“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程混合式教學(xué)改革探索

摘要：文章針對(duì)目前“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)過(guò)程中存在的不足，充分利用線上和線下、課內(nèi)和課外等多種教育資源、教學(xué)工具及教學(xué)手段，重點(diǎn)從課程教學(xué)平臺(tái)、課程教學(xué)流程和課程實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面深入開(kāi)展“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革，以期突破傳統(tǒng)教學(xué)在時(shí)間和空間等方面存在的局限性，大力促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合與創(chuàng)新，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，多角度鍛煉學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力，有效培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題能力，為培養(yǎng)滿足新工科需求的自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)人才提供重要支持。關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；混合式教學(xué)；教學(xué)平臺(tái)；教學(xué)流程；實(shí)踐環(huán)節(jié)習(xí)近平總書(shū)記在黨的二十大報(bào)告中指出：“教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐?！盵1]科技進(jìn)步靠人才，人才培養(yǎng)靠教育。作為人才培養(yǎng)過(guò)程中的關(guān)鍵性因素，課程質(zhì)量直接影響著人才培養(yǎng)質(zhì)量。教育部于2019年發(fā)布《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》，明確指出必須深化教育教學(xué)改革，把教學(xué)改革成果落實(shí)到課程建設(shè)上，提出實(shí)施一流本科課程“雙萬(wàn)計(jì)劃”，重點(diǎn)放在提升創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)課程建設(shè)的創(chuàng)新性、示范引領(lǐng)性和推廣性上[2]。其中，線上線下相融合的混合式教學(xué)已成為高等教育課程發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。伴隨著數(shù)字化教學(xué)工具及教學(xué)手段的逐步加入，混合式教學(xué)課程成功突破了傳統(tǒng)課程單一線下教學(xué)模式在時(shí)間和空間等方面存在的局限性，有效推進(jìn)了信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合與創(chuàng)新，有助于推動(dòng)高等教育在教學(xué)理念、教學(xué)方法、教學(xué)技術(shù)、教學(xué)方式和教學(xué)模式等諸多方面的改革，為真正實(shí)現(xiàn)我國(guó)高等教育教學(xué)質(zhì)量的“變軌超車”提供了重要支持[3-5]。在這種背景下，筆者對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域的核心專業(yè)課程“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”混合式教學(xué)改革問(wèn)題進(jìn)行探索具有重要的意義。一、“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”是自動(dòng)化領(lǐng)域控制方向的核心課程，重點(diǎn)講授電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的原理、分析和設(shè)計(jì)等內(nèi)容。課程以轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制規(guī)律為主線，從開(kāi)環(huán)到閉環(huán)、從直流到交流、從調(diào)速到伺服逐層遞進(jìn)論述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能和設(shè)計(jì)方法[6]。在理論方面，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)等學(xué)科專業(yè)知識(shí)緊密聯(lián)系，課程理論交叉性特點(diǎn)十分突出。在應(yīng)用方面，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以交直流電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于電氣伺服傳動(dòng)、信息處理、交通運(yùn)輸、國(guó)防和電子電氣等領(lǐng)域，課程應(yīng)用實(shí)踐性特點(diǎn)也較為突出。作為一門理論性和應(yīng)用性均較為顯著的專業(yè)核心課程，“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程現(xiàn)階段普遍采用線下教學(xué)模式。以本專業(yè)為例，每周安排三個(gè)學(xué)時(shí)開(kāi)展課程教學(xué)工作。但是，考慮到“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的自身特點(diǎn)，現(xiàn)階段課程教學(xué)模式存在以下問(wèn)題，這在一定程度影響了課程的整體教學(xué)質(zhì)量。1.“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程理論交叉性特點(diǎn)較明顯，教學(xué)過(guò)程中涉及眾多學(xué)科的專業(yè)知識(shí)。以控制對(duì)象為例，包括直流電動(dòng)機(jī)、交流異步電動(dòng)機(jī)和交流同步電動(dòng)機(jī)等。為了順利學(xué)習(xí)掌握各種電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及方法，學(xué)生必須對(duì)控制對(duì)象的工作原理及特性有一定的了解。但因?yàn)樯婕暗闹R(shí)點(diǎn)較多，學(xué)生基礎(chǔ)往往參差不齊，教師常需要在課堂上花費(fèi)一定時(shí)間幫助學(xué)生進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容回顧，占用本身就相對(duì)較少的教學(xué)學(xué)時(shí)，課程整體教學(xué)效果難免受到影響。2.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)各行各業(yè)的自動(dòng)化控制設(shè)備中，課程內(nèi)容與實(shí)際工程應(yīng)用緊密相連。在新工科背景下，培養(yǎng)能做到理論聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才是自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)。但是，受限于課程教學(xué)學(xué)時(shí)，教師在教學(xué)過(guò)程中只能側(cè)重于講授理論知識(shí)，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)際工程應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容講授相對(duì)較少，更難以在控制系統(tǒng)創(chuàng)新性研究方面進(jìn)行深入討論，這直接影響了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和分析及解決實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)。3.“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”是一門應(yīng)用實(shí)踐性課程，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐是課程的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到課程內(nèi)容的深入學(xué)習(xí)及鞏固。但是，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備多采用模塊化形式，學(xué)生只需按照實(shí)驗(yàn)書(shū)上固定流程即可搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，按照固定步驟即可完成相關(guān)任務(wù)。這種方式雖可保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，卻無(wú)法充分鍛煉學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)的深入理解及應(yīng)用。同時(shí)，傳統(tǒng)的線下實(shí)驗(yàn)設(shè)備一旦組建好，后期也難以做到頻繁升級(jí)更新，無(wú)法緊跟運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，學(xué)生難以完成控制系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)等工作，一定程度上影響了對(duì)學(xué)生思維創(chuàng)新和應(yīng)用實(shí)踐能力的培養(yǎng)。針對(duì)上述問(wèn)題，提出開(kāi)展“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程混合式教學(xué)改革研究，充分利用線上和線下、課內(nèi)和課外等多種教育資源、教學(xué)工具及教學(xué)手段，從課程教學(xué)平臺(tái)、課程教學(xué)流程和課程實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面入手開(kāi)展教學(xué)改革，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，多角度鍛煉學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力，有效培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題能力，為培養(yǎng)滿足新工科需求的自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)人才提供重要支持。二、“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程混合式教學(xué)改革措施（一）課程教學(xué)平臺(tái)改革“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程內(nèi)容的豐富性和課程教學(xué)學(xué)時(shí)的有限性之間存在著較明顯不平衡，直接影響了課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。構(gòu)建“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程混合教學(xué)綜合平臺(tái)正是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵基礎(chǔ)。首先，結(jié)合“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程內(nèi)容特點(diǎn)，以被控對(duì)象為主線，將課程內(nèi)容模塊化，分為直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)單閉環(huán)控制系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)、異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型調(diào)速系統(tǒng)、異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型調(diào)速系統(tǒng)、同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)等模塊。后續(xù)課程教學(xué)將以上述模塊為中心開(kāi)展工作。其次，考慮到課程課內(nèi)資源相對(duì)有限的問(wèn)題，綜合分析優(yōu)課聯(lián)盟、中國(guó)大學(xué)生慕課等互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)資源，結(jié)合本專業(yè)培養(yǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域新工科專業(yè)技術(shù)人才的具體要求，挑選與課程內(nèi)容相匹配的優(yōu)質(zhì)在線開(kāi)放課程資源，突破地域限制，實(shí)現(xiàn)名師進(jìn)課堂。同時(shí)，考慮到“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程具有較明顯的理論交叉性，以各模塊內(nèi)容為中心向外圍知識(shí)領(lǐng)域擴(kuò)展，確定與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)緊密相關(guān)的電動(dòng)機(jī)、功率放大與變換、信號(hào)檢測(cè)與處理等相關(guān)知識(shí)領(lǐng)域，針對(duì)性挑選對(duì)應(yīng)在線開(kāi)放課程資源，使本課程教學(xué)資源庫(kù)更加系統(tǒng)化、完整化，為學(xué)生深入學(xué)習(xí)了解運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供有力支持。最后，借助超星學(xué)習(xí)通這一工具，搭建“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程混合教學(xué)綜合平臺(tái)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)課程模塊內(nèi)容資源發(fā)布、課程模塊輔助內(nèi)容資源發(fā)布、課前預(yù)習(xí)指導(dǎo)、課前自主學(xué)習(xí)測(cè)試、線下課堂要點(diǎn)總結(jié)回顧、章節(jié)配套練習(xí)題發(fā)布、課程報(bào)告發(fā)布、課程討論交流等功能，從而在面對(duì)學(xué)生不同程度、不同角度需求時(shí)能及時(shí)予以更有針對(duì)性的學(xué)習(xí)幫助，有效解決課程教學(xué)資源受限和教學(xué)課時(shí)受限等問(wèn)題，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、自主性和認(rèn)知參與度，最終有效提高課程的整體教學(xué)質(zhì)量。（二）課程教學(xué)流程改革現(xiàn)階段“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)學(xué)時(shí)普遍較少，往往是由教師進(jìn)行課程知識(shí)點(diǎn)的單方向講授，學(xué)生只是被動(dòng)學(xué)習(xí)，缺少教與學(xué)之間的互動(dòng)，學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)目標(biāo)往往不明確。因此，在構(gòu)建課程混合教學(xué)綜合平臺(tái)的基礎(chǔ)上，提出進(jìn)行“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程混合式教學(xué)流程改革。將課程教學(xué)流程分為課前、課堂和課后三個(gè)階段，結(jié)合各階段的教學(xué)要求及特點(diǎn)，分階段進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)和實(shí)施。在課前階段，借助“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程混合教學(xué)綜合平臺(tái)，圍繞各模塊內(nèi)容的核心知識(shí)點(diǎn)，針對(duì)性制定課前預(yù)習(xí)指導(dǎo)，發(fā)布相關(guān)在線開(kāi)放課程資源，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生完成本模塊基本概念、基本設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法等內(nèi)容的自主學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到關(guān)聯(lián)性知識(shí)難點(diǎn)時(shí)，可利用課程混合教學(xué)綜合平臺(tái)中的課程模塊輔助內(nèi)容資源自行進(jìn)行補(bǔ)充學(xué)習(xí)。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生需要完成課前自主學(xué)習(xí)測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不足，針對(duì)性進(jìn)行查缺補(bǔ)漏，完善對(duì)課程理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。此外，學(xué)生之間還可借助課程混合教學(xué)綜合平臺(tái)中的課程討論交流版塊開(kāi)展關(guān)于本模塊內(nèi)容的討論，教師也可在線互動(dòng)答疑，實(shí)時(shí)跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展情況，必要時(shí)對(duì)有需要的學(xué)生進(jìn)行單獨(dú)輔助指導(dǎo)，以幫助學(xué)生在課前階段順利學(xué)習(xí)掌握課程相關(guān)理論知識(shí)。在課堂階段，考慮到學(xué)生已基本完成了課程模塊理論內(nèi)容的學(xué)習(xí)，因此將線下課堂環(huán)節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)放在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐方面。以各模塊對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為對(duì)象，帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)了解各系統(tǒng)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從無(wú)限制因素到單一限制因素，再到多限制因素，逐步引入各運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用實(shí)例，重點(diǎn)組織學(xué)生了解各控制系統(tǒng)的應(yīng)用背景，引導(dǎo)學(xué)生分析各控制系統(tǒng)的應(yīng)用條件，討論實(shí)際系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中須注意的關(guān)鍵問(wèn)題，提煉并總結(jié)不同問(wèn)題的解決方案，加深學(xué)生對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)際工程應(yīng)用的了解。此外，針對(duì)課前階段學(xué)生反饋較多的問(wèn)題，采用翻轉(zhuǎn)教學(xué)方式，以學(xué)生為主體進(jìn)行分組討論，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行更深入的剖析和理解。在課后階段，針對(duì)各模塊內(nèi)容中的重點(diǎn)概念、核心設(shè)計(jì)思路和關(guān)鍵計(jì)算方法，發(fā)布章節(jié)配套練習(xí)題，輔助學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固課程理論知識(shí)，幫助教師及時(shí)掌握學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握情況，進(jìn)而對(duì)課程教學(xué)流程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，圍繞各模塊對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，發(fā)布具有一定開(kāi)放性和創(chuàng)新性的課程項(xiàng)目，設(shè)定控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，以小組形式組織學(xué)生開(kāi)展計(jì)及實(shí)際工程應(yīng)用要求和應(yīng)用條件的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，完成相關(guān)課程報(bào)告，從而加深學(xué)生對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用性方面的理解認(rèn)識(shí)，有效提升學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。（三）課程實(shí)踐環(huán)節(jié)改革現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)踐環(huán)節(jié)大多依托傳統(tǒng)模塊化實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行固定流程操作，傳統(tǒng)設(shè)備升級(jí)更新速度慢，難以跟上課程教學(xué)發(fā)展要求，更難以開(kāi)展運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面的教學(xué)工作。因此，提出對(duì)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，構(gòu)筑課程虛擬實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。將計(jì)算機(jī)仿真軟件與課程理論教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，基于MATLAB軟件中電力系統(tǒng)工具箱的強(qiáng)大功能，以Simulink為實(shí)踐運(yùn)行環(huán)境，構(gòu)筑更為立體化、多樣化的課程虛擬實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。以各模塊對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為主體，分層設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從純理論背景到結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用要求，從無(wú)應(yīng)用限制條件到多應(yīng)用限制條件，層層遞進(jìn)深入。以各類電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)典型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為對(duì)象，搭建仿真模型，應(yīng)用課程所學(xué)理論知識(shí)，對(duì)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，分析總結(jié)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響，同時(shí)對(duì)基于同種電動(dòng)機(jī)的不同類型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果及性能進(jìn)行系統(tǒng)性分析比較，討論不同控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)各類型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的適用范圍及條件。在此基礎(chǔ)上，以各種電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，開(kāi)設(shè)具有綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性和開(kāi)放性等特點(diǎn)的應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以異步電動(dòng)機(jī)為例，設(shè)定電動(dòng)機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景，如機(jī)器人、無(wú)人駕駛汽車、自動(dòng)生產(chǎn)線和自動(dòng)機(jī)械臂等。由學(xué)生完成涉及實(shí)際工程應(yīng)用要求及限制條件的系統(tǒng)性能需求分析，自主完成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)參數(shù)整定。在此基礎(chǔ)上，借助課程虛擬實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，模擬控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景，對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行多角度、多層次的檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，再結(jié)合課程理論知識(shí)內(nèi)容，針對(duì)性對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化完善，反復(fù)迭代，直至設(shè)計(jì)得到適合應(yīng)用場(chǎng)景需求及限制的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。在這一過(guò)程中，學(xué)生可以更加全面地從理論性和應(yīng)用性等多角度加深對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的了解認(rèn)識(shí)，將理論知識(shí)和應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行更為深入的融合與創(chuàng)新。此外，利用課程混合教學(xué)綜合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)線上與線下、教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間針對(duì)實(shí)踐過(guò)程中比較關(guān)心問(wèn)題和任務(wù)的交流互動(dòng)，提高課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)效果，進(jìn)一步促進(jìn)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)質(zhì)量的整體提升。三、結(jié)論在信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，以自動(dòng)化專業(yè)核心課程“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”為例，對(duì)高等教育課程混合教學(xué)改革問(wèn)題進(jìn)行探索。針對(duì)課程教學(xué)過(guò)程中存在的不足，充分利用線