，更容易调动学生的学习兴趣和主动性。

三、课程教学改革的思路和措施

（一）基于CDIO项目式教学的课程内容设计

为了提高工程教育的质量以更好地适应产业发展的需求，CDIO的教育理念被世界上的众多工程院校广泛采纳。所谓CDIO理念是指通过针对实际系统或产品的构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运作（Operate）这一培养过程，来培养学生的基础工程能力、个人能力、人际团队能力以及系统工程能力

^[5]。自动化专业电机拖动与控制课程群的教学目标就是培养学生解决工程中电机拖动与控制系统的CDIO能力。两者之间的关系可由图1来简要描述。如图所示，电机拖动与控制课程群的建设要围绕使学生能够解决复杂工程中的电机拖动与控制问题这一目标而开展。课程群内各门课程要最终融合形成统一的电机拖动与控制理论及技术体系，且各门课程的衔接需要科学合理，符合教学的基本规律，有利于培养学生的综合能力。

图1 电机拖动与控制课程群与实际电拖系统的关系

考虑到课程学时有限，为了突出教学的目标，在本次电机拖动与控制课程群的教学改革中，利用CDIO理念并遵循成果导向原则，统一协调的基础上制定各门课程的教学大纲。结合学校的特色，以轨道交通领域中的牵引电机系统为应用背景，各任课教师通过充分交流统一教学理念，优化各门课程的教学内容。比如，在“电机及拖动基础”课程中增加控制电机等内容，在“自动控制理论”课程中强化电机闭环控制系统设计等内容，在“计算机控制技术”课程中增加数字控制器设计方法等内容，同时对“控制系统的MATLAB仿真”、“单片机控制技术”等相关课程的教学内容也进行了优化。经过优化后的课程内容设置有助增强学生对电机拖动系统动力学建模、控制器设计、控制系统仿真、控制系统实现等理论和方法的深刻理解。与此同时，增加综合性实验教学内容的设计，利用虚拟仿真和半实物仿真实验教学平台，强化对学生综合工程能力的培养，最终使学生具有构思、设计、实施和运作一个实际牵引电机控制系统的能力。

（二） 基于线下线上混合教学模式和策略的运用

信息技术的发展为传统教学提供了更多手段，特别是新冠疫情爆发以来网络云课堂成为课堂教学的一种有效互补方式，为应急状况下“停课不停学”提供了有力支撑。在当前学科交叉和专业融合趋势越来越明显的形势下，社会和企业对大学生的知识和技能的需求也在不断增加，大学生所面临的学习任务更加严峻，因此在现有学制和学时不变的条件下，努力提高教学质量和教学效果成为最优有效的解决途径。工程专业的学习往往注重理论与实践并重，而传统的课堂教学则以讲授基本理论和方法为主，虽然大部分课程设有实验环节，但由于实验室资源有限导致学生实训的时间不足。因此，有效利用线上教学手段可以弥补线下教学时间不足的问题，同时由于当前慕课平台和虚拟仿真实验平台资源的不断丰富，线上线下混合教学的模式不仅可以拓展理论教学的广度和深度还可以增加实验训练的充足性^[6]。

在本次电机拖动与控制课程群的教学改革中，群内各课程利用超星学习通平台开展线上课程建设。在线上教学平台上设计和分享了教学大纲、教学PPT、教学动画、课下作业、讨论主题、虚拟仿真实验题目以及课程相关的前沿学术和技术资料等。学生可以在线提交作业和发表讨论，学生以及师生之间可以随时通过手机终端进行互动交流，老师可以在线批改作业、评定成绩。线上教学一定程度上缓解了课堂教学的压力感和紧迫感，学生可以更加轻松地投入到学习中，同时线上交流可激发学生的学习兴趣，培养学生协调合作的能力。这种能力对于大型系统工程项目的研发是不可或缺的。后续将不断完善线上平台的教学资源，进一步实现课程群群内全部教学资源的规划、设计和共享，激励承担教学的所有教师和选修该课程群的全部学生针对设定主题进行探讨，正是意义上实现电机拖动与控制课程群线上和线下教学的一体化建设。

（三） 基于多物理域系统仿真软件的虚拟实验平台构建

电机拖动与控制课程群的教学目标是培养学生解决复杂工程背景中电机拖动与控制系统构思、设计、实施和运作的能力，故该课程群具有很强的理论结合实际的特点，在开展理论教学的同时还需注重实验教学的作用和地位。然而，当前的实验教学受制于实验场所和实验设备，比如设备昂贵导致人均实验设备有限，实验设备固化导致其功能可拓展性差，实验设备的强电压工作环境对实验人员的安全性和设备的可靠性存在潜在威胁等^[7]。然而，随着计算机虚拟仿真技术的发展，众多科学和工程软件应运而生，其中部分还支持多物理域系统仿真，比如MATLAB/Simscape、Maple/Maplesim、AMESim等。通过利用多物理域系统仿真软件，学生可以针对复杂的动力学、电气、结构系统进行仿真建模，并在此基础上深入分析系统的力学和电气特性，验证系统设计的有效性以及稳态和动态性能。

电机拖动与控制系统包含机械、电气、电子等各个组件，因此可借助于多物理域系统仿真软件对其动力学系统进行仿真分析。在本次教学改革中，利用MATLAB软件开展虚拟实验平台构建。基于MATLAB/Simscape设计直流电机和交流电机拖动系统虚拟仿真实验题目，如图2所示。图中直流电机拖动系统是由直流电机、传动装置和负载组成。传动装置是通过齿轮和丝杠将直流电机转矩转化为平动的力，而负载大小则通过水平推力施加。同时，基于MATLAB/Simulink设计电机拖动系统动力学仿真及电机拖动与控制系统仿真实验题目，如图3中a)和b)所示。通过设计虚拟仿真实验题目，激励学生从多物理域仿真的角度去设计和实施一个电机拖动与控制系统，不但有助于加深学生对基本理论的理解，而且有利于培养学生的系统工程思维和能力。

图2 基于MATLAB/Simscape的直流电机拖动系统仿真图

a) 电机拖动系统 b) 电机拖动与控制系统

图3 基于MATLAB/Simulink的直流电机拖动与控制系统仿真

（四） 基于硬件在环的半实物仿真实验室建设

由于某些过程或对象的复杂性和危险性，很难在实验室环境下完全再现一个实际系统，诸如飞行控制系统、电车牵引控制系统等，所以半实物仿真成为验证系统设计有效性的必要手段。通常半实物仿真采用硬件在环(Hardware in the loop, HIL)的方式，即利用实时仿真器与真实控制器进行通信以构成闭环控制系统，进而对控制器的性能进行测试，这里的“硬件”指的就是真实的控制器，其包含硬件设备和控制算法。可见，基于硬件在环的半实物仿真实验与基于科学软件的虚拟仿真实验相比，其实时性接近实际系统的运行状况，故HIL半实物仿真方法受到工程师的青睐。

考虑到高等工程教育的最终目的是要为企业输送优秀的专业技术人才。为了在大学培养人才和企业使用人才之间架设起一座桥梁，应用型院校需要努力采取校企合作的模式完善半实物仿真实验室的建设。当前教育部产学研协同育人项目的实施为高校完善当前实验室条件提供了良好的契机。在电机拖动与控制系统半实物仿真实验室建设方面，正基于MR2硬件在环半实物仿真平台开展电机牵引自动控制系统的驱动控制器开发和验证实验项目，其实验系统结构如图4所示。图中实时仿真器与嵌入式控制器之间可实现高速的数据交互，同时该平台也提供了与MATLAB的接口，可实现电机拖动与控制系统的数字孪生，从而使系统的设计和验证变得更加简洁。在虚拟仿真实验的基础上，HIL半实物仿真实验项目的实施使学生对电机拖动与控制系统的工作原理和设计流程有了更加深刻的理解，为毕业后走上工作岗位奠定了坚实的基础。

图4 MR2硬件在环半实物仿真系统

四、结束语

新工科背景下高等工程教育的主要目标是培养学生解决复杂工程问题的综合能力。课程改革的思路需要更加注重课程之间的关联性和统一性，从单门课程建设逐步拓展到课程群的建设。本文针对高等院校自动化专业中的电机拖动与控制课程群建设和教学改革的问题，分析了目前教学现状中存在教学内容融合度不高、实践性教学薄弱、教学形式单一机械等情形，并提出了基于CDIO的项目式教学内容设计、线上线下混合教学模式的运用、虚拟仿真实验平台的构建和硬件在环半实物仿真实验室的建设四个方向上的改革思路和策略。实践表明，上述改革思路和策略对学生在电机拖动自动控制系统构思、设计、实施和运作能力培养方面具有很好的效果。

参考文献

1. 林健. 如何理解和解决复杂工程问题--基于《华盛顿协议》的界定和要求[J].高等工程教育研究, 2016(5):17-26, 38.

2. 高彩霞, 黄节. 面向“卓越计划”的电机与控制课程群群教学内容改革[J]. 中国现代教育装备, 2018(19):71-72.

3. 陈世军, 江善和. 新工科背景下的“电机及拖动基础”课程教学改革研究[J]. 科教文汇, 2020(17):83-85.

4. 袁澜, 邱联奎, 曹哲, 等. “运动控制系统”课程群建设与改革探讨[J]. 电气电子教学学报, 2016, 38(3):58-60.

5. 刘思远, 姜万录, 陈刚, 等. 基于CDIO项目式教学的课程改革与实践——以电气传动与控制课程三级项目教学为例[J]. 教学研究, 2012, 35(3):44-46,73.

6. 李玲纯, 庞军, 周海军, 等. 新工科背景下“电机及电力拖动”课程OBE分段式线上教学改革与实践[J]. 滁州学院学报, 2021, 23(2):127-131.

7. 刘涛, 蔡燕, 朱高嘉,等. 基于代码生成技术的《电机拖动与控制》课程实验教学改革[J]. 中国教育信息化, 2021(18):61-64.

通雁辉，男，汉族，中共党员，1984 内蒙古乌兰察布市，博士研究生学历，现为上海工程技术大学电子电气工程学院自动化系讲师。主要从事专业：自动化。主要研究方向：切换系统控制、模型预测控制、飞行器制导与控制。

苏晓宇，女，汉族，中共党员，1985 黑龙江省七台河市，博士研究生学历，现为上海工程技术大学电子电气工程学院自动化系讲师。主要从事专业：自动化。主要研究方向：水下机器人控制，船舶控制。

王宇嘉，女，汉族，中共党员，1979 黑龙江省哈尔滨市，博士研究生学历，现为上海工程技术大学电子电气工程学院自动化系副教授。主要从事专业：自动化。主要研究方向：进化计算、多目标优化、群体智能算法、智能控制等。

项目名称：上海工程技术大学校级精品课程建设项目-《电机拖动及基础》课程建设

项目编号：0232-A3-0601-21-011306