“控制工程基礎(chǔ)”實驗教學(xué)改革探索

王艷輝　姬曉飛

摘 要：實驗作為大學(xué)教育體系中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，對課程的教學(xué)效果起到直接的影響作用。在工程教育背景下，針對“控制工程基礎(chǔ)”實驗教學(xué)中存在的實驗設(shè)置不能建立直觀的系統(tǒng)概念、實驗類型均為驗證型、實驗教學(xué)模式陳舊及忽略實驗結(jié)果分析等問題，可以通過改革實驗內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)方法和加強教材建設(shè)等措施來改進(jìn)實驗教學(xué)，使實驗教學(xué)有利于開發(fā)學(xué)生的思維、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的綜合分析問題的能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：工程教育；實驗教學(xué)；控制工程基礎(chǔ)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2017）07-0006-02

實施高等工程教育專業(yè)認(rèn)證，對于提高高等教育質(zhì)量，推動高等教育在各個方面的改革有很好的促進(jìn)作用，同時也是實現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)[1-2]。中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會在

2015年修訂并出臺了新的通用認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，畢業(yè)要求項包含的12項內(nèi)容中，工程知識、問題分析和研究這三項內(nèi)容要求學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)專業(yè)知識用于解決復(fù)雜工程問題、能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)和自然科學(xué)及工程科學(xué)的基本原理分析復(fù)雜工程問題、能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究并得到合理有效的結(jié)論，為了達(dá)到這樣的要求，在課程的教學(xué)過程中對學(xué)生應(yīng)該有針對性的訓(xùn)練，如何設(shè)計實驗內(nèi)容、改進(jìn)實驗教學(xué)方法和增加實驗分析對于學(xué)生的思維開發(fā)、綜合分析問題的能力的提高、得出針對相關(guān)復(fù)雜工程問題解決的有效結(jié)論是很有效的。

一、工程教育背景下實驗改革的意義

傳統(tǒng)的高等工程教育把獲取知識、擁有知識作為課程的主要目標(biāo)。實際上，獲取的知識如果得不到應(yīng)用，就不能深化為能力，這些知識將很快被遺忘，因此，能力的培養(yǎng)應(yīng)是課程的主要目標(biāo)，要使學(xué)生自覺主動地參與課程的學(xué)習(xí)，教師的職責(zé)不僅是授業(yè)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生在實踐中自主學(xué)習(xí)、綜合分析和創(chuàng)新的能力。

“控制工程基礎(chǔ)”課程作為沈陽航空航天大學(xué)機(jī)械、航宇和材料等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，2009年被評為遼寧省省級精品課程，理論性很強。作為實踐教學(xué)的重要組成部分，實驗是教學(xué)過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，實驗對于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生將知識轉(zhuǎn)化為能力、逐步地完成由學(xué)習(xí)者到實踐者的轉(zhuǎn)化，滿足社會對應(yīng)用型專業(yè)人才的需求，具有不可替代的作用[3]。通過實驗有助于把枯燥抽象的理論形象化，加深對理論知識的理解，也是培養(yǎng)學(xué)生分析能力、動手能力、創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力的重要環(huán)節(jié)。

在工程教育背景下，我們必須對現(xiàn)階段的教學(xué)模式進(jìn)行調(diào)整，培養(yǎng)出具備豐富的理論知識和實踐經(jīng)驗的工程師。實驗可以使學(xué)生在掌握扎實的理論基礎(chǔ)的同時獲得一定的實踐能力和工程應(yīng)用認(rèn)識，合理的實驗教學(xué)不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，也能提高學(xué)生的獨立思考和綜合分析問題的能力。因此，如何提高“控制工程基礎(chǔ)”實驗課程的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生在實驗中的自主學(xué)習(xí)、自主實踐的興趣和積極性是當(dāng)前面臨的迫切任務(wù)。

二、“控制工程基礎(chǔ)”實驗教學(xué)現(xiàn)狀

2005年課程教學(xué)團(tuán)隊將實驗改革為Matlab仿真實驗，可使學(xué)生直觀地看到實驗結(jié)果，豐富了感性認(rèn)識。但是，本課程在實驗內(nèi)容和教學(xué)方法上的弊端已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)階段工程教育的需求，存在如下問題。

（一）控制系統(tǒng)直觀概念模糊

實驗的內(nèi)容是由控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)編程繪制出響應(yīng)曲線、頻率特性曲線或零極點分布圖，只能培養(yǎng)學(xué)生在仿真方面的初步能力，學(xué)生接觸到的僅僅是抽象的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，是一堆堆的字符和數(shù)字，對控制系統(tǒng)的理解仍停留在傳遞函數(shù)階段。這種教學(xué)模式，使得學(xué)生很難將抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)式與實際的控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，難以對控制系統(tǒng)建立起直觀的概念。

（二）實驗類型設(shè)置不當(dāng)

實驗類型均為驗證性，是對基本理論知識的驗證，實驗項目中可變化的參數(shù)很少，仿照例題的程序，只要稍加改動就可以編寫出與思考題相對應(yīng)的程序，鍵盤輸入無誤就可以直接運行出結(jié)果完成實驗，以此進(jìn)行理論的驗證，學(xué)生處于被動學(xué)習(xí)的地位，難以建立基本的工程意識，實驗效果一般。

（三）教學(xué)模式陳舊

在實驗教學(xué)過程中依然采用傳統(tǒng)的以教師為主體的方式，盡管實驗指導(dǎo)書已經(jīng)編寫得很詳細(xì)，但是實驗開始時指導(dǎo)教師依然進(jìn)行細(xì)致的講解，學(xué)生運行出結(jié)果就等待教師檢查，出現(xiàn)問題就等待教師幫助解決，學(xué)生對指導(dǎo)教師的依賴性很強，教師沒能起到引導(dǎo)學(xué)生主動思考的作用。

（四）忽視實驗結(jié)果分析

實驗報告的書寫都以學(xué)生抄寫實驗原理和實驗程序為主，對于實驗過程中出現(xiàn)的問題和解決方法沒有進(jìn)行闡述，對于得到的實驗曲線或?qū)嶒灁?shù)據(jù)沒有給出相應(yīng)的結(jié)論，僅注重數(shù)據(jù)的正確性，不利于培養(yǎng)學(xué)生利用實驗的結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)的能力。

三、“控制工程基礎(chǔ)”實驗教學(xué)改革的措施

針對在“控制工程基礎(chǔ)”實驗教學(xué)中存在的一些問題，對提高學(xué)生在實驗中的自主學(xué)習(xí)、自主實踐的興趣和積極性是當(dāng)前面臨的迫切任務(wù)進(jìn)行了思考，探索出了適應(yīng)工程教育的背景的一些實驗改革措施。光明日報2013年11月27日16版的一篇文章《工程教育認(rèn)證對于中國高等教育意味著什么》指出，“教育要首先關(guān)注學(xué)生的感受”、“教學(xué)要從句號課堂向問號課堂轉(zhuǎn)變”，工程教育的核心理念是“以學(xué)生為中心”，因此實驗教學(xué)也要充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用。

（一）設(shè)置合理的實驗體系

實驗體系的設(shè)置按照“鞏固基礎(chǔ)—知識綜合—工程實踐”三個層次進(jìn)行。鞏固基礎(chǔ)由驗證性實驗完成，驗證性實驗主要強化學(xué)生對理論的理解和消化，使學(xué)生通過對實際控制系統(tǒng)的感性認(rèn)識，把理論上所描述的系統(tǒng)和各種實際控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，培養(yǎng)學(xué)生的基本技能。知識綜合由綜合性實驗完成，綜合性實驗著重強調(diào)對學(xué)生的綜合分析能力和綜合設(shè)計能力的培養(yǎng)，使學(xué)生能夠?qū)⒖刂评碚摰闹R內(nèi)容融會貫通，把基礎(chǔ)、提高和創(chuàng)新有機(jī)地結(jié)合起來。工程實踐由設(shè)計性實驗完成，設(shè)計性實驗是設(shè)計一個恒溫控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的實現(xiàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生調(diào)查論證、實驗方案設(shè)計、獨立思考和綜合分析問題的能力。課程設(shè)置的實驗類型如表1所示，充分發(fā)揮每種實驗的作用，三種類型的實驗項目有機(jī)地結(jié)合，有助于提高學(xué)生的工程實踐能力。

表1 實驗項目及類型設(shè)置

（二）優(yōu)化實驗內(nèi)容

實驗內(nèi)容的設(shè)計會對實驗效果產(chǎn)生直接的作用，為了充分發(fā)揮實驗的作用，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，優(yōu)化后的驗證性和綜合性實驗內(nèi)容組成如圖1所示。

圖1 實驗內(nèi)容組成圖

采用Multisim仿真分析、Simulink仿真分析和Matlab編程分析三種方式對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，不僅可使學(xué)生掌握各種仿真分析方法，而且能夠彌補硬件實驗中由于實驗設(shè)備的損壞或老化而造成的時間浪費問題，還能將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行靈活擴(kuò)展，降低教學(xué)成本，同時采用Multisim進(jìn)行實際系統(tǒng)的硬件仿真分析，可以使學(xué)生將數(shù)學(xué)模型與控制系統(tǒng)建立起直觀的概念。而采用Simulink仿真分析時要先繪制出系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，有利于鞏固學(xué)生對于數(shù)學(xué)模型的建立的知識的掌握。

最后的設(shè)計性實驗是要求設(shè)計一個溫度控制系統(tǒng)，采用Proteus軟件仿真并用單片機(jī)實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)，將實際的控制系統(tǒng)案例引入實驗教學(xué)，可以鞏固、加深對控制理論知識的理解，在理論和工程實際之間搭建起聯(lián)系的紐帶。

（三）加強實驗教材建設(shè)

針對以往的實驗教材存在的實驗步驟過細(xì)、不利于學(xué)生主動思考的問題，而實驗報告書寫中存在著機(jī)械抄寫實驗?zāi)康?、實驗原理和實驗步驟之類無意義的工作問題[5]，對實驗教材進(jìn)行了重新編寫，將實驗指導(dǎo)書和實驗報告合二為一。書中將實驗步驟進(jìn)行了淡化，增加了預(yù)習(xí)要求、分析與結(jié)論、心得與收獲三部分，一方面有利于促進(jìn)學(xué)生在實驗中的積極思考；另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生對實驗結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)的能力，再次可以認(rèn)真思考在實驗過程中所收獲的知識與能力。

（四）改進(jìn)教學(xué)方法

在實驗教學(xué)過程中，教師考慮從學(xué)生出發(fā)，重視發(fā)揮學(xué)生的主體作用，保證學(xué)生的主體地位，不要進(jìn)行過多過細(xì)的講解，也不要讓學(xué)生產(chǎn)生對指導(dǎo)教師的強烈依賴心理，只有這樣才能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提高他們分析問題和解決問題的能力。

四、結(jié)語

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和工程應(yīng)用能力的一個非常重要的環(huán)節(jié)，是實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分。結(jié)合沈陽航空航天大學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，控制工程基礎(chǔ)實驗在實驗類型、實驗內(nèi)容、實驗教材建設(shè)、教學(xué)方法等方面采取了一系列措施，提高了學(xué)生的實驗的主動性和工程實踐能力。

1.增加了綜合性和設(shè)計性實驗在實驗中的比重，提高了學(xué)生綜合分析問題的能力和運用理論解決實際問題的能力。

2.使用多種實驗軟件，建立了實際物理系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型之間的聯(lián)系紐帶，解決了仿真實驗中數(shù)學(xué)模型與實際系統(tǒng)脫離的問題，提高了實驗對于理論驗證的直觀性。

3.堅持“以學(xué)生為中心”的工程教育核心思想，在實驗教學(xué)中充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和欲望，實驗取得了較好的教學(xué)效果。

4.實驗教材和實驗報告合二為一，注重發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，促使學(xué)生積極思考，增強學(xué)生綜合問題和解決問題的能力，提高了創(chuàng)新能力。

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