控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)模式的改革與實踐

艾超+陳立娟+孔祥東+姚靜

[摘 要] “控制工程基礎(chǔ)”是機(jī)械設(shè)計及其自動化專業(yè)一門重要的必修課，作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有較強(qiáng)的理論性和實踐性。針對課程特點以及教學(xué)方面存在的問題，在原有理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，引入CDIO的教學(xué)理念，加入三級項目環(huán)節(jié)，通過強(qiáng)化實踐環(huán)節(jié)實現(xiàn)理論與實踐有效結(jié)合進(jìn)而提高教學(xué)效果，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，教學(xué)效果也明顯提高。

[關(guān)鍵詞] 控制工程基礎(chǔ)；教學(xué)改革與實踐；CDIO教育模式；三級項目

[中圖分類號] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 1005-4634（2015）04-0094-04

0 引言

“控制工程基礎(chǔ)”是機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計及其自動化專業(yè)的一門主要專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，該課程理論性和實踐性都很強(qiáng)，是一門具有一定深度和難度的課程，也是培養(yǎng)工程技術(shù)人員的學(xué)科基礎(chǔ)課，該課程使學(xué)生首次接觸控制和控制系統(tǒng)的概念，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)控制理論的經(jīng)典方法。該課程是專業(yè)學(xué)習(xí)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，但由于內(nèi)容抽象、工程實踐性強(qiáng)以及課程中存在教與學(xué)方面的問題等，學(xué)生對“控制工程基礎(chǔ)”的相關(guān)知識掌握程度并不深[2-4]。

燕山大學(xué)是國內(nèi)首批加入CDIO教育改革的高等院校之一，2010年其“機(jī)械設(shè)計制造及其自動化”專業(yè)被確定為“教育部卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”試點專業(yè)。以此為契機(jī)，燕山大學(xué)“機(jī)電液一體化”國家級教學(xué)團(tuán)隊，針對當(dāng)前社會對工程技術(shù)人才的高需求，在充分研究與吸收CDIO國際工程教育理念的基礎(chǔ)上[5-6]，遵循卓越工程師的工程教育理念，對“控制工程基礎(chǔ)”這門課程進(jìn)行了改革。

1 課程教學(xué)存在的問題

1.1 學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高

“控制工程基礎(chǔ)”具有較強(qiáng)的綜合性，涉及數(shù)學(xué)等多種學(xué)科，并且內(nèi)容抽象，工程實踐性強(qiáng)，這就要求學(xué)生具有高等數(shù)學(xué)等相關(guān)課程的知識，但學(xué)生往往對相關(guān)基礎(chǔ)知識掌握不牢固、對學(xué)科交叉內(nèi)容理解不充分，因此學(xué)習(xí)這門課程時困難重重，學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，學(xué)習(xí)積極性不高。

1.2 傳統(tǒng)教與學(xué)中存在問題

“控制工程基礎(chǔ)”作為培養(yǎng)專業(yè)工程技術(shù)人員的學(xué)科基礎(chǔ)課，在傳統(tǒng)的教學(xué)中，實驗環(huán)節(jié)與理論脫節(jié)，學(xué)生對于實踐環(huán)節(jié)的重視度不夠，動手能力不強(qiáng)。教師采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法感覺“難教”，學(xué)生也感到“難學(xué)”。

2 教改目標(biāo)

1）深入課程改革，逐步培養(yǎng)學(xué)生主動獲取知識、提出問題、分析問題、應(yīng)用知識、解決問題等方面的能力，使學(xué)生們能夠真正的做到工學(xué)結(jié)合，全方位發(fā)展。

2）改革教學(xué)內(nèi)容，形成相對全面的理論教學(xué)體系，構(gòu)建符合實際工程需求的實踐教學(xué)體系。

3）創(chuàng)建一支高素質(zhì)、在理論教學(xué)和實踐教學(xué)方面具有較高水平的雙師型專業(yè)教師隊伍。

4）CDIO模式通過三級項目將核心課程教育與對專業(yè)的整體認(rèn)識有機(jī)統(tǒng)一起來，并結(jié)合項目訓(xùn)練對學(xué)生的自我更新知識的能力和團(tuán)隊交流能力，以及對大系統(tǒng)的掌握、運行、和調(diào)控能力進(jìn)行整體培養(yǎng)。

5）充分掌握經(jīng)典控制理論的重點、難點知識，對后續(xù)的專業(yè)課有感性的認(rèn)識，為以后課程的學(xué)習(xí)提供良好的基礎(chǔ)。

6）通過控制工程基礎(chǔ)三級項目的訓(xùn)練，提高并擴(kuò)展學(xué)生對工程實踐的興趣，讓學(xué)生從被動接受轉(zhuǎn)為主動研究的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生自組織、自分工、自實施等團(tuán)隊間組織、交流合作的能力得以提升。

3 教改思路

基于CDIO的教學(xué)理念，以及機(jī)械工程學(xué)院“控制工程基礎(chǔ)”現(xiàn)實的教學(xué)情況，提出如圖1所示的教改思路，并根據(jù)“控制工程基礎(chǔ)”中的重點、難點，從建模到控制框圖產(chǎn)生過程掌握實際物理系統(tǒng)；掌握時域分析中系統(tǒng)響應(yīng)指標(biāo)分析，控制穩(wěn)、準(zhǔn)、快；掌握頻域分析中數(shù)學(xué)模型及系統(tǒng)響應(yīng)建立bode圖方法；掌握由bode圖進(jìn)行頻域分析及PID調(diào)節(jié)器使用等四個方向構(gòu)思確定以控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模、控制系統(tǒng)時域分析以及控制系統(tǒng)頻域分析三個方向作為控制工程基礎(chǔ)三級項目的選題。

圖1 控制工程基礎(chǔ)教改思路框圖

4 教學(xué)改革的具體內(nèi)容

4.1 人才培養(yǎng)模式

在深入調(diào)查就業(yè)市場和畢業(yè)生質(zhì)量的前提下，參照國家《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》、《卓越工程師通用培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)》、《普通高等學(xué)校專業(yè)本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹》（2012版），引入CDIO教育改革理念，調(diào)整在“控制工程基礎(chǔ)”課程上的定位和培養(yǎng)目標(biāo)，修訂培養(yǎng)方案，使專業(yè)培養(yǎng)更能適應(yīng)市場發(fā)展和行業(yè)的需要，同時也更加體現(xiàn)專業(yè)特色。

4.2 課程規(guī)范化建設(shè)

以《燕山大學(xué)課程教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（暫行）》為參考，結(jié)合課程的自身特征，完善“控制工程基礎(chǔ)”的教學(xué)及相應(yīng)管理文件?！翱刂乒こ袒A(chǔ)”的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)了新的專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和要求，推進(jìn)了“項目式”教學(xué)改革，確保改革方案應(yīng)切實可行。在規(guī)定期限之前，分批完成課程規(guī)范化建設(shè)，并將改革成果及時付諸課堂并進(jìn)行實時效果檢驗。

在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)方面，信息技術(shù)手段得到充分利用。任課教師采用多媒體課件授課，利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢進(jìn)行答疑解惑以及項目指導(dǎo)，大大提高了教學(xué)質(zhì)量，通暢了師生間的交流渠道。

4.3 實踐教學(xué)的改革

優(yōu)化基礎(chǔ)課的教學(xué)內(nèi)容和授課形式，調(diào)整教學(xué)運行機(jī)制和教學(xué)資源配置，探索具有廣泛適用性的教學(xué)模式。實踐教學(xué)是直接關(guān)系到學(xué)生高技能培養(yǎng)目標(biāo)實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，是推進(jìn)教學(xué)改革的重要組成部分。在“控制工程基礎(chǔ)”原有理論的基礎(chǔ)上，加入三級項目環(huán)節(jié)，分別設(shè)立閥控缸位置閉環(huán)穩(wěn)定性研究、閥控缸位置閉環(huán)的快速性研究、閥控缸負(fù)載位置閉環(huán)PID控制策略以及閥控缸系統(tǒng)頻域動態(tài)特性仿真與測試四個課題，具體如下：項目實施之前有針對性的對學(xué)生進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，內(nèi)容包括軟件、硬件、數(shù)據(jù)采集處理等。鼓勵學(xué)生查閱液壓試驗臺有關(guān)信息，了解液壓元件、液壓系統(tǒng)、液壓原理等方面的知識。

1）項目前期準(zhǔn)備。在項目組織形式方面，三級項目采用分組的方式進(jìn)行。3～5名同學(xué)組成一組，每組設(shè)組長1人，每組1題。各組的三級項目題目在課程進(jìn)行一段時間之后下發(fā)，也可由學(xué)生根據(jù)興趣自行選題。將由組長負(fù)責(zé)組織本組同學(xué)依據(jù)三級項目題目及同學(xué)的實際情況進(jìn)行工作分配。學(xué)生根據(jù)項目題目及課程的進(jìn)度，按時完成資料的查閱及系統(tǒng)設(shè)計、建模及分析等工作。

在進(jìn)行三級項目過程中，需要學(xué)生建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行時域、頻域分析，這就需要學(xué)生對實際物理系統(tǒng)，包含輸入控制信號以及反饋信號、控制器有初步的認(rèn)識和了解，機(jī)電控制實驗室為同學(xué)們提供實驗臺等實際的物理系統(tǒng)，實物見圖2。

依靠現(xiàn)有設(shè)備的設(shè)計項目，需要學(xué)生對實驗系統(tǒng)有初步了解，包括液壓元件、系統(tǒng)功能實現(xiàn)、模擬控制面板、傳感器等設(shè)備的使用。在此過程中，由于學(xué)生在理論學(xué)習(xí)過程中很少接觸到真實的設(shè)備，所以需要由老師和機(jī)電控制專業(yè)的碩士研究生對學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的培訓(xùn)，主要包括安全用電、液壓系統(tǒng)安全、試驗臺操作規(guī)程等方面的內(nèi)容，如圖3所示。

在此三級項目中，學(xué)生對系統(tǒng)進(jìn)行時域和頻域分析時，需要學(xué)生運用Matlab/Simulink或Amesim軟件仿真液壓系統(tǒng)、利用Labview軟件編寫掃頻程序等。但由于在理論教學(xué)過程學(xué)生對軟件的應(yīng)用程度不夠，由老師和機(jī)電控制專業(yè)的碩士研究生對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)與培訓(xùn)，如圖4所示，主要包括編程方法、信號形式、通道選擇、信號給定、采集、標(biāo)定等。

2）項目實施過程?；诜纸M情況，組長負(fù)責(zé)組織同學(xué)結(jié)合實際情況進(jìn)行分工，學(xué)生通過老師和研究生的指導(dǎo)與培訓(xùn)，親自動手操作，如圖5所示。同學(xué)們學(xué)會建立液壓控制系統(tǒng)、運用Amesim或Matlab/Simulink仿真軟件建立系統(tǒng)仿真模型、PID控制策略對控制系統(tǒng)控制性能影響以及學(xué)會尋找系統(tǒng)控制最優(yōu)PID控制方法等，并且在做項目的過程中難免會遇到問題以及小組成員之間產(chǎn)生分歧，但學(xué)生們通過小組討論以及主動向老師咨詢等方式解決做項目過程中遇到的問題，如圖6所示。“控制工程基礎(chǔ)”三級項目不僅培養(yǎng)了學(xué)生們遇到問題解決問題的能力，同時也使同學(xué)們提高了動手能力和團(tuán)隊合作意識。

3）教學(xué)方法、作業(yè)與考試等方面的教改舉措。本團(tuán)隊教學(xué)方法的最大特色是以CDIO教學(xué)理念為基礎(chǔ)進(jìn)行了課程項目的實施。作業(yè)分為課后作業(yè)和三級項目設(shè)計兩部分，以三級項目為主、以傳統(tǒng)的作業(yè)方式為輔，涵蓋大部分知識點，同時使學(xué)生擺脫為做作業(yè)而做作業(yè)的心理，通過項目設(shè)計讓學(xué)生明白所學(xué)知識的用途，加深對本門課知識的理解和重視度。

在考試方面，主要在考試方式和每部分內(nèi)容所占的比重進(jìn)行了修改，成績組成如下：考試卷面成績占70%，平時出勤占5%，課程實驗占10%，三級項目占15%。

三級項目具體的考核方式，整個小組得到共同基準(zhǔn)分。（1）是否達(dá)到三級項目目標(biāo)60%；（2）項目報告是否系統(tǒng)完整20%；（3）PPT展示10%；（4）評委討論10%。

團(tuán)隊成員相互評價并交給教師，教師據(jù)此對團(tuán)隊成員的得分有所升降。

5 總結(jié)

5.1 存在的問題

盡管此次教改取得了一定的成績，但仍存在一些不足，有待進(jìn)一步完善，主要體現(xiàn)在：（1）沒有充分利用課外輔導(dǎo)資料；（2）課程建設(shè)的經(jīng)費仍存在較大缺口；（3）學(xué)生的積極性有待提高；（4）理論實踐教學(xué)內(nèi)容繁多與相對課時較少之間的矛盾；（5）生源整體素質(zhì)下降學(xué)生層次不同；（6）學(xué)生對預(yù)備基礎(chǔ)知識掌握不足。

5.2 努力方向

（1）繼續(xù)優(yōu)化課程設(shè)置，課程設(shè)置要突出對學(xué)生知識與能力的培養(yǎng)，兼顧學(xué)生個性發(fā)展；（2）繼續(xù)加強(qiáng)實驗及其設(shè)施的建設(shè)；（3）加強(qiáng)課程和專業(yè)建設(shè)，爭創(chuàng)品牌特色專業(yè)和國家級精品課程。

5.3 課改心得

“控制工程基礎(chǔ)”這門課程主要闡述自動控制的基礎(chǔ)理論，不論是在機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，還是在以后的延伸專業(yè)上都是控制理論中最重要的課程。通過不斷對課程的改革與創(chuàng)新，進(jìn)而提高同學(xué)們綜合能力，得到了廣大師生的好評，同時通過“控制工程基礎(chǔ)”三級項目的訓(xùn)練，提高了學(xué)生工程實踐的興趣，學(xué)生由被動接受的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃友芯康膶W(xué)習(xí)方式，并學(xué)到了很多課本上學(xué)不到的東西，老師也受益匪淺。

6 發(fā)展前景

教學(xué)改革同樣需要以規(guī)范化要求為底線，在科學(xué)合理且相對穩(wěn)定的規(guī)范的基礎(chǔ)上拓展和延伸，形成高質(zhì)量、高成效且持久性強(qiáng)的創(chuàng)新管理模式。在燕山大學(xué)CDIO教學(xué)改革的契機(jī)下，機(jī)械工程學(xué)院對“控制工程基礎(chǔ)”這門課程進(jìn)行教學(xué)改革，學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)日趨合理，不斷適應(yīng)企業(yè)的需求，綜合素質(zhì)、創(chuàng)新意識和實踐能力得到明顯提高。今后，燕山大學(xué)還將繼續(xù)推進(jìn)教學(xué)改革與實踐，守正出新，探求新時期具有“燕大特色”的地方機(jī)械人才培養(yǎng)的模式與方法，造就更多創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)社會需求的卓越工程師。

參考文獻(xiàn)

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