陳衛(wèi)東， 韓 兵， 楊 明， 王景川， 盧俊國

(上海交通大學自動化系，系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點實驗室，上海 200240)

0 引言

運動控制系統(tǒng)在航天航空、機器人、生產(chǎn)制造、交通能源乃至家用電器等方面有著極為廣泛的應用，是自動化教學的重要組成部分。清華大學自動化系為實現(xiàn)創(chuàng)建研究型自動化教學體系、培養(yǎng)創(chuàng)新型專業(yè)拔尖人才的目標，針對出現(xiàn)的矛盾和問題，在培養(yǎng)方案、課程體系、課程設置、精品課建設、課堂教學、實踐教學等方面進行了多方位的改革與實踐[1]，東南大學自動化專業(yè)就教學研究與實踐團隊的發(fā)展、目標定位和人員結構進行探索，取得的一系列教學研究與改革創(chuàng)新成果[2]。由于先進的電子、計算機、控制技術和理論不斷發(fā)展，不斷充實更新教學內(nèi)容[3]，自動化工程觀念的培養(yǎng)[4]，完善教學試驗平臺[5-9]，探索教學方法和實踐[10-13]等方面的工作不斷被推出，為實現(xiàn)創(chuàng)建自動化專業(yè)研究型教學體系，培養(yǎng)創(chuàng)新型專業(yè)拔尖人才的目標指出了方向。

本文針對“運動控制系統(tǒng)”課程教學中出現(xiàn)的種種問題，從課程體系建設與教學理念改革兩方面入手，通過建立各種教學實驗室、創(chuàng)新競賽工作室、參與科技競賽活動、創(chuàng)辦國際化課程等手段，逐步形成了一套以創(chuàng)新為主體的運動控制課程體系[14-16]，并且不斷更新教學內(nèi)容、改進教學理念，形成以實踐為中心、以創(chuàng)新為目的的教學模式，解決了理論教學和創(chuàng)新實踐的結合問題。

1 存在問題與瓶頸

國外高校運動控制系統(tǒng)教學已經(jīng)綜合了當前國際上迅速發(fā)展的各種先進技術，集成了計算機技術、電子通信技術、人機界面與組態(tài)軟件技術、自動控制技術、人工智能技術等先進技術和方法，已經(jīng)實現(xiàn)并應用了集全數(shù)字化、智能化、光機電一體化的運動控制系統(tǒng)。

國內(nèi)知名理工科院校有運動控制系統(tǒng)或類似課程，它涵蓋了控制理論、電力電子技術、電子學、電機學、計算機和工業(yè)通信網(wǎng)絡等學科內(nèi)容。部分國內(nèi)重點高校也建立運動控制實驗室，但在開展運動控制系統(tǒng)應用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面與國外仍有一定差距。

我們在運動控制系統(tǒng)課程教學和實踐等方面，雖然已經(jīng)取得一定的成績，但與國際一流水平相比尚有較大差距，體現(xiàn)在:重視課堂教學，輕視雙向交流和面向問題的研討;重視傳統(tǒng)技術教授，輕視傳授和講解當代先進技術;多為一般理論分析和教學實驗、缺乏復雜系統(tǒng)在結構與手段上的描述;體系內(nèi)課程內(nèi)容更新緩慢，缺乏有效的、全面綜合的創(chuàng)新實驗等，使得課程體系難以適應時代對創(chuàng)新型拔尖人才培養(yǎng)的要求。

2 課程體系建設

我們建立的運動控制系統(tǒng)的課程體系如圖1所示，課程體系中既有優(yōu)質(zhì)課程為代表的專業(yè)基礎課程，也有以科技創(chuàng)新課程為代表的實踐課程，通過理論教學與創(chuàng)新實踐交叉結合，培養(yǎng)理工科復合型人才。

(1)課堂教學。主要講解相關基礎課和運動控制系統(tǒng)原理，并將工業(yè)生產(chǎn)、交通和家電中應用的運動控制系統(tǒng)和運動控制問題等融入基本原理的講解，使同學們更好地理解運動控制原理、提高對運動控制系統(tǒng)的興趣、初步了解運動控制的系統(tǒng)結構、理論體系和設計應用方法。

圖1 創(chuàng)新實踐為主體的運動控制系統(tǒng)課程體系

(2)培養(yǎng)學生綜合能力。將教學實踐和創(chuàng)新人才培養(yǎng)相結合，培養(yǎng)同學的動手實踐和創(chuàng)新能力，提高學生對于自動控制、人工智能、嵌入式系統(tǒng)、機器人學等多學科知識的綜合運用能力，解決了理論教學和創(chuàng)新實踐的結合問題，為培養(yǎng)高素質(zhì)的復合型創(chuàng)新人才打下基礎。

針對當前運動控制技術涉及知識面廣、知識結構更新快的特點，以主干專業(yè)課“運動控制系統(tǒng)”為抓手，協(xié)調(diào)統(tǒng)籌上下游的相關課程的教學和實驗內(nèi)容，向下對接專業(yè)基礎課“變流技術”、“PLC技術”和“自動控制理論”的基礎理論和技術，向上支撐科技創(chuàng)新課“智能車控制算法設計和實踐”、“智能車嵌入式系統(tǒng)導論與實踐”和“智能機器人開發(fā)與實踐”，理順各課程之間的銜接和支撐關系，逐步建立起一套系統(tǒng)化的運動控制教學體系。

同時，為順應國際化教學的發(fā)展，我們以人工智能和機器人教育為主題，創(chuàng)辦國際化教育課程“上海人工智能系列講座”，采用現(xiàn)代網(wǎng)絡教育手段、聘請國際大師實時在線授課、全球師生在線互動交流、虛擬三維環(huán)境進行課程設計的教學模式。解決了國際化教學中人員成本高，交通不便以及缺乏多國學生交流的問題，建立了工程技術國際化教育的新模式和新手段。同時，通過國際化課程搭建的交流與合作平臺極大地開拓了學生們的視野，為他們今后的理工科學習指明了方向、樹立了遠大目標。

3 教學理念改革

3.1 不斷更新教育思想與教育理念

在我校原有的“厚基礎、重實踐”前提下，進一步拓展學生自主學習與互動交流相結合、科學創(chuàng)新與應用創(chuàng)新相結合的能力。同時，優(yōu)化教學結構、需因材施教、重視個性化教育、建立和諧師生關系、開拓學生國際視野，推動教學理念向國際化、現(xiàn)代化的科學技術教育的先進水平靠近;結合自動化專業(yè)特點，將“反饋—權衡—優(yōu)化”的思想應用于教學中，逐漸改進教學方式、方法，在理論性強的課程教學中，注重抽象概念和實際應用的物理意義的聯(lián)系，而在實踐性較強的課程中則結合理論的指導意義使之融會貫通，逐漸摸索出以下規(guī)律:

(1)注重培養(yǎng)學生興趣和動手能力的培養(yǎng);

(2)注重理論與實踐相結合。引導學生自覺地將所學過的理論和實驗結果進行聯(lián)系，從理論上分析實驗現(xiàn)象和實驗中出現(xiàn)的問題;

(3)注重引導學生了解相關領域的最新動向;

(4)注重學生團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)他們從較早時間開始接觸以項目為目標的工程概念。

3.2 不斷更新教學內(nèi)容，完善教學實驗平臺

根據(jù)運動控制系統(tǒng)技術的發(fā)展，不斷調(diào)整課程體系的教學內(nèi)容。逐漸增加數(shù)字運動控制、光電運動控制等內(nèi)容，同時，更新部分電機運動系統(tǒng)內(nèi)容，編譯精密運動控制教學參考書，在保留原有教學內(nèi)容基礎上，形成以拓展運動控制專業(yè)特色技術為內(nèi)容的課程體系。研制應用于實踐教育的模塊化機器人實踐平臺[16]，突破傳統(tǒng)的訓練式教育模式，利用機器人多學科交叉、融合的特點，將機器人系統(tǒng)軟硬件以模塊形式搭建，使得學生在實踐、創(chuàng)新中獲取、鞏固理論知識，同時培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作、分析解決問題能力，極大提高學生的自信心和學習興趣。同時，在原有“直流調(diào)速控制系統(tǒng)”和“交流調(diào)速控制系統(tǒng)實驗”的基礎上，進一步開設“直流伺服系統(tǒng)”、“交流伺服系統(tǒng)”、“光電數(shù)字運動控制系統(tǒng)”、“現(xiàn)場總線運動控制”實驗。

3.3 不斷優(yōu)化師資結構、提高教學水平

在課程體系建設與改革過程中，培養(yǎng)了一批骨干和年輕教師，進一步完善運動控制課程體系教學隊伍，在“985”三期項目的支撐下提高師資隊伍的教學水平、教學研究和創(chuàng)新性研究的能力，在教學工作、創(chuàng)新型教育和培養(yǎng)優(yōu)秀人才方面努力上臺階、上水平。

3.4 以賽帶練、不斷改進考核方法

為考量學生在課程中獲得的理論與實踐能力，不斷改進考核方法，形成了一套綜合考察學生了解掌握運動控制系統(tǒng)理論、技術和應用的能力的考核方法。針對國內(nèi)外公認的機器人和人工智能競賽平臺RoboCup機器人世界杯賽與教育部“飛思卡爾杯”全國大學生智能汽車競賽，組織自動化專業(yè)的本科生和研究生，系統(tǒng)化、有組織地開展科學研究、技術開發(fā)和科技競賽活動。在競賽中不斷取得的佳績，極大的增強了參與學生們的積極性和創(chuàng)造性，使得他們更有激情、更有興趣的參與科學、研究，形成了“人才培養(yǎng)—競賽成績優(yōu)異—科研創(chuàng)新”的良性循環(huán)。同時，在創(chuàng)新型應用設計、實踐、PRP項目、撰寫研究論文等多方面綜合考量，探索培養(yǎng)復合型創(chuàng)新人才的新思路。

4 結語

上海交通大學自動化系在本科生、研究生的教學中長期積累，建設以創(chuàng)新為主體的運動控制課程體系，以培養(yǎng)學生的動手實踐和創(chuàng)新能力為目標，通過實驗平臺建設、參與競賽以及國際化課程等手段增強學生對工科課程的學習興趣，提高學生對于自動控制、人工智能、嵌入式系統(tǒng)、機器人學等多學科知識的綜合運用能力，為自動化創(chuàng)新人才的培養(yǎng)打下基礎，也為創(chuàng)新競賽實驗室及自動化技術研究提供大量優(yōu)秀人才。

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