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机器人工程专业电机类课程教学改革探索

作者:未知

  摘要:结合国内机器人工程专业人才培养要求,对机器人工程专业电机类课程的教学内容、教学方法、实践教学以及考核方式等进行了改革,以促进机器人专业技术人才的培养。
  关键词:机器人工程专业;电机课程;人才培养
  一、引言
  机器人技术是新经济发展进程中的新业态,是综合性和交叉性的前沿制造技术。机器人工程专业以新经济、新产业为背景,具有新兴工科和传统工科相结合的学科专业特点。普通高校培养的机器人工程专业人才应该是典型的交叉学科的高级应用型人才,课程内容的设置要以加强学生实践创新能力的培养为目标。
  机器人由本体与电机外加控制器以及传感器构成,电机的重要性不言而喻。电机类课程不仅要涉及电机结构及其建模仿真分析,还涉及到运动控制以及机器人控制等实践应用等问题,是理论与实践联系较强的一门课程。这就要求我们对课程内容进行梳理,重新构建课程体系,使修完这一课程的学生真正具备相关的工程能力,做到学以致用。
  课程教学组进行了课程体系、教学内容、教学手段与方法以及教学实践环节等全方位的改革,每个教学环节都紧密结合工程素质的培养,使传统电机类课程教学从过分理论化走向综合应用化,激发学生学习的积极性和主动性,提高了机器人工程专业学生应用电机的能力和工程实践能力。
  二、电机及其控制课程体系改革
  为适应新工科背景下应用型创新人才培养目标的要求,从课程体系到教学模式做了全方位的改革。首先,将电机学、控制电机、电机与拖动三门课调整为适合该专业培养要求的控制电机一门课;其次,在后续的运动控制系统课程中,增加DSP运动控制卡原理及使用以及现场总线内容。使得学生学习完电机类课程,即可实现对多轴机器人的运动控制。同时,针对课程内容的特点以及培养要求,为之配备完善丰富的工具类教学软件资源,使学生更好掌握内容的同时学习到分析问题能力与工程创新能力。
  1.控制电机课程内容调整
  控制电机这门课的教学目标是使学生懂得常用电机的结构和工作原理,能选择合适的电机,应用电机实现生产过程中设备的运动控制。教学组教师梳理各种电机内容中的共性知识点集中讲授,强化电机拖动及应用知识点。将内容按照电机类型分类,按照电机的结构-原理-运行分析-拖动技术的主线进行教学,打破了以往按照教材章节教学讲授的顺序,形成了直流电机-直流电机拖动-交流电机共同理论-异步电机-异步电机拖动-同步电机-微控电机的内容主线,使得同类电机知识结构紧凑,提高了教与学的效率。同时,引入Saber软件以及Proteus软件,为电机及其控制仿真提供了自主设计平台,为学生理解电机应用、电机控制等相关内容提供了基础。
  2.运动控制系统课程内容调整
  在传统运动控制系统课程讲述基本控制原理、系统组成和结构特点、分析和设计方法的基础上,增加应用部分的内容。考虑到目前DSP 运动控制卡是构建机器人硬件控制平台的主流方式,同时,现场总线技术使得控制卡易于在普通工控机上实现与功能扩充。将课程内容构建为直流调速系统-可逆调速系统-直流脉宽调速系统-交流调速系统-运动系统的控制技术-DSP多轴运动控制技术-现场总线技术-机器人控制技术,打破以往按照课程进行内容设置的框架,使得电机控制在机器人载体上得到具体体现。引入DSP开发软件,为实现电机的运动控制提供了平台,为学生使用电机提供了基础。
  三、教学方法改革
  改变过去教学中学生主体作用未能体现的缺点,注重学生素质的教育和学习能力的培养。
  1.丰富教学资源
  多媒体教学方式已经广泛走入课堂教学中,教学组教师充分开发了电机原理、电机结构、运动控制等动画内容,改变了简单使用PPT展示内容的状况。同时开发了电动机启动、电机运行特性、电动机调速特性、电机制动、运动控制中交、直流调速等内容的仿真以及分析,将呆板的文字转化为生动形象的内容,增强学生对内容的理解。
  在讲解电机结构时,将部分实物零件带入课堂,解决了平面图缺乏立体感而不能准确理解复杂结构的情况。
  在讲解DSP原理、DSP多轴控制技术以及现场总线技术时,提供简单的程序以及运行结果,帮助学生快速掌握课程内容。
  2.多种教学方法灵活应用
  采用启发式教学引导学生自学,培养学生的学习能力。在讲授完重点以及难点内容后,对辐射性内容讲授分析思路,然后安排学生自查资料,并且应用仿真分析软件进行分析,并且在实际实验中验证。采用项目式教学法,在完整讲授一个模块内容后,布置内容相关的小项目任务,从方案设计、电机选型到安装调试均由学生团队自主完成,教师只是起到指导作用。
  四、课程实践教学改革
  在理论教学不断改革的同时,也对实践教学进行了改革,改变原来只做课程实验的情况,增加了实践教学环节,总体上构建了三个层次的实践课程体系。首先,通过课程实验使学生获得基本技能的训练;其次,增加 “电机控制课程设计”环节,引导学生按照自动化系统的要求,合理选择电机,应用电机构成控制系统,提升学生的工程实践能力;最后,在运动控制课程结束后,安排学生进行电机综合训练环节,引导学生应用DSP技术与现场总线技术调试机器人系统进行多电机协同工作,推动学生综合设计能力与工程创新实践能力的提升。
  五、考核方式改革
  电机类课程是理论与实践结合性较强的课程。简单传统的闭卷考核方式难以达到考核学生综合应用能力的目的。将考核方式多样化,考核内容涵盖课堂讨论、仿真报告、课程设计、综合实验答辩、闭卷考试5个部分。各个考核环节的实施,不但做到了对学习过程的监控,使得学生学习的主观能动性提高,真正成为教学主体。各个环节的设置,也培养了学生的综合能力,报告撰写环节锻炼了学生的文字组织能力,通过答辩环节提升学生的语言表达能力,综合实验过程培养了团队协作能力。
  六、结束语
  机器人工程电机类课程的改革,全面提升了电机类课程的内涵,使得学生更加重视“学—用”结合学生学习效果明显,对工程教育背景下学生自身能力的提高以及终身学习习惯的培养具有重要意义。
  参考文献
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  基金项目:教育部人文社会科学研究专项任务项目(工程科技人才培养研究)资助,项目编号:18JDGC029;西安工程大学基础课程质量提升项目资助,编号:201713.
  作者简介:王晓华(1972—),女,汉,黑龙江,工学博士,教授,主要从事机器人技术的教学与科研工作。
  (作者单位:西安工程大学电子信息学院)
论文来源:《科学与技术》 2019年13期
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