自動(dòng)化專業(yè)“電機(jī)與拖動(dòng)”課程教學(xué)的改革與思考

武康

【摘? ?要】? “電機(jī)與拖動(dòng)”是自動(dòng)化專業(yè)核心課程，涵蓋知識(shí)面廣，工程背景強(qiáng)，關(guān)聯(lián)的專業(yè)課程眾多，如電機(jī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、電力電子等課程都有涉及，對(duì)學(xué)生的專業(yè)能力培養(yǎng)至關(guān)重要。針對(duì)這門課程教學(xué)中存在的一些問題，如傳統(tǒng)的教學(xué)周期較長(zhǎng)、知識(shí)量較大、教學(xué)形式相對(duì)單一、課本內(nèi)容知識(shí)更新不夠及時(shí)、對(duì)技術(shù)發(fā)展的跟進(jìn)存在不足等，本文提供了一些教學(xué)改革方法和建議，以供參考。

【關(guān)鍵詞】? 電機(jī)與拖動(dòng);自動(dòng)化;運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng);電力電子

自動(dòng)化技術(shù)在國民生產(chǎn)和軍工等眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，自動(dòng)化學(xué)科的發(fā)展和專門人才培養(yǎng)對(duì)祖國現(xiàn)代化建設(shè)至關(guān)重要，也關(guān)系著國家的核心競(jìng)爭(zhēng)力。決定人才培養(yǎng)質(zhì)量的因素有很多，高等教育的教學(xué)改革涉及許多方面，包括專業(yè)口徑的拓寬、強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)、加強(qiáng)通識(shí)教育的學(xué)習(xí)、對(duì)柔性教學(xué)的引進(jìn)和使用、對(duì)教學(xué)計(jì)劃的優(yōu)化、鼓勵(lì)專業(yè)實(shí)踐等方面，在這些大框架下，不同的專業(yè)課程教學(xué)需要結(jié)合自身情況進(jìn)行改進(jìn)。

一 、課程改革的必要性

改革開放以來，國家經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，技術(shù)日新月異，學(xué)生群體的思想也發(fā)生了很大的變化，如何充分利用新的科技手段和表現(xiàn)形式，適應(yīng)現(xiàn)代大學(xué)生的接受習(xí)慣也很重要。很多改革工作已經(jīng)展開，在諸如對(duì)教材內(nèi)容的改編、借助現(xiàn)代化信息工具進(jìn)行多元教學(xué)、建設(shè)相關(guān)的課程資源庫等方面做出了許多努力。這些方法各有特點(diǎn)，也產(chǎn)生了一定的效果，值得繼續(xù)改進(jìn)和推廣。教學(xué)改革之路還很漫長(zhǎng)，除了上述這些問題外，還需要對(duì)教學(xué)條件進(jìn)行改善，創(chuàng)造個(gè)性化的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生能夠看得見摸得著，親身體驗(yàn)書本知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，更好地將抽象知識(shí)具體化，將最近的科技產(chǎn)品與技術(shù)更新到課堂專業(yè)知識(shí)體系中，靈活變化教學(xué)形式，將“古老”的專業(yè)課程年輕化，讓朝氣蓬勃的年輕人不斷地吸收新的知識(shí)，這些都是十分重要且迫在眉睫的事情。

二、課程特點(diǎn)與改革建議

“電機(jī)與拖動(dòng)”是一門實(shí)用性很強(qiáng)的專業(yè)課程，也是一門綜合性很強(qiáng)的課程，學(xué)習(xí)內(nèi)容中包含了大量的知識(shí)點(diǎn)，其內(nèi)容主要有各類電機(jī)的結(jié)構(gòu)、變壓器、拖動(dòng)理論等。課程特點(diǎn)由淺及深、循序漸進(jìn)，知識(shí)具備了很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性和體系性，既有傳統(tǒng)理論，又有最新的技術(shù)研究成果，是一門典型的既古老又年輕的課程。此外，電機(jī)及其拖動(dòng)負(fù)載是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對(duì)象，在整個(gè)控制系統(tǒng)中處于核心位置，學(xué)好這門課是十分關(guān)鍵的，對(duì)其他專業(yè)課程的影響不言而喻。就系統(tǒng)控制的角度而言，只有對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象的特點(diǎn)和規(guī)律進(jìn)行深入了解，才能設(shè)計(jì)出更好的控制方案，做出最優(yōu)的控制回路選擇和電力電子元器件選型，最終獲得理想的系統(tǒng)性能。這也體現(xiàn)了“電機(jī)與拖動(dòng)”課程是一門非常重要的銜接課程，通過對(duì)電路、電磁學(xué)等課程進(jìn)行掌握后，學(xué)習(xí)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)和專門知識(shí)及其動(dòng)力學(xué)特性，為后續(xù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等課程學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)相關(guān)電力類課程的學(xué)習(xí)有很大幫助。眾所周知，高品質(zhì)電機(jī)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于能源動(dòng)力、交通運(yùn)輸、高端制造和國防軍工等重大裝備。在自動(dòng)化專業(yè)“新工科”建設(shè)背景下，教育工作者逐漸意識(shí)到應(yīng)改革以往過于專注傳統(tǒng)理論的認(rèn)識(shí)，根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)，將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到提高學(xué)生的創(chuàng)新能力培育和對(duì)基礎(chǔ)研究的興趣上來，為國家培養(yǎng)適應(yīng)未來發(fā)展的創(chuàng)新型、多元化、高素質(zhì)的卓越工程人才以及具備扎實(shí)的基礎(chǔ)、擁有創(chuàng)造性的科研型人才。結(jié)合課程自身的特點(diǎn)、在專業(yè)體系中的位置以及未來發(fā)展的趨勢(shì)，本文結(jié)合具體教學(xué)情況及目前學(xué)生群體學(xué)習(xí)中存在的一些問題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提出了一些教學(xué)內(nèi)容調(diào)整和改革的思考與建議。

1.課程內(nèi)容適當(dāng)調(diào)整。首先，從專業(yè)發(fā)展的角度來看，需要教師加強(qiáng)自身的科學(xué)素養(yǎng)，將最新的科技進(jìn)展與課程進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以滿足學(xué)生所處時(shí)代環(huán)境下的新需求。在時(shí)代的發(fā)展中，電機(jī)專業(yè)也在不斷完善和豐富，尤其是隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，在電子元器件和控制技術(shù)方面的不斷進(jìn)步以及交叉學(xué)科的影響，運(yùn)動(dòng)控制這一領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化。眾多的新技術(shù)和新原理被推廣開來。在繼承傳統(tǒng)知識(shí)的基礎(chǔ)上，也要考慮時(shí)下的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域情況，盡可能地滿足教學(xué)與實(shí)際的聯(lián)系，迎合工程應(yīng)用的需要，根據(jù)本學(xué)科教改經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)教材的問題，進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)重點(diǎn)改進(jìn)，以符合時(shí)代的要求，這在學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)上至關(guān)重要。對(duì)此，根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)的知識(shí)體系和人才培養(yǎng)要求，可以將傳統(tǒng)的電機(jī)學(xué)課程與電力拖動(dòng)課程進(jìn)行壓縮和整合，形成一門統(tǒng)一的課程，對(duì)理論課時(shí)進(jìn)行削減，將更多的課時(shí)用于學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)和對(duì)最新科技的理解和掌握。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)介紹基本概念、基本運(yùn)行原理與基本運(yùn)行特性，注重實(shí)用性，而非一味地以做題得分形式來體現(xiàn)出課程教學(xué)的優(yōu)劣，避免工科學(xué)生理科化的現(xiàn)象。其次，為適應(yīng)當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的需要，有必要進(jìn)行一些課程內(nèi)容的更新，以符合新的知識(shí)體系需求，介紹一些新型電機(jī)的發(fā)展和相關(guān)的控制手段。如電機(jī)的無感控制、參數(shù)整定等時(shí)下較為常用的技術(shù)和面臨的問題。此外，還需要增加MATLAB仿真內(nèi)容，在數(shù)學(xué)仿真軟件功能日益強(qiáng)大的情況下，學(xué)生可以提早將相關(guān)知識(shí)結(jié)合運(yùn)用，幫助學(xué)生借助計(jì)算機(jī)手段加深對(duì)內(nèi)容的體會(huì)和理解，對(duì)日后從事科學(xué)技術(shù)研究也有一定的幫助。如今的教學(xué)條件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的普及運(yùn)用，上機(jī)同樣也是重要的教學(xué)方法和手段，在一定程度上能夠提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。結(jié)合其他專業(yè)核心課程，在整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用上有更好的了解和把握。最后，面向系統(tǒng)層面，結(jié)合電力電子技術(shù)背景，在拖動(dòng)問題上進(jìn)行進(jìn)一步的理解和學(xué)習(xí)。

2.教學(xué)環(huán)節(jié)靈活多樣?？梢詮倪\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的角度討論電機(jī)與拖動(dòng)，從電機(jī)配合電力電子變流器與控制策略的角度出發(fā)，按照先定性、后定量再到分析計(jì)算的順序引入各類電機(jī)的運(yùn)行原理、控制方案及其拖動(dòng)系統(tǒng)的組成，符合學(xué)習(xí)認(rèn)知的規(guī)律。對(duì)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生而言，重點(diǎn)放在電機(jī)的外部特性及其控制方案，實(shí)用性得到體現(xiàn)，對(duì)本體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)不做強(qiáng)調(diào)，對(duì)內(nèi)部繞組和磁路的部分不做過多的學(xué)習(xí)，旨在介紹電機(jī)與拖動(dòng)領(lǐng)域最新的知識(shí)和理念，以滿足當(dāng)前工程實(shí)際的需要。在對(duì)經(jīng)典的教學(xué)方法進(jìn)行保留的前提下，繼續(xù)使用基于符號(hào)法的正弦向量分析工具，增加綜合矢量為分析的手段，讓學(xué)生理解其中變化的原因，結(jié)合電力電子等課程的學(xué)習(xí)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的向量分析在供電為正弦電的情況下適用，主要是由電網(wǎng)供電，在使用電力電子變流器后，此時(shí)繞組外加電壓或電流不再是正弦的情況，上述方法便不再適用。其次，對(duì)磁場(chǎng)定向的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制在內(nèi)的最新拖動(dòng)系統(tǒng)的理解需要以綜合矢量為基礎(chǔ)的新的教學(xué)工具。強(qiáng)化各類電機(jī)與電力電子變流器之間的關(guān)聯(lián)，突出電機(jī)的各種控制變量在供電變流器中是如何具體實(shí)現(xiàn)以及變流器存在的局限性等物理概念。在這些方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的講授，讓學(xué)生對(duì)電機(jī)控制從基礎(chǔ)到逐步提高過程形成清晰的認(rèn)知，幫助學(xué)生更好地掌握數(shù)學(xué)與物理量之間的關(guān)系與控制原則。

3.思政精神有機(jī)融入。當(dāng)下越來越強(qiáng)調(diào)學(xué)生的思政教育，培養(yǎng)具有愛國精神的科技人才，這使課程過往歷史與未來發(fā)展沿革的介紹也尤為重要。學(xué)生理解一門課程知識(shí)體系的源頭、發(fā)展歷程，對(duì)于學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)加強(qiáng)和對(duì)學(xué)生科學(xué)探求精神的培養(yǎng)有很大的幫助。電機(jī)的問世與理論發(fā)展已經(jīng)有近兩百年的歷史，從1820年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律后組裝直流發(fā)電機(jī)，歷經(jīng)亨利、特斯拉等人的努力，各種類型的電機(jī)相繼被制造出來。這其中，我國的著名電機(jī)學(xué)家鐘兆琳研制了中國的第一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)，被稱為中國的“電機(jī)之父”，這些優(yōu)秀的國內(nèi)電機(jī)學(xué)家都值得學(xué)生去學(xué)習(xí)，他們的精神激勵(lì)著學(xué)生不斷艱苦奮斗。時(shí)至今日，電力拖動(dòng)系統(tǒng)正朝著網(wǎng)絡(luò)化、信息化方向發(fā)展，包括現(xiàn)場(chǎng)總線、智能控制策略以及因特網(wǎng)技術(shù)在內(nèi)的各種新理論、新技術(shù)、新工藝均在電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。這一部分內(nèi)容可以作為理論知識(shí)以外的科普內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)。

4.科研興趣合理引導(dǎo)。引導(dǎo)學(xué)生思考不同類型電機(jī)的特點(diǎn)及發(fā)展的趨勢(shì)。因?yàn)椴煌愋偷碾姍C(jī)在結(jié)構(gòu)材料、特性和運(yùn)行原理上都有很大的不同。以永磁同步電機(jī)進(jìn)行舉例，因其材料的特殊性和先進(jìn)電氣及控制技術(shù)的發(fā)展，在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛使用，包括當(dāng)下熱門的新能源、機(jī)器人和航空航天等。學(xué)生在了解永磁同步電機(jī)本體結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對(duì)其性能和使用場(chǎng)景有了更進(jìn)一步的理解，對(duì)于如何選型、如何提高電機(jī)工作性能、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了一定的認(rèn)識(shí)。同時(shí)可以拓展補(bǔ)充一些關(guān)聯(lián)課程和科技知識(shí)進(jìn)行結(jié)合理解和運(yùn)用，向?qū)W生介紹未來技術(shù)的應(yīng)用熱點(diǎn)和研究方向，在這里以兩個(gè)現(xiàn)實(shí)問題舉例。2018年，《科技日?qǐng)?bào)》指出：由于控制算法不精，導(dǎo)致國產(chǎn)機(jī)電產(chǎn)品伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、故障率居高不下、穩(wěn)定性不佳。隨著DSP技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高性能電機(jī)控制系統(tǒng)成為裝備制造業(yè)向高端化發(fā)展的關(guān)鍵與核心，但系統(tǒng)的干擾及參數(shù)的不確定性往往對(duì)關(guān)鍵的指標(biāo)產(chǎn)生影響。所以系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的研究得到了極大重視并有大量的優(yōu)秀成果見諸報(bào)道。通過目前現(xiàn)實(shí)問題的引入，從控制算法的角度，啟發(fā)學(xué)生思考，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)有一定的指引。再比如，在現(xiàn)代調(diào)速控制系統(tǒng)中，研究的熱點(diǎn)在于如何減少機(jī)械傳感器的數(shù)量，以此來降低設(shè)備的成本和避免傳感器使用中的一些問題。又因?yàn)榭刂破鞯脑O(shè)計(jì)需要用到傳感器提供的如位置和速度的精確信息，所以在系統(tǒng)的控制中，設(shè)計(jì)觀測(cè)器進(jìn)行無感觀測(cè)是一個(gè)有意義且前沿的研究方向，這類知識(shí)的學(xué)習(xí)還需要結(jié)合查閱相關(guān)的資料和對(duì)關(guān)聯(lián)課程進(jìn)行學(xué)習(xí)。以此來引導(dǎo)學(xué)生對(duì)現(xiàn)代控制方法進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)，使相關(guān)課程聯(lián)系緊密。相比傳統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)方法，許多現(xiàn)代控制方法有著特殊的優(yōu)勢(shì)，得到了系統(tǒng)、全面的研究和應(yīng)用。通過這方面的介紹，可以引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)代控制理論等課程的學(xué)習(xí)。

總而言之，本文針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)“電機(jī)與拖動(dòng)”課給出了一些課程改革的建議與思考。在課程結(jié)構(gòu)、課程內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)、思政學(xué)習(xí)、未來發(fā)展趨勢(shì)、亟待解決問題幾個(gè)方面系統(tǒng)地講述了電機(jī)理論到控制的過程，從原始結(jié)構(gòu)到具體場(chǎng)景應(yīng)用和面臨的問題，基于這些問題進(jìn)行詳盡、全面的教學(xué)。相比于傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中理論教學(xué)和公式計(jì)算的單調(diào)和難以理解，本文提出的方法可以搭建理論與應(yīng)用之間的橋梁，將技術(shù)中涉及的問題進(jìn)行可視化、動(dòng)態(tài)化講解，致力于讓學(xué)生能夠?qū)W得懂、用得會(huì)、感興趣，為教學(xué)提供可行的參考方案。

【參考文獻(xiàn)】

[1]杜麗敏，王憲偉，譚麗，何秉高.“電機(jī)與拖動(dòng)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].無線互聯(lián)科技，2019，16（24）：77-79.

[2]李瑾.“電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)課程”課程教學(xué)的改革與實(shí)踐[J].科技視界，2020（27）：42-43.