张敬南， 彭 辉

(哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

作为电气工程及其自动化专业、自动化专业的主干课程，电力拖动控制系统课程结合了电机学、电力电子技术、自动控制原理等基础课程的综合应用，是一门实践性和综合性很强的课程[1-2]。通过该课程的学习要使学生掌握典型交、直流调速系统的构成原理和计算方法，具备进行系统设计和分析的能力[3-4]。为了更好地提升学生的学习兴趣、锻炼学生的实践能力、培养学生的研究能力，在理论教学过程中引入了包括仿真在内的各种多媒体辅助教学手段，并基于项目任务法开展了教学活动；实验教学过程中采用了虚拟实验教学软件辅助教学，并在必做实验基础上根据学生掌握程度增设不同的创新实验和具有专业特色的实验。课程组结合教学实践对相应的改革工作进行了检验。

1 课程特点分析

我校电气工程及其自动化一级学科下包括了电力系统及其自动化和电力电子与电力传动两个专业方向，专业培养学生重视电气设备应用、系统设计，而非电气元件的设计与工艺。对于研究型大学专业人才培养的特点，培养方案重点在于培养学生的具有解决电气工程领域分析与控制技术问题的基本能力。因此，电力拖动控制系统成为学生在本科阶段最为重要的专业主干课程。

根据我校本科人才培养方案的培养目标，电力拖动控制系统课程需要学生掌握的关键知识点主要包括：熟悉典型的电力拖动控制系统的拓扑结构，并能够进行元器件选择设计；能够基于工程设计法进行电力拖动控制系统的调节器参数设计；既能够实现电力拖动控制系统的模拟控制，又能够实现数字控制；能够对典型故障进行判断分析；能够对调节器参数变化的影响做分析。

对于学生而言，令学生感觉学习困难和不适应的地方在于电力拖动控制系统课程不同于学生在之前学习的课程。电力拖动控制系统是属于系统级研究的课程，学习过程需要由多门专业基础课程支撑，知识面宽、专业基础要求高、综合性和实用性强。为了提高学生的实践能力，项目教学法、逆序教学法被应用到国内的职业教育中，并取得了较好的实践效果。我校本课程的改革可以借鉴其他院校的研究成果，但与职业教育不同，培养的学生实践能力的同时，还要强调基础和培养学生对电力拖动系统分析研究的能力。

综上分析，对于这样一门理论性和实践性均很强的课程，采用单纯的理论讲授或者纯粹的项目教学法均存在问题。总结来看，应该注意到以下几个问题。

(1) 课程为多门专业基础课的综合应用，要避免教学过程中对基础课程内容的过多复习，要努力提升学生的学习兴趣，令学生在课后主动去巩固基础知识。

(2) 理论讲授过程中要避免单纯的理论分析，加强理论结合实践、应用于实践的力度。

(3) 实验环节中要避免学生对系统实验认识不足的情况下进行实验，要提高实验学时限制下的实验效率和实验效果。

(4) 培养学生的分析能力，掌握一定的分析方法。不仅是正常运行状态的分析，还包括各种因素变化对电力拖动控制系统影响，以及在真实的实验环境下难以实现各种错误设计、故障情况对电力拖动控制系统影响。

2 课程改革方案探讨

2.1 理论教学过程改革

2.1.1多媒体与仿真技术辅助课程讲授

最基本的多媒体技术应用是直观的图片与视频。通过结合工程应用和科研实践的大量实例图片和视频，不仅在理论讲授过程中提升学生的感性认识，而且使理论应用有的放矢[5-6]。比如说，结合水池实验室电力拖动控制系统讲授电力拖动系统构成[7]；结合长江升船机讲授电力拖动控制系统讲授多机同步控制；结合西门子公司6RA70的直流调速系统的设计与调试视频讲授双闭环调节器参数变化影响。

由于仿真技术投资少、安全性高、可以设计极端条件的运行状况，为电力拖动控制系统的教学提供了有力的支持[8-9]。教学过程中依托针对各个典型电力拖动控制系统的仿真程序，既可以加深学生对系统构成的认识，又可以为运行过程分析、参数研究等教学内容提供直观的分析工具[10]。学生也可以在课后结合仿真程序开展各种运行状态或故障状态的仿真分析研究。

建构主义理论认为教学是激发学生建构知识的过程[11]。既然知识是学习者自我建构的结果，那么教学就不是传授、灌输知识的活动，而是一个激发学生建构知识的过程。课程中利用虚拟仿真技术为学生提供了电力拖动控制系统仿真运行的各种案例，学生通过对仿真程序的应用，以及对仿真结果的比较分析，总结经验，实现自我学习认知的过程。通过教学实践，基于建构主义理论构建了一套循序渐进的仿真教学体系，形成了理论教学—仿真案例分析—仿真结果总结—新的仿真案例分析—深入理论总结的学习过程。

2.1.2项目教学法应用教学改革

项目教学法在计算机类、电子类课程中有所应用，对于提升学生自由探究和互动式学习有很好的实践效果[12-13]。项目教学法的应用是在理论学习之后，根据教师布置的项目任务，在教师的监督下完成的。项目教学法可以使学生完整的经历一个项目任务的资料收集整理分析、方案设计论证、计划实施与实现、成果总结汇报、答辩与点评等过程。学生可以在以下几个方面获益：① 通过初期调研和方案的制定，能够增强学生对理论知识的掌握水平，清晰相关知识的发展现状和运用情况；② 通过将理论与实践项目结合能够激发学生的学习兴趣，并锻炼了学生实际运用能力，使所学有所用，理论得以升华；③ 通过项目目标逐步实现的过程，既培养了学生面对困难时需要的科研攻关素质，又建立了目标实现后的成就感和自信心；④ 通过团队的合作过程，锻炼学生的团队合作能力和团队荣誉感。

考虑到课程的工作量和学生能力等因素。采用项目教学法应该注意数量、难度、相互衔接等方面问题。

(1) 虽然本课程教学内容和知识点很多，但是不能大量采用项目教学法，否则增加了学生课后负担，令学生疲于应对，导致学生无法深入探索，并可能打击了学生的兴趣。所以本课程只针对课程中几个关键知识点设置项目任务，并采用分组合作的形式来完成学习过程。

(2) 要根据每届学生对基础课程掌握程度的不同设置难度适宜的项目任务。虽然本课程教授内容需要紧密联系工程实践，但是考虑到学生的实际情况，不可能要求学生做到面面俱到，主要是要突出研究重点，简化研究难度，避免出现粗枝大叶、舍本逐末等现象。

(3) 项目任务要体现循序渐进过程，从简单到复杂、从子系统到全系统、从基本理论到派生理论过程。

综上考虑，本课程中采用了项目教学法的关键内容和具体要求如下所述。

(1)电力拖动控制系统静态设计项目。根据静态指标要求，进行控制系统构成方案的设计。有助于学生掌握系统的构成和主电路元器件选择方法。

(2)不可逆直流电力拖动系统仿真程序设计。结合仿真软件构建系统的仿真程序。有助于学生熟悉主要元器件的数学模型；具备进行系统静动态分析的能力；掌握采用不同的PI调节器参数对控制系统的影响。

(3)调节器参数设计项目。在(1)和(2)的基础上，结合动态指标要求，进行系统的动态设计。有助于学生对调节器参数的设计方法深入掌握，包括自动控制原理讲授的基于Bode图的动态校正方法和本课程讲授的工程设计法；

(4)数字控制设计项目。结合(3)的设计结果，编制数字滤波和增量式调节器的程序。有助于学生掌握数字滤波器和数字调节器的设计与实现过程；

(5)逻辑控制无环流可逆调速系统设计项目。在不可逆双闭环调速系统设计的基础上进行可逆系统的设计。有助于学生掌握逻辑无环流可逆系统的构成，以及无环流逻辑控制器的实现。

(6)异步电动机矢量控制系统设计项目。基于(1)～(5)对双闭环直流调速系统的控制结构和调节器的设计思想的掌握，完成异步电动机矢量控制系统设计。有助于学生加深对双闭环控制系统的认识，并进一步推广到其他控制场合。

2.2 实验教学改革

2.2.1结合虚拟实验软件的实验教学改革

依托GUI编程技术和动画制作进行虚拟实验模拟，核心是对实验中的各种元件、负载及控制回路编制数值计算的程序，并通过多媒体技术和人机接口技术设计虚拟实验操控界面[14-15]。虚拟实验操作由数学模型驱动，并用数值仿真技术计算系统的工作过程。基于建构主义学习理论设计功能元素和表现形式，综合利用多种知识传输媒介和多媒体表现形式提高学生的学习效果。

虚拟实验软件的应用为学生提供了实验预习工具，加深了对实验的认识，提高了实验室实验的效率和效果。同时，也使学生脱离了实验室实验地域和时间的限制。

2.2.2深化实验内容

随着科学理论和新型设备的发展，电力拖动控制系统也出现新的形式和新的应用。实验室通过自研设备和引进实验设备，在必做的基础实验基础上开设了部分自选实验内容，包括理论深入的异步电动机矢量控制实验和直接转矩控制实验；实用控制设备应用的基于西门子控制器和基于欧陆控制器的电力拖动控制系统实验等。

结合我校具有的船舶特色，增设了船舶电力推进系统创新实验。将基于科研研究构建的船舶电力推进全数字仿真教学平台和半物理虚拟实验平台应用于本科教学，解决了远离船舶运行环境进行船舶电力推进内容教学的问题。船舶电力推进系统数学模型研究构建全数字仿真模型作为仿真教学平台的后台分析计算程序，结合多媒体技术和GUI接口技术构建船舶推进系统操作平台用于仿真操作。半物理虚拟实验平台结合了科研成果，其核心是计算机的船舶推进系统数值仿真程序和半物理实验装置的有源逆变控制技术。

教师可以根据学生的学习情况以及学生的兴趣爱好选择性的完成上述各类实验。

3 课程改革实践检验情况

结合我校电气工程及其自动化专业“电力拖动控制系统”课程的教学活动，本文所述各项教学改革工作得到了很好的实践。基于仿真技术进行辅助教学早在2008年我校电气工程及其自动化专业“电力拖动控制系统”课程的教学中就开始了实践，近年来不断改进完善，已经应用到课程各个主要环节的教学过程中，获得了学生的欢迎与好评。图1所示为课程中采用的基于Simulink仿真软件的直流电力拖动控制系统仿真程序。

基于项目教学法的教学改革在2013年通过学校教学立项并在10级电气工程及其自动化专业“电力拖动控制系统”课程中进行了实践，按照2.1.2的设计很好的完成了教学任务，学生颇为获益，反馈效果很好。

2012年开始开发了基于Visual C++和Simulink接口技术的虚拟实验软件，并将其逐步应用于09级和10级电气工程及其自动化专业“电力拖动控制系统”实验教学中，为实验教学提供了良好的支撑。图2所示为虚拟仿真实验操作界面。

图2 虚拟仿真实验操作界面

所设置的选作实验中，西门子控制器这些现实生产活动中的主流产品的实际应用内容极大地吸引了学生兴趣；具有学校特色的船舶电力推进仿真实验内容加深了学生对专业和学校的认识，吸引了一批保研学生加入课题组继续深造。

4 结 语

针对理论性和实践性均较强的“电力拖动控制系统”课程而进行的一系列教学改革在实践中取得了很好的效果。通过改革，不仅使教学过程变得丰富多彩，吸引了学生的注意，激发了学生的学习热情；而且是学生掌握基本知识之外，是学生掌握了更多的设计方法和分析手段，并培养了学生的创新意识和研究能力。在“电力拖动控制系统”课程改革的经验，将被借鉴到我校其他课程的教学改革中。

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