田衛(wèi)華 龐新富 包妍 閆鴻魁

摘 要：“運動控制系統(tǒng)”課程的教材建設(shè)是應(yīng)用型本科自動化類專業(yè)教學建設(shè)的重要內(nèi)容之一。針對應(yīng)用型本科教材的現(xiàn)狀和不足，根據(jù)當前自動化專業(yè)學生就業(yè)崗位群對應(yīng)用型人才培養(yǎng)所提出的能力要求，提出理論結(jié)合實踐，從系統(tǒng)和應(yīng)用角度去理解相關(guān)理論和技術(shù)的編寫思想。對工程應(yīng)用型“運動控制系統(tǒng)”教材的內(nèi)容選編、編寫形式、案例選材和立體化建設(shè)等進行了探討。最后，給出對應(yīng)用型教材建設(shè)的幾點建議。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科；運動控制系統(tǒng)；教材建設(shè)；立體化教材

中圖分類號：G647 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）08-0082-03

Abstract： Teaching material construction of the course of motion control system is one of the important content of the construction of the major of automation in application-oriented undergraduate. In view of the situation and insufficiency of teaching material for application-oriented undergraduate， and according to the proposed ability requirements of the applied talents cultivating for the current students employment group， the idea of theory combined with practice and from the perspective of system and application to understand the related theory and technology is put forward. Then， the content， written form， cases selection and stereoscopic construction of the applied teaching material of motion control system are discussed in this paper. Finally， some suggestions about the construction of applied teaching materials are provided.

Keywords： application-oriented undergraduate； motion control system； teaching matieral control； stereoscopic teaching material

引言

應(yīng)用型本科教育，是以本科教育為主，面向區(qū)域經(jīng)濟社會，以學科為依托，以應(yīng)用型專業(yè)教育為基礎(chǔ)，以社會人才需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才，以培養(yǎng)知識、能力和素質(zhì)全面而協(xié)調(diào)發(fā)展，面向生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)一線的高級應(yīng)用型人才為目標定位的高等教育。應(yīng)用型本科教育是一種新的教育類型，它的辦學標準，應(yīng)是既要有一定的學術(shù)性，又要有一定的實踐性，其所培養(yǎng)的是“應(yīng)用型人才”[1]。對于應(yīng)用型院校本科畢業(yè)生來說，將來就業(yè)方向主要是基層一線，面對自動控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試、維護和系統(tǒng)集成等電氣技術(shù)工作，需要的是系統(tǒng)的思維能力、寬廣的知識面、較強的動手實踐能力和解決實際工程問題的能力。而對于復(fù)雜理論內(nèi)容則是以夠用為度。因此，應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)要注重實踐性和應(yīng)用型，也要兼顧基本理論知識的系統(tǒng)性。“運動控制系統(tǒng)”課程是自動化類專業(yè)的一門必修課。該課程綜合性強，具有理論聯(lián)系實際的突出特點，從系統(tǒng)的角度培養(yǎng)學生綜合應(yīng)用知識進行系統(tǒng)分析與綜合的能力，對電氣信息類學生掌握自動化領(lǐng)域的專業(yè)知識和技能，提高理論聯(lián)系實際的能力，起著重要的作用。課程教學目標是通過課程教學的各個環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生的自學能力、知識綜合運用能力、工程實踐能力、分析解決問題的能力以及創(chuàng)新能力。學習該課程后，使學生逐漸具有系統(tǒng)觀念、工程觀念、創(chuàng)新觀念以便適應(yīng)職業(yè)崗位能力需求[2，3]。

為更好地實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)課程的教學目標，滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，探索應(yīng)用型教材編寫方法以及教材立體化的實現(xiàn)具有重要的實際意義。

一、應(yīng)用型教材建設(shè)的迫切性

“運動控制系統(tǒng)”課程作為電氣工程和自動化類專業(yè)的一門專業(yè)必修課，已有多種版本的教材在各高校使用。通過對相關(guān)專業(yè)學生就業(yè)崗位技能需求情況的調(diào)查分析，當前“運動控制系統(tǒng)”課程教材上存在的問題主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

（一）適用于“應(yīng)用型”本科的教材極少

近年來，一大批地方高校向應(yīng)用型本科的轉(zhuǎn)型建設(shè)如火如荼。應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)要從過去偏重于基礎(chǔ)知識和艱深的理論傳授向應(yīng)用能力和實踐能力的培養(yǎng)轉(zhuǎn)型[4]。目前“運動控制系統(tǒng)”本科教材絕大多數(shù)更側(cè)重知識的系統(tǒng)性和理論基礎(chǔ)，對學生的抽象思維和數(shù)理知識有一定要求，更適合“研究型”本科，卻并不適合“應(yīng)用型”本科。而且，多數(shù)教材沒有完整的工程實際案例，或案例陳舊，不能與專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展相適應(yīng)。

（二）教材編寫形式單一，缺乏新穎生動的表現(xiàn)形式

目前，大部分“運動控制系統(tǒng)”教材的表現(xiàn)形式單一，平鋪直敘，無法吸引學生眼球；重要知識點和典型問題沒有突出；缺乏對讀者啟發(fā)與互動性，無法引起學生的自主學習興趣。教材中原理框圖和示意圖居多，缺乏高清實物圖，讀者很難將理論與實際聯(lián)系起來等等。

在“運動控制系統(tǒng)”課程教學中，由于上述問題的存在，造成課程教學目標難以實現(xiàn)，學生學習成績和綜合設(shè)計及應(yīng)用能力達不到教學要求，嚴重影響了后續(xù)課程的學習和畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)，應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標難以實現(xiàn)。因此，編寫一本適用于應(yīng)用型本科的“運動控制系統(tǒng)”教材，并進行相應(yīng)的數(shù)字化資源建設(shè)，融合現(xiàn)代信息技術(shù)，拓寬學生獲取知識的渠道，這是至關(guān)重要的。

二、教材編寫思路

本教材的開發(fā)是在依據(jù)當前自動化專業(yè)學生就業(yè)崗位群對應(yīng)用型人才培養(yǎng)所提出的能力要求，在面向智能制造的運動控制系統(tǒng)課程群建設(shè)的基礎(chǔ)上，作者對工程應(yīng)用型“運動控制系統(tǒng)”教材的內(nèi)容選編、編寫形式、案例選材和立體化建設(shè)等進行了探索。為使學生在知識的學習過程中，能理論結(jié)合實踐，從系統(tǒng)和應(yīng)用角度去理解相關(guān)理論和技術(shù)，嘗試如下教材結(jié)構(gòu)和教學思想，即從現(xiàn)代工程應(yīng)用案例出發(fā)提出系統(tǒng)需求，由系統(tǒng)需求引出相關(guān)理論知識，而后利用理論與工程實現(xiàn)方法指導(dǎo)實際的設(shè)計過程。同時，通過Matlab仿真對理論教學內(nèi)容進行及時的驗證，以加強對理論知識的理解。

三、教材開發(fā)與研究

（一）明確教學目標，整合優(yōu)化教材內(nèi)容

本課程的教學目標是通過課程教學的各個環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生的自學能力、知識綜合運用能力、工程實踐能力、分析和解決問題的能力以及創(chuàng)新能力。學習該課程后，使學生逐漸具有系統(tǒng)觀念、工程觀念、創(chuàng)新觀念以便適應(yīng)職業(yè)崗位能力需求。教材內(nèi)容吸收了運動控制系統(tǒng)已在工程上應(yīng)用得比較成熟的新技術(shù)，去除了部分直流調(diào)速系統(tǒng)的陳舊內(nèi)容。全書內(nèi)容分為轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、交流調(diào)速系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、多軸運動控制系統(tǒng)以及典型應(yīng)用案例分析等。秉承“理論夠用，注重應(yīng)用”的理念，對基本原理講透，對高深理論簡略，特別強調(diào)運動控制系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用。

（二）編寫形式新穎，帶入感強

教材在結(jié)構(gòu)組織上按照“學習目標→能力目標→案例描述→知識及過程敘述→案例實現(xiàn)→小結(jié)→習題”，層次分明、條理清晰，邏輯性強；與工程設(shè)計思維方式及過程相吻合；采取順序化和模塊化相結(jié)合，對學生自主學習及各種能力的培養(yǎng)及拓展極為有效。

1. 每一章都以一個典型運動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖將各節(jié)內(nèi)容串聯(lián)起來。在每一章的開頭，給出這個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖并突出本章內(nèi)容在典型運動控制系統(tǒng)中所處的位置，使讀者能夠直觀地看到本章知識的地位與作用及其與系統(tǒng)內(nèi)其他組成部分的聯(lián)系。

2. 借鑒國外成功教材的編寫模式，增加高清實物圖。書中所述的系統(tǒng)及部件不再是單純的方框圖的形式而是盡量來自工程實際的實物圖片，一方面增強了讀者閱讀興趣，同時也使讀者能迅速地將書本內(nèi)容與工程實際進行對接，更有助于理論聯(lián)系實際。

3. 章節(jié)后面設(shè)置與工程實際相關(guān)的小貼士。在每章后面設(shè)置不同的小貼士，可以是小知識、小問題，也可以是網(wǎng)址鏈接，以增強啟發(fā)性與互動性。例如，在異步電動機變壓變頻調(diào)速的后面，可以設(shè)置通用型變頻器的選用方法介紹；在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容講述完畢后，可以設(shè)置個小問題“如果轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的反饋線斷了，系統(tǒng)的輸出及性能將會怎樣？”等等。

（三）結(jié)合案例，以生產(chǎn)工程為導(dǎo)向，突出應(yīng)用能力培養(yǎng)

本書在交直流調(diào)速和伺服系統(tǒng)各章節(jié)中，根據(jù)相關(guān)知識點，首先引出典型工程應(yīng)用實例，以典型實例為主線，通過功能技術(shù)需求分析，提出設(shè)計任務(wù)和系統(tǒng)解決方案，引導(dǎo)學生建立系統(tǒng)概念，明確要解決的問題，使學生能帶著問題、帶著對知識和技術(shù)的需求學習相關(guān)知識。進而以應(yīng)用例子為解決目標，引出交直流調(diào)速系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、多軸運動控制系統(tǒng)等應(yīng)用較廣的運動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識、Matlab仿真設(shè)計、常用系統(tǒng)設(shè)計方式及工程實現(xiàn)方法，以突出應(yīng)用能力培養(yǎng)。

例如轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)案例——軋機直流調(diào)速系統(tǒng)”的案例描述為：“在許多實際應(yīng)用場合生產(chǎn)設(shè)備都有調(diào)速的要求。上一章討論的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，用PI調(diào)節(jié)器雖然能保證動態(tài)穩(wěn)定性，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差，消除負載轉(zhuǎn)矩擾動對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，并用電流截止負反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，但在工業(yè)現(xiàn)場卻較少得到應(yīng)用，這是為什么呢？生產(chǎn)設(shè)備常用的直流調(diào)速方法是什么？本章將圍繞某廠軋機直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計過程對上述問題進行分析?！比缓?，給出場景描述“某廠軋機用于將厚度為2.6-6.0mm的紫銅或合金胚材軋制成厚度為1.0-2.5mm的成品薄板，軋制生產(chǎn)線傳動子系統(tǒng)由直流電動機、減速機、齒輪座和連接軸等組成”。軋機工作輥的直流傳動系統(tǒng)應(yīng)能滿足如下的基本工藝要求：

1. 啟動到給料速度——加速到規(guī)定速度-恒速軋制——制動到給料速度一停止；

2. 在軋制時，軋機軋輥速度自動保持不變；

3. 可根據(jù)不同的軋制要求對軋機軋輥速度進行調(diào)節(jié)；

4. 能夠以系統(tǒng)允許的最大加速度快速啟動及制動。

（四）反映學科及應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展

在當前“智能制造”背景下，數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化正在成為運動控制系統(tǒng)的主流，并且多軸、分布式、伺服運動控制系統(tǒng)有非常廣泛的應(yīng)用，本書擬把這些知識獨立成章進行詳細講解。最后，結(jié)合工程實際分析介紹恒壓供水系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)機器人、太陽能雙軸伺服控制系統(tǒng)等典型應(yīng)用系統(tǒng)，以開拓學生視野，加深學生對運動控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用認識。

四、教材立體化與資源建設(shè)

立體化教材是將現(xiàn)代信息技術(shù)與教學的有機結(jié)合，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學平臺，不僅拓展了教學資源的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，而且也促使了與之密切相關(guān)的課程教學模式的改變。它使得課程教學的時空結(jié)構(gòu)以及活動方式發(fā)生了改變，使得學習的過程與現(xiàn)實生活聯(lián)系更加緊密。這就要求在教材建設(shè)過程中，既要注重教材的編寫，還要注重教材數(shù)字資源的建設(shè)，實現(xiàn)教材的立體化，以便從多個方面充實課程教學[5，6]。因此，我們在“運動控制系統(tǒng)”教材編寫的同時，也建設(shè)了與本教材配套的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學資源，包括課程教學視頻、PPT、試題庫、重點與難點解析、習題解答、工程應(yīng)用視頻等。利用學校的網(wǎng)絡(luò)教學綜合平臺，將這些數(shù)字化資源為學生所利用，并開展自主學習、探究學習、合作學習等研究型教學，使學生線上學習和線下學習有機結(jié)合，增強了師生互動，拓廣了課程教學空間。此外，教學空間的拓廣也使得課程考核辦法更加多元化。例如，我們在2014級自動化專業(yè)實施了基于網(wǎng)絡(luò)教學平臺的翻轉(zhuǎn)課堂，基于手機APP的線上測試等等，多元化的教學空間促進了多元化的考試方法改革，成績評定更加全面、真實、合理，實踐結(jié)果證明學生對課程的滿意度提高了2個百分點，實施教學改革的5個班，有3個班及格率為百分之百，另兩個班及格率為97%，總優(yōu)秀率達18%以上，同比2013級有顯著的提高。

隨著“運動控制系統(tǒng)”課程立體化教材建設(shè)的深入進行，以及相應(yīng)教學方法的應(yīng)用，課程教學改革可以有效地提高教學質(zhì)量，增強學生就業(yè)競爭力。

五、結(jié)束語

綜上所述，通過“運動控制系統(tǒng)”應(yīng)用型教材建設(shè)的研究與實踐，作者提出以下三點建議：

（1）在應(yīng)用型教材內(nèi)容上應(yīng)以“實用為主，夠用為度”，并且要反映專業(yè)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的最新發(fā)展，而校企合作開發(fā)教材能夠最大限度地滿足職業(yè)崗位能力需求。

（2）在應(yīng)用型教材編寫模式上力爭有更大的突破和創(chuàng)新，形成獨特的風格和特色，并加以推廣應(yīng)用。

（3）大力推進基于能力模塊的系列化應(yīng)用型教材建設(shè)、教材數(shù)字化資源建設(shè)，打造應(yīng)用型精品教材。

目前，我國應(yīng)用型本科院校的教材建設(shè)相對滯后，不能滿足地方社會經(jīng)濟發(fā)展和行業(yè)（企業(yè)）的用人需求。積極探索開發(fā)和建設(shè)應(yīng)用型本科教材具有重要實際意義。

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