基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)法的電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)教學(xué)——以“伺服電機(jī)”課程為例

沙 鷗，宋嘯天

(1. 鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 丹陽師范學(xué)院，江蘇 丹陽 212300； 2. 鎮(zhèn)江市審計(jì)局 社會(huì)保障審計(jì)處，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

“伺服電機(jī)”是電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的重要專業(yè)課程。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)等類型電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的工作原理和控制策略，為今后從事電機(jī)裝配工、調(diào)試工等電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)工作奠定理論基礎(chǔ)。但“伺服電機(jī)”綜合了電機(jī)學(xué)、電磁學(xué)、自動(dòng)控制原理(Principle of Automatic Control，PAC)、電力電子技術(shù)(Power Electronical Technology，PET)、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)習(xí)難度較大[1]。專科學(xué)生理論基礎(chǔ)較薄弱，缺少獨(dú)立分析能力[2]，若僅僅靠教師“一對多”模式授課，則無法針對每個(gè)學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)狀況有效開展課程教學(xué)，學(xué)生遇到難點(diǎn)、疑點(diǎn)時(shí)，就會(huì)難以理解，從而產(chǎn)生厭學(xué)情緒。為打破這種局面，有必要變革授課模式，探索和創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等[3]。

1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，是教師依據(jù)教學(xué)進(jìn)度和學(xué)生已掌握知識(shí)的程度，針對教學(xué)內(nèi)容整體設(shè)計(jì)涵蓋目標(biāo)知識(shí)點(diǎn)的綜合性任務(wù)，學(xué)生分組完成任務(wù)，在真實(shí)的問題情境下運(yùn)用舊知識(shí)探索新知識(shí)，鞏固和加深所學(xué)知識(shí)的過程[4]。

如將任務(wù)驅(qū)動(dòng)法運(yùn)用于PLC課程教學(xué)，根據(jù)真實(shí)的生產(chǎn)過程確定具體任務(wù)，詳細(xì)講解主電路、控制回路輸入端子、梯形圖等關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，帶領(lǐng)學(xué)生圍繞任務(wù)做可行性分析，引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化程序，通過自主探究完成任務(wù)，完整地學(xué)習(xí)PLC控制電機(jī)正反停轉(zhuǎn)的全過程[5]。采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，保持了知識(shí)點(diǎn)的系統(tǒng)性和整體性，學(xué)生不僅了解PLC編程方法、主電路工作原理等關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，而且理解各知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系，啟發(fā)獨(dú)立思考，培養(yǎng)自學(xué)能力。任務(wù)是從實(shí)際生產(chǎn)過程中提煉出來的，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。如修改梯形圖中的1個(gè)元件，主電路的工作方式就會(huì)發(fā)生變化，學(xué)生通過應(yīng)對這種變化可以提高實(shí)踐操作能力，就業(yè)后能夠迅速適應(yīng)生產(chǎn)企業(yè)的需要，提高就業(yè)競爭力。

“伺服電機(jī)”課程教學(xué)中，設(shè)計(jì)一系列電機(jī)組裝、調(diào)試等任務(wù)，讓學(xué)生在完成任務(wù)中發(fā)現(xiàn)各類功率開關(guān)器件和傳感器的特性，學(xué)會(huì)根據(jù)不同的電機(jī)特性、應(yīng)用場合選擇不同的控制策略，進(jìn)而深入理解各類電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，牢固掌握伺服電機(jī)知識(shí)。

2 高職課程運(yùn)用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的必要性

2.1 貼合普專學(xué)情特點(diǎn)

相對于本科學(xué)生，專科學(xué)生專業(yè)理論功底較薄弱，很難消化吸收抽象的理論和概念，“滿堂灌式”課堂教學(xué)中，難以跟隨教師的授課節(jié)奏快速學(xué)習(xí)理論知識(shí)。長此以往，學(xué)生只能靠死記硬背應(yīng)付考試，不能真正理解“伺服電機(jī)”理論知識(shí)，無法融會(huì)貫通，更不能舉一反三，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，容易出現(xiàn)怕學(xué)、厭學(xué)情緒。任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法以任務(wù)為導(dǎo)向，將目標(biāo)知識(shí)融入具體任務(wù)，學(xué)生在完成任務(wù)中通過實(shí)際操作全面了解理論知識(shí)，激發(fā)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，掌握電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理知識(shí)。

2.2 滿足就業(yè)市場需求

普專學(xué)生畢業(yè)后多從事操作技能類崗位工作，如電機(jī)裝配工、調(diào)試工、維修工等。這類崗位對實(shí)踐能力和動(dòng)手能力要求較高。因此，專科學(xué)校在教學(xué)過程中應(yīng)以就業(yè)市場需求為切入點(diǎn)，注重學(xué)生實(shí)踐操作技能的培養(yǎng)。采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，以完成實(shí)際操作任務(wù)為主線，學(xué)生在實(shí)際操作中學(xué)習(xí)理論知識(shí)、培養(yǎng)動(dòng)手能力，可以滿足就業(yè)市場的要求。

2.3 培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力

教師課前布置教學(xué)任務(wù)，學(xué)生自學(xué)書本知識(shí)的同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)、圖書館等學(xué)習(xí)解決問題的方法，進(jìn)而整合消化所學(xué)知識(shí)，完成相關(guān)任務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)[6]。這個(gè)過程有助于培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，提升綜合素質(zhì)。

3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在“伺服電機(jī)”中的應(yīng)用

以2018—2019學(xué)年“伺服電機(jī)”課程為例，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，共計(jì)48課時(shí)，授課對象為2017級電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)學(xué)生。該專業(yè)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力較強(qiáng)，但理論推導(dǎo)能力較弱。根據(jù)任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的設(shè)計(jì)要求，分別設(shè)計(jì)了4項(xiàng)主線任務(wù)，如表1所示。

表1 “伺服電機(jī)”任務(wù)列表

3.1 課前任務(wù)預(yù)設(shè)與預(yù)習(xí)

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法要求教師在課前做好任務(wù)預(yù)設(shè)，打破書本章節(jié)的信息壁壘，選擇與實(shí)際生產(chǎn)生活相適應(yīng)的任務(wù)。該任務(wù)能夠串聯(lián)各章節(jié)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)各組成單元原理的同時(shí)對伺服系統(tǒng)有總體性、宏觀性的把握。以第1項(xiàng)任務(wù)物料計(jì)量螺桿裝置設(shè)計(jì)為例，物料計(jì)量螺桿實(shí)際是由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的，電機(jī)轉(zhuǎn)速直接關(guān)系物料計(jì)量的準(zhǔn)確度，因此可以設(shè)計(jì)以步進(jìn)電機(jī)為核心的伺服系統(tǒng)。完整的伺服電機(jī)系統(tǒng)包括交流伺服電機(jī)、傳感器、控制器、功率變換電路等，如圖1所示[7]3-4。

圖1 交流伺服系統(tǒng)框圖

由于電機(jī)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)直接影響下料量，即影響計(jì)量精度，因此，學(xué)生在設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)時(shí)必須提高系統(tǒng)的魯棒性、改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性，主要考慮3個(gè)要素：功率開關(guān)器件、控制策略、傳感器，即選用何種功率開關(guān)器件組成系統(tǒng)的功率變換電路，采取何種控制策略，選用何種傳感器。學(xué)生利用圖書館、互聯(lián)網(wǎng)等進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，初步了解各類功率開關(guān)器件特性、常用控制策略和傳感器。

3.2 推進(jìn)任務(wù)實(shí)施

授課的第1環(huán)節(jié)為知識(shí)系統(tǒng)構(gòu)建，共2課時(shí)。首先，教師闡述GTR，MOSFET，IGBT開關(guān)器件的動(dòng)靜態(tài)特性，比較三者的容量和開關(guān)頻率，引導(dǎo)學(xué)生選用容量大、開關(guān)頻率高的IGBT作為功率開關(guān)器件。其次，教師介紹各類速度位置傳感器和電流傳感器的工作特性，學(xué)生根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景，開展小組討論，選擇響應(yīng)速度快、溫度漂移低的混合式光電編碼器作為速度位置傳感器，采用體積小、抗干擾能強(qiáng)的霍爾電流傳感器檢測電流。

授課的第2環(huán)節(jié)為模擬仿真驗(yàn)證，共4課時(shí)。教師講解2自由度PID控制策略，并畫出系統(tǒng)的控制框圖，學(xué)生根據(jù)框圖求出閉環(huán)傳遞函數(shù)，利用矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory，MATBLE)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流波形仿真，通過調(diào)節(jié)2自由度參數(shù)α，β和TI，TD，KP參數(shù)獲得較理想的仿真波形。通過小組討論和經(jīng)驗(yàn)交流，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到2自由度參數(shù)α，β影響目標(biāo)跟蹤特性，比例積分微分參數(shù)影響系統(tǒng)抗干擾特性。

授課的第3環(huán)節(jié)為實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作，共4課時(shí)。教師帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)以步進(jìn)電機(jī)為核心的伺服控制系統(tǒng)，將經(jīng)過仿真驗(yàn)證的控制參數(shù)輸入控制器，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的響應(yīng)速度、抗干擾特性和魯棒性。完成目標(biāo)任務(wù)過程中，始終堅(jiān)持以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的原則，給學(xué)生充足的交流討論時(shí)間，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高其自主學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。

3.3 做好任務(wù)總結(jié)評價(jià)

任務(wù)完成后及時(shí)總結(jié)評價(jià)，共2課時(shí)。學(xué)生闡述伺服系統(tǒng)的基本組成，如功率變換單元和測量單元選用了何種元器件，采用何種控制方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程是怎樣的，是否還有更好的設(shè)計(jì)思路。

比如有學(xué)生提出疑問：“普通PID控制策略就可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定控制，為何采用運(yùn)算復(fù)雜的2自由度PID控制策略？”教師可以引導(dǎo)學(xué)生討論評價(jià)并修改控制參數(shù)，設(shè)置α，β為0，觀察系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩波形，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到引入2自由度控制可以增強(qiáng)系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤特性，提高物料計(jì)量的精確性。

此外，教師還可以對任務(wù)場景的具體參數(shù)做一些合理范圍內(nèi)的變動(dòng)，以提高學(xué)生在操作過程中的應(yīng)急應(yīng)變能力。如預(yù)設(shè)物料計(jì)量螺桿裝置的工作環(huán)境高溫高濕、粉塵較大，學(xué)生在選用傳感器時(shí)應(yīng)盡可能選用磁性傳感器，提高測量系統(tǒng)的精確性。

任務(wù)的總結(jié)評價(jià)是雙向的。當(dāng)1項(xiàng)任務(wù)完成后，教師應(yīng)及時(shí)總結(jié)本次任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)中的不足之處并進(jìn)行修正。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是一種開放式的教學(xué)方法，教師應(yīng)該及時(shí)反思教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)進(jìn)行針對性指導(dǎo)，確保課程進(jìn)度按計(jì)劃進(jìn)行，激發(fā)學(xué)生的興趣等。

4 結(jié)束語

以電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)“伺服電機(jī)”課程為例，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，以實(shí)踐任務(wù)為主線，將教學(xué)內(nèi)容巧妙地穿插在任務(wù)中，有利于學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐技能，提高創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，畢業(yè)后快速成為企業(yè)生產(chǎn)一線的合格員工。