电机系统及控制探究性实验平台的构建

2015-04-26卢慧芬赵建勇白亚男卢琴芬

电气电子教学学报 2015年6期

卢慧芬，赵建勇，白亚男，卢琴芬

(浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027)

0 引言

长期以来，高校实验教学都是采用传统的以教师为主的教学方式，学生的创造性和主动性的发挥很少关心。这种传统的实验教学方式使得学生很难面对当前的就业形势，同时也约束了学生的创造性思维。目前学生实验中很少能遇到实际工程设计问题，对实验箱硬件中涉及到的电路知识知之甚少。例如:电机系统及其控制专业实验是以电机部分硬件开发及针对外围接口电路的软件编程为主的。这样的实验教学内容，既不利于发挥学生的学习主动性，也不利于培养学生的独立思考能力及解决实际问题的能力，导致学生在进行实际工程设计时感到无从下手。他们不知道如何进行系统设计，也不知道该如何进行元器件的选择，更不要说提供完整的系统设计方案了。因此，高校实验教学必须改变这种传统实验教学方法，要建立师生平等的教学模式，加强对探究性实验教学环节的建设，从而激发学生的创造性思维［1］。

1 探究性实验平台的构建

1.1 目标定位

根据人才培养的目标和学生的实际需要，构建一种以学生为主体，以学生的专业性质、兴趣爱好和发展目标为需求导向的多层次、多功能的探究性实验平台，为学生实践动手能力的提高和创新潜能的发挥创造条件，其目标定位是:

(1)以机电类卓越人才培养为目标，有效整合实验室资源，构建功能集约、资源优化、开放充分、运作高效的机电类专业的实验教学平台，为学生自主学习、自主实验和创新活动创造条件［2］。

(2)教学科研紧密结合，打通教学科研实验室壁垒，统筹教学科研实验室资源，促进教学与科研的良性互动。

1.2 实验模块及实验平台

电机系统及其控制探究性实验平台总体框图如图1所示。在该实验平台上，通过电机定转子冲片设计、电磁计算、绕线、装配和硬件线路模块的搭建、单面板设计与制作、双面板设计与加工、硬件线路整体调试、系统软件的设计与调试、整体的调试，加之配备不同的被控对象包括空调、风机、恒转矩类负载，能开设涵盖课程群:“数字电子技术”、“模拟电子技术”、“FPGA应用”、“电机控制”、“微机原理及应用”、“电机学”、“电力电子技术”、“现代电机CAD技术”、“机电运动控制技术”、“DSP在运动控制中的应用”、“电机工程实践”和“电机系统综合设计”等所涉及的各类实验内容。

探究式实验平台上将逐步用各种功能模块，如:单片机、可编程逻辑器件、嵌入式最小系统开发板、人机接口模块、IPM功率驱动实验模块、分立器件功率驱动实验模块、开关电源实验模块、光电编码接口模块、AD调理电路模块及保护滤波模块、高精度电流传感器处理模块、继电器驱动模块等(如图2所示)代替实验箱。其中，最小系统开发板便于携带，学生在实验室之外也可以使用。除了最小系统板之外，输入输出显示模块、开关电源实验模块、AD调理电路模块及保护滤波模块和电机驱动模块等都可以随着学习的深入逐步添加，根据需要取舍。这样更能使学生掌握不同工程应用之间的联系与区别，将这几门实验课程形成一个完整的体系。

在研究式实验平台基础上，还研制了风机/恒转矩负载实践创新平台、空调/冰箱负载实践创新平台、电机工程实践平台和DSP电机控制综合实验开发平台(如图3)。为电机系统及其控制专业的应用领域提供了比较全面的应用平台。

图1 电机系统及其控制探究性实验平台总体框图

电机系统及其控制专业探究性实验教学平台的建立，完全打破了传统的教学模式，促使学生主动学习和获取知识，为实现从灌输式教学向任务驱动教学和工程实践创新教学转变提供有效的实践平台［3］。学生在最短时间里便可获取尽可能多的资源，迅速提升其实践和创新能力。

图2 研制探究性实验模块

图3 研制探究性实验平台

2 全新的探究性实验教学模式

顺应高等教育教学改革的发展方向，努力建立一种以学生为主体、以培养学生自学能力、动手能力及创新能力为目的的探究性实验教学新模式，主要的方法如下。

2.1 完善学生创新意识和创新能力的培养

鼓励学生充分利用“口袋式实验室”，达到随时、随地进行学习、实践和创新的目的。教师在教学过程中，概括和融合相关课程学习知识点，做到因材施教，根据学生的实际情况制定不同的教学计划，鼓励学生从自己的专业出发，把所学课程知识融合到本专业中，提出自己的新想法、新思路和新方案。

2.2 遵循CDIO的实验教学过程

运用CDIO引导学生自我设计、规划并循序渐进的大跨度实践模式。从而实现提升工科学生工程实践、产品开发和创新能力的终极目标，实现从注重知识传授向注重工程能力培养的转变。

每个实验项目都要求学生严格按照CDIO工程项目开发的全过程来实施。①构思(C):明确任务，构思方案;②项目设计(D):包括项目软件程序编写，采用仿真软件绘制电路图，结果仿真和项目硬件设计以及元器件选择;③项目实现(I):主要完成整个系统的制作;④项目运行(O):程序固化，电路调试，观察结果，分析系统故障、检查系统、寻找解决问题的切入点及具体解决问题的办法;⑤项目开发总结(C):整理系统资料，包括说明书、图纸及工作总结［4-5］。

2.3 开展任务驱动和弹性化实验教学模式

单独开设“电机系统及其控制综合创新实践”课程，充分利用原有的教学研究及其实践成果作为其支撑，并以实践项目为载体，将相关课程理论知识体系按照工程实践所需要的知识进行教学内容的重组，保证理论知识溶入到每个实验教学项目中。

例如:课程群“微机原理及应用”、“电机学”、“电力电子技术”、“现代电机CAD技术”、“机电运动控制技术”、“嵌入式系统设计”和“DSP在运动控制中的应用”涉及的技术有其共性。在探究性实验项目选题上应遵循这一共性，突出工程实际应用，引导学生主动探索、主动参与、主动实践，使学生的实验不再局限于传统的实验室，能超越课堂空间和时间的限制进行知识学习、程序设计、硬件设计和理论算法的实践。

项目的选取来源于工程实践，既要避免课程群中项目知识点的重叠，又要体现不同处理方法优缺点。项目化教学模式将应用能力培养贯穿于课程教学中，打破了单向接受型的教学方式，实现从注重知识传授向注重工程能力培养的转变。提高学生的工程实践与解决实际问题的能力。

为保证实验教学效果以及提高学生积极性，改进实验教学模式，在实验时间、实验组织形式以及实验评价上都进行了弹性化改革。以学生为主体，逐步建立起知识、目标、资源、运行、记录、评价、个性化、记忆管理以及知识发现等一套基于系统工程的设计思想和教学方法，这一改革往往涉及几门课程并与创新实践相关，教师应在各个阶段不断地启发和引导，并由学生自己规划出可持续的创新实践行为［6-7］。