電機調速與控制課程設計教學探究

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［摘要］針對傳統電機調速與控制課程設計存在的一些問題，如教學安排過于集中、課程設計題目固化、設計工具單一、脫離工程實踐、缺乏交叉融合等，對照工程教育認證標準分別從教學的組織安排、教學目標、教學內容等方面提出了改革方案，使其更切合工程實踐，完善課程設計的綜合性。課程設計教學改革近年來實施取得了一定的效果，基于工程教育認證思想，進行了評價效果反思并提出了一些持續改進措施。

［關鍵詞］課程設計；電機調速；工程教育認證；新工科

一、背景

國內的工科教育先后經歷了20世紀50年代的“技術范式”、20世紀80年代的“科學范式”以及20世紀90年代的“工程范式”。2006年我國啟動工程教育專業認證，對工程技術人才培養模式提出了更高的要求。中國工程教育認證協會于2012年7月重新修訂了《工程教育專業認證標準》，其認證的通用標準以“學生”為中心，強調達成度過程評價和持續改進[1]。2017年2月，教育部高等教育司了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，明確指出新工科項目的開展與實施應當圍繞工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量和新體系進行[2][3]。同時，電氣化是20世紀最偉大的工程成就；進入21世紀后，電氣化向更寬更深發展，并且直接面向智能制造。電機調速與控制[4][5]是電氣工程及其自動化的專業課，掌握各種類型電機的調速原理，對學生畢業參與機器人、數字機床等智能制造領域工作有極大的幫助。加強實踐環節是工程教育認證的迫切要求，沒有實踐的理論是蒼白無力的，同時也難以被學生深刻掌握。電機調速與控制課程對應的課程設計可以幫助學生將所學的理論知識用于實際的工程活動中。華僑大學電氣工程及其自動化專業已于2019年通過工程教育認證受理，在此之前便以工程教育認證為指導思想，對電機調速與控制課程設計進行了改革探索，旨在增強所培養學生解決復雜工程問題的能力。

二、現有課程設計存在的問題

電機調速與控制課程設計是電氣工程專業的一門重要實踐課，可以加深學生對課程基礎知識的理解，同時也能提高學生運用知識和實踐的能力。而傳統的課程設計教學方式如下：在兩周內布置課題任務，給定目標電機參數，學生通過MATLAB仿真軟件，設計其閉環控制方式與整定環路參數。這種教學方式的弊端在于：（1）教學與學生實施安排過于集中：此前的課程設計一般安排在理論課程知識教授結束后的兩周內完成，學生尚未對理論知識充分理解，并且短時間內難以建立與工程的聯系，實施的效果不佳。（2）課程設計題目固化：此前課程設計一般由電機調速與控制原理教材上的例題改編，設計題目較為固定，或者只對其中的電機參數、控制結構簡單改動，學生的設計一般可以參考往年學生留下的模板，甚至有照搬現象。因此在設計過程中，學生并沒有真正理解電機控制原理，從而導致課程設計流于形式，無法達到考查的目的。（3）課程設計使用的設計工具單一：在電機調速與控制的課程設計中，雖然借助了計算機輔助仿真軟件MATLAB，但是單一的設計工具限定了學生發揮的空間；并且在將來學生走向科研、工作崗位后，使用的開發工具可能有所不同。（4）課程設計脫離工程實際：此前的課程設計先通過理論計算進行電機控制系統的參數計算，并在MATLAB仿真軟件上進行模型驗證。學生完成課程設計后仍無法理解實際工程中的電機調速系統是何種形式，其控制系統載體以及軟件實現又是什么樣的，因此并沒有真正打通理論和工程實踐這條通路。（5）課程設計缺乏交叉融合：眾所周知，電氣工程是一門交叉融合的綜合性學科，電路、模擬電子、數字電子、電力電子此電類課程是本專業的基礎課程，電機調速與控制是在此類課程基礎上的專業應用型課程。但是配套的課程設計并沒有真正實現電類課程的融合，學生在課程設計實施完后，并不能很好地掌握如電子元器件的使用、電力電子拓撲的選取等內容。針對上述問題，為了適應工程教育認證以及新工科學科建設要求，加強學生理論知識和實踐能力的聯系，以及提高其解決復雜工程問題的能力，筆者提出了一些措施對電機調速與課程設計的教學進行改革。

三、教學改進措施

（一）教學組織的改革

傳統的電機調速與控制課程設計實施安排過于集中，且與日常教學相脫節，學生在學習理論知識后不能馬上通過實踐鞏固，不能較好地達到課程設計應有的效果[6]。針對該問題，將課程設計實踐環節按照工程項目管理中的任務目標分解的方式，結合到理論課程的教學工作中。在學期開始時即布置總體設計任務，并且在理論課程各個章節講授中布置分解任務，如講授緒論，可讓學生開展關于目前工業應用的電機及其驅動器的調研，了解關于驅動器拓撲及功率器件型號、控制板和驅動板的器件選型等方面內容；在較寬裕的學期安排中，可提前布置學生熟悉相關的仿真軟件以及電路設計軟件；在講授第三章關于轉速電流雙反饋電機調速系統時，布置的作業可與學生要開展的設計題目結合，學生在理論課程學習時可完成參數計算，減輕之后的設計工作量。通過這種以學生學習為中心全周期的工程實踐培養模式，既加深了學生對理論知識與課程設計實踐的關聯性，同時也使得整個課程設計開展在相對輕松的氛圍下進行。

（二）課程設計題目的改革

在課程設計題目的改革方面，經過高校教師、企業專家共同參與的培養方案修訂研討會，將課程設計名稱變更為基于電路設計軟件的電機控制系統課程設計，并以學生發展為中心，設計具有挑戰性的教學目標和教學內容，使實踐教學內容與時俱進。課程設計的目標為中小型直流、交流電機控制系統設計驅動電路，通過設計掌握中小型電機驅動方法及電路設計軟件的使用。在課程設計的目標對象電機上，與實際工程應用更加貼合，選取了工業制造應用的實際電機參數。要求學生根據電機的工作原理，分析電機驅動的基本形式，完成驅動電路的方案設計，主要包括：主電路拓撲、直流母線電壓等級、整流電路、濾波電路、斬波電路、電流檢測電路、轉速/位置檢測電路等，并利用輔助設計軟件繪制驅動電路原理圖、布板，撰寫設計總結報告。報告內容主要包括：設計目的與要求、系統技術指標或設計要求、系統控制方案、器件選型、硬件工作原理及有關參數計算、主要參考資料及心得體會。差異化的課程設計題目，既可以讓學生形成分組討論，又不容易陷入固有模式。

（三）開發性的設計工具

此前的課程設計使用單一的設計軟件，原因是課程設計題目和教學內容的局限性。由于改革了教學目標和內容，學生在課程設計實施過程中可使用多種工具，如參數計算與模型仿真時可使用MATLAB，硬件電路原理設計與布板布線時可使用AltiumDesigner、Protel、KiCad等，在虛擬仿真時可使用Protues，在控制軟件設計時可使用Keil、CCS等不同處理器平臺的開發環境。這種開發的方式，不強制學生使用何種工具進行開發，可以激發學生探索的熱情，開展自主性深度學習，并投身到更具挑戰性的工程實踐中。

（四）與工程實踐接軌

課程設計的改革在專業基礎上，結合新工科發展趨勢，注重學科交叉和綜合性；在理論學習基礎上，加強學生動手方面的訓練，增強學生工程、成本和項目管理意識，提高學生解決復雜工程問題的能力。例如，通過課程設計期望學生掌握電機調速系統的功能需求、標準、電路設計與器件選型以及控制算法仿真和軟件編寫；并熟悉項目開發的一般流程、工程文檔的編制。課程設計不僅可以增強學生的動手能力，也在一定程度上增加了學生的行業認知，畢業后可更快地投入工作中。

（五）注重專業融合

課程設計的改革，更加注重專業內的融合[7]。如在電機調速系統拓撲的設計上結合了電力電子技術課程中的PWM變換器與逆變器部分；在硬件設計上結合了模擬電子線路與電路；在數字化控制技術方面，對于微處理的應用結合了數字電路與單片機應用技術；在電機控制軟件的實現上，結合了自動控制理論內容。通過一個完整的實踐訓練，學生能更加理解專業內課程的聯系以及其應用場合，并且能夠以學習效果為中心，進行有效檢驗與實施，并形成性教學評價。

四、實施效果

本課程設計從教學組織形式、教學目標、教學內容等方面進行了改革，并從2018—2019學年起在電氣工程及其自動化專業2016級兩個班進行了試點，至今已開展實施2年，學生的評教有顯著提高，相應的理論課程的學習效果也有所提高，學生的動手與工程能力也明顯提升，學生去往相應的工作單位已初步具備行業認知，可以更快融入工作。圖1、圖2為學生開展課程設計提交的PCB設計圖與硬件設計原理圖。

五、持續改進

雖然在電機調速與控制的課程設計改革中取得了一定的效果，但是根據工程教育認證的思想將進一步進行反思與持續改進。首先，在接下來的課程建設中將更加注重全過程的培養，力圖培養學生發現問題、文獻調研、理論分析、仿真驗證、實驗求證，最終解決復雜工程問題。目前課程設計在實驗求證環節上仍然有所欠缺。將來在電機控制系統的驅動設計上，采用模塊化電路引導學生進行電路設計、參數選型、焊接與調試，綜合應用所學理論知識和方法逐一分析解決電路調試過程中遇到的問題；要求學生進行系統搭建電路、數字控制及性能指標優化，在系統調試中鍛煉學生團隊合作、溝通交流、項目管理及解決復雜問題的能力。其次，可從提升大學生工程創新意識、實踐能力和團隊合作精神的角度出發，通過課程設計實踐環節的實施，結合全國大學生電子設計大賽、挑戰杯、大學生互聯網+創新創業大賽、國家級和省級大學生創新創業訓練計劃項目等擬定課程設計題目，以期產生相應的大學生雙創成果，有助于專業和學科建設。最后，不管是此前還是現在的課程設計實施中，尚缺乏有效的反饋機制[8]：學校和學院層面針對課程制定了各項教學管理質量標準和教學管理文件匯編，但此部分屬于頂層框架；目前的反饋大都是過程中的師生互動，但是在課程設計結束后對于該屆學生的效果評價以及對其師生在本專業領域其他課程的持續改進缺乏有效的閉環。對于課程設計實施存在的問題信息收集不全，無法全面提供任課教師、專業教研室、教學委員會作為課程建設持續改進的參考依據。因此，亟待建立一個全面衡量學生能力的體系和標準，為課程設計按照工程教育專業認證進行持續改進提供有力的支撐的評價反饋機制。

作者:王榮坤 單位:華僑大學信息科學與工程學院