“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)模式與方法的改革研究

趙 月 王萬(wàn)雷 楊靜萍 周世寬 高天一 龍飛飛 邵 強(qiáng) 張江燕

（大連民族大學(xué)機(jī)械系 遼寧大連 116600）

“控制工程基礎(chǔ)”課程是機(jī)械類本科專業(yè)的基礎(chǔ)課之一，是控制理論在機(jī)械工程領(lǐng)域中運(yùn)用的一門(mén)工程學(xué)科，以機(jī)電系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，主要講解了經(jīng)典控制理論的相關(guān)問(wèn)題，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生理論思維和處理工程問(wèn)題的能力具有重要作用[1]。該課程在教學(xué)過(guò)程中存在理論性強(qiáng)、內(nèi)容多、概念抽象、涉及知識(shí)面廣、學(xué)時(shí)分配少等情況。在授課過(guò)程中，教師主要采用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，重視對(duì)基本原理和方法進(jìn)行講授，缺少分析與工程應(yīng)用。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中都是被動(dòng)地接收知識(shí)點(diǎn)。這就導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣都不高，學(xué)習(xí)效果也難以保證。因此，對(duì)本課程的教學(xué)模式與方法進(jìn)行改革，從而提升學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率、增強(qiáng)學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和興趣，是非常有必要的。

為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣，保證學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率和效果，將學(xué)生培養(yǎng)成全面型人才，本文針對(duì)“控制工程基礎(chǔ)”課程的教學(xué)模式和方法進(jìn)行了研究，將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式和仿真技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，改變了授課方式，以便能加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解。

一、基于翻轉(zhuǎn)課堂的“控制工程基礎(chǔ)”教學(xué)模式改革

翻轉(zhuǎn)課程(The Flipped Classroom)，也稱“顛倒課堂”，最初是由美國(guó)的創(chuàng)始者Jonathan Bergmann 和Aaron Sams提出[2]的，是指重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時(shí)間，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生上課之前可以根據(jù)教師發(fā)布的資源完成知識(shí)獲取的過(guò)程。對(duì)于課堂內(nèi)的寶貴時(shí)間，學(xué)生能夠通過(guò)討論、教師講解等形式獲得對(duì)知識(shí)更深層次的理解。教師不再占用課堂的時(shí)間來(lái)講授信息，也就能有更多的時(shí)間與每個(gè)學(xué)生交流。翻轉(zhuǎn)課堂的目標(biāo)是為了讓學(xué)生通過(guò)實(shí)踐獲得更真實(shí)、更主動(dòng)的學(xué)習(xí)。

（一）課前環(huán)節(jié)

“控制工程基礎(chǔ)”課程涉及到控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、時(shí)間響應(yīng)分析、頻率特性分析、穩(wěn)定性和系統(tǒng)校正等相關(guān)知識(shí)。授課教師要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，在課前抽取和總結(jié)比較重要的知識(shí)點(diǎn)，并制作成短視頻，大約在10～15min左右，以確保學(xué)生能夠集中精力完成對(duì)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。在課堂學(xué)習(xí)前，教師將視頻及其它輔助學(xué)習(xí)資料發(fā)布到學(xué)生群中，要求學(xué)生在課前必須進(jìn)行觀看和學(xué)習(xí)。

（二）課堂環(huán)節(jié)

學(xué)生借助教師在課前發(fā)布的短視頻和學(xué)習(xí)資料已經(jīng)學(xué)習(xí)了主要知識(shí)點(diǎn)。課堂環(huán)節(jié)中主要進(jìn)行學(xué)生提出疑問(wèn)、學(xué)生小組討論、教師講解、師生互動(dòng)等環(huán)節(jié)。

在課堂開(kāi)始后，教師可先讓學(xué)生提出自己在課前通過(guò)學(xué)習(xí)仍然無(wú)法明白的疑問(wèn)。之后，教師通過(guò)總結(jié)，將學(xué)生的問(wèn)題進(jìn)行梳理。然后，學(xué)生小組針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行討論，嘗試通過(guò)學(xué)生間的合作來(lái)解答疑問(wèn)。接著，教師再對(duì)教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)做系統(tǒng)講解，并結(jié)合視頻進(jìn)行詳細(xì)的分析。針對(duì)學(xué)生提出的疑問(wèn)，教師要答疑解惑，爭(zhēng)取使學(xué)生能理解透徹。在課堂上，教師要充分利用師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，在小組討論、教師講解等環(huán)節(jié)中積極調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提升其參與度。

（三）課后環(huán)節(jié)

在課程結(jié)束后，教師應(yīng)根據(jù)本節(jié)課的教學(xué)效果進(jìn)行教學(xué)反思，總結(jié)課前和課堂上出現(xiàn)的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施。學(xué)生要按照要求完成作業(yè)任務(wù)。這樣才能對(duì)教學(xué)內(nèi)容做進(jìn)一步的鞏固和理解。教師要根據(jù)學(xué)生上交的作業(yè)進(jìn)行評(píng)判，并對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行追蹤，以便進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)。

二、基于MATLAB/Simulink仿真技術(shù)的教學(xué)方法改革

MATLAB是一種通用科技計(jì)算、圖形交互系統(tǒng)和程序語(yǔ)言，主要包括MATLAB/Simulink兩大部分，涉及多個(gè)領(lǐng)域[3]。MATLAB可以解決控制系統(tǒng)中復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算與處理?？刂评碚撝猩婕暗南到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型、模型之間的轉(zhuǎn)換、控制系統(tǒng)的分析與校正等教學(xué)內(nèi)容都可在MATLAB中實(shí)現(xiàn)[4]。

由于“控制工程基礎(chǔ)”課程概念較多、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較強(qiáng)、內(nèi)容抽象，教師只做理論講解是很難達(dá)到預(yù)期效果的，對(duì)涉及到的較復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算也難以更好的演示。學(xué)生的學(xué)習(xí)難度較大。因此，本文將MATLAB/Simulink仿真技術(shù)與課程內(nèi)容結(jié)合起來(lái)，在教學(xué)過(guò)程中利用MATLAB解決學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題，并可通過(guò)仿真直觀地看到運(yùn)算結(jié)果或系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果圖，利用Simulink圖形化仿真環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型、動(dòng)態(tài)性能分析、校正等研究。

例如，繪制系統(tǒng)的Nyquist曲線，已知系統(tǒng)傳遞函數(shù)為式(1)。

教師若采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)差的學(xué)生來(lái)講會(huì)比較困難。針對(duì)部分教學(xué)內(nèi)容，教師要要求學(xué)生理解Nyquist圖繪制的一般步驟，掌握低階系統(tǒng)Nyquist圖的繪制方法。對(duì)高階系統(tǒng)的Nyquist圖，教師可直接利用MATLAB軟件來(lái)解決。MATLAB運(yùn)行過(guò)程及Nyquist圖分別如圖1、2所示。

圖1 MATLAB運(yùn)行過(guò)程

圖2 MATLAB繪制Nyquist圖

另外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師也可引入MATLAB/Simulink仿真技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，以便能直觀地看到運(yùn)行結(jié)果，從而增強(qiáng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的掌握和理解。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)模式與方法的改革做了探討。我們利用翻轉(zhuǎn)課堂和MATLAB/Simulink仿真技術(shù)對(duì)課程進(jìn)行了改革，將教學(xué)模式由以教師為主體轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體，以便能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，提升教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。