新工科背景下控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)改革與探索

董金波 趙汗青 李大勇

摘? 要：在新工科背景下，學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)顯得尤為重要，控制工程基礎(chǔ)作為機械類專業(yè)的一門必修課程，在人才培養(yǎng)體系中具有十分重要的作用。本文分析了控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)中存在的問題，從教材選擇、教學(xué)內(nèi)容和方式安排、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式、虛擬仿真實驗平臺建設(shè)等方面提出了教學(xué)改革措施，從而調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提高學(xué)生分析和解決實際工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：新工科? 控制工程基礎(chǔ)? 實踐能力? 教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0207-03

Teaching Reform and Exploration of Control Engineering Foundation Course under the Background of New Engineering

DONG Jinbo? ZHAO Hanqing? LI Dayong

（ Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin， Heilongjiang Province， 150022? China ）

Abstract： Under the background of new engineering， the cultivation of students' engineering practice ability is particularly important. As a compulsory course of Mechanical specialty， Control Engineering Foundation course plays a very important role in the talent training system. This paper analyzes the problems existing in the teaching of Control Engineering Foundation course， and puts forward teaching reform measures from the aspects of textbook selection， teaching content and mode arrangement， flipped classroom teaching mode and the construction of virtual simulation experiment platform， so as to mobilize students' learning enthusiasm and initiative and improve students' ability to analyze and solve practical engineering problems.

Key Words： new engineering; Control Engineering Foundation; Practical ability; Teaching reform

“新工科”與傳統(tǒng)工科有明顯區(qū)別，隨著時代的發(fā)展“新工科”的發(fā)展更具有時代感，“新工科”的專業(yè)性及實踐性會更強，能夠為社會帶來更大的價值。在新工科背景下，企業(yè)對學(xué)生的理論聯(lián)系實際及工程實踐能力提出了更高的要求?？刂乒こ袒A(chǔ)作為機械類專業(yè)的必修課程，主要應(yīng)用自動控制理論的原理和方法對工程系統(tǒng)進行分析和設(shè)計。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，控制技術(shù)已經(jīng)與機械工程學(xué)科融為一體，并在機械及自動化領(lǐng)域中起著越來越重要的作用，控制工程基礎(chǔ)所涉及的基本理論和方法已經(jīng)成為學(xué)生分析和解決實際工程問題的有效手段，為學(xué)生進行后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及從事控制相關(guān)領(lǐng)域的工作奠定了理論基礎(chǔ)[1-2]。

1? 控制工程基礎(chǔ)教學(xué)中存在的主要問題

1.1 課程學(xué)時少，學(xué)生對課程認識不夠

隨著科技的不斷進步及計算機技術(shù)的發(fā)展，控制理論的多學(xué)科交叉應(yīng)用也日益增多。控制工程基礎(chǔ)作為機械類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個課程設(shè)置中起到承上啟下的作用，該課程以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理以及電工學(xué)等學(xué)科知識為基礎(chǔ)，同時也是后續(xù)課程測試技術(shù)、機電一體化、液壓伺服控制系統(tǒng)等學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)，然而在該課程教學(xué)過程中，理論學(xué)時卻被一再壓縮，以機械電子工程專業(yè)方向為例，理論學(xué)時為40學(xué)時，根據(jù)教學(xué)大綱的要求要完成緒論、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（時域微分方程數(shù)學(xué)模型和復(fù)數(shù)域傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型）、控制系統(tǒng)的時域分析、控制系統(tǒng)的頻域分析、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及控制系統(tǒng)的校正等內(nèi)容的學(xué)習(xí)。如此繁多的理論教學(xué)內(nèi)容，在有限的理論學(xué)時內(nèi)顯得十分緊張，教師很難全面系統(tǒng)地對課程內(nèi)容進行講解，從而導(dǎo)致學(xué)生對抽象教學(xué)內(nèi)容理解不夠深入，不了解這門課的教學(xué)目的和實際應(yīng)用，降低了學(xué)習(xí)的積極性[3]。

1.2 教學(xué)方式單一，學(xué)生缺少積極性

傳統(tǒng)的課堂以教師講授為主，同時隨著現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)的發(fā)展，課堂上PPT使用的比例越來越高，雖然節(jié)省了板書的時間，加快了教學(xué)的進度，彌補了理論學(xué)時的不足，但PPT播放內(nèi)容過多，導(dǎo)致很多理論內(nèi)容一閃而過，學(xué)生一節(jié)課下來沒有充足的時間記筆記和理解所學(xué)內(nèi)容，對抽象的教學(xué)內(nèi)容毫無頭緒，從而導(dǎo)致課堂氣氛不夠活躍，造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣降低，甚至有一些聽不懂的學(xué)生開始在課堂上睡覺或玩手機，大大降低了課堂的學(xué)習(xí)效果。

1.3 實驗教學(xué)內(nèi)容少，不利于培養(yǎng)創(chuàng)造性

實驗是理論教學(xué)的重要補充，二者相輔相成，不可分割。通過實驗環(huán)節(jié)可以加強學(xué)生對理論教學(xué)內(nèi)容的理解，鍛煉學(xué)生實際動手能力及分析解決實際工程問題的能力。目前控制工程基礎(chǔ)的實驗為6個學(xué)時，3個實驗，分別是慣性環(huán)節(jié)時域特性模擬實驗、二階系統(tǒng)時域特性模擬實驗和二階系統(tǒng)頻率特性模擬實驗，由于實驗設(shè)備不足，一般采用3人一組的方式，這會導(dǎo)致一部分缺乏主動性的學(xué)生沒有動手機會，同時由于實驗均為驗證性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性。

由于控制工程基礎(chǔ)課程理論內(nèi)容抽象，前后章節(jié)內(nèi)容邏輯性強，同時課程的理論及實驗學(xué)時嚴重不足，導(dǎo)致學(xué)生對所學(xué)知識的掌握只停留在一些概念的表面上，不知如何應(yīng)用，因此如何在有限的授課時間內(nèi)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果已經(jīng)成為一個亟待解決的實際問題。

2? 控制工程基礎(chǔ)教學(xué)改革措施

2.1 選擇適合本校教學(xué)實際情況的教材

教材是課程理論學(xué)習(xí)的一個重要工具，是學(xué)生課前預(yù)習(xí)及課后復(fù)習(xí)的重要參考資料，因此教材的選擇就顯得尤為重要。好的教材應(yīng)該知識結(jié)構(gòu)安排合理，難易程度適當，重點突出，詳略得當[4]。由于大部分學(xué)生的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差，即便學(xué)過《復(fù)變函數(shù)與積分變換》，但很多學(xué)生仍然認為拉普拉斯變換內(nèi)容難度很高，而后面的傳遞函數(shù)和時域分析部分的內(nèi)容又必須用到拉普拉斯變換相關(guān)知識，因此在選擇教材時應(yīng)帶有這部分內(nèi)容，同時教材每章應(yīng)該配有較多的結(jié)合工程實例方面的例題，由于MATLAB軟件在控制工程基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)中起到很大的促進作用。在相應(yīng)的章節(jié)應(yīng)該有這部分內(nèi)容的介紹及相關(guān)實例，便于學(xué)生理解理論知識及現(xiàn)代計算機仿真軟件的使用，這樣才能夠把理論知識和實際應(yīng)用聯(lián)系起來，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.2 合理安排教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式

重視緒論內(nèi)容的講解，列舉大量控制工程基礎(chǔ)在日常生產(chǎn)及生活中應(yīng)用的實例，通過圖片及視頻資料等形式，讓學(xué)生了解這門課的重要性及作用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在其他章節(jié)講解時要遵循由淺入深的原則，突出基礎(chǔ)和核心內(nèi)容，舍棄涉及復(fù)雜公式的相關(guān)理論的推導(dǎo)及證明過程，重視基本理論的應(yīng)用。結(jié)合大量工程應(yīng)用案例，采用啟發(fā)式教學(xué)，改變傳統(tǒng)學(xué)生被動聽課的局面，讓學(xué)生積極參加課堂討論，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。合理規(guī)劃課堂上板書和PPT使用的比例，重點的理論內(nèi)容通過板書推導(dǎo)來講解，從而加深學(xué)生的理解，圖表、涉及工程實例的視頻通過PPT播放，增加其直觀、生動的效果。通過恰當?shù)慕虒W(xué)設(shè)計， 使傳統(tǒng)的板書教學(xué)和現(xiàn)代的教學(xué)手段有機結(jié)合，揚長避短，提升學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果。

2.3 采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式

在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師占主導(dǎo)地位，學(xué)生需被動接受相關(guān)知識，但這種方式不利于培養(yǎng)學(xué)生的主動思考及創(chuàng)新思維能力，目前先進的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式更注重于學(xué)生創(chuàng)造思維能力的培養(yǎng)[5-6]。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的實施包含課堂和課外兩部分。課堂環(huán)節(jié)包括學(xué)生小組討論和講解兩部分。首先學(xué)生根據(jù)課前學(xué)習(xí)難點、疑點內(nèi)容以PPT的形式進行任務(wù)匯報，然后進行師生互動環(huán)節(jié)，教師對學(xué)生存在的疑點進行解答和討論，從而深化課前學(xué)習(xí)內(nèi)容，加深學(xué)生對于知識點的理解，同時教師將各組成員完成的任務(wù)質(zhì)量計入平時成績中，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。在課堂內(nèi)容講解時教師根據(jù)學(xué)生討論時對內(nèi)容的掌握情況調(diào)整難易知識點的分配時間，結(jié)合實際工程案例，做到有的放矢。翻轉(zhuǎn)課堂課外環(huán)節(jié)需要建立一個網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，包括學(xué)習(xí)資源模塊、交流學(xué)習(xí)模塊、知識測驗?zāi)K及提升模塊等幾個部分。學(xué)習(xí)資源模塊包括教師根據(jù)整理的知識點錄制的微視頻、知識點的例題、PPT課件等，便于學(xué)生課前預(yù)習(xí)及課后復(fù)習(xí)。在交流學(xué)習(xí)模塊中，學(xué)生3～5人作為一個小組，學(xué)生可以在此進行課前內(nèi)容討論，同時各個小組互評，形成積極的學(xué)習(xí)氛圍。教師可根據(jù)學(xué)生提出的問題進行解答，是師生互動的學(xué)習(xí)平臺。知識測驗?zāi)K通過一些代表性的練習(xí)題進行測驗，平臺自動統(tǒng)計答題分數(shù)，從而便于教師總結(jié)學(xué)生課前預(yù)習(xí)及課后學(xué)習(xí)效果。提升模塊中學(xué)生需要主動完成一些工程案例建模，分析等，為學(xué)生以后的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.4 加強虛擬仿真實驗平臺建設(shè)

由于實驗學(xué)時少，同時實驗設(shè)備不足，不能全面覆蓋學(xué)生所學(xué)習(xí)的理論內(nèi)容，在這種情況下，虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)就顯得十分必要?？梢酝ㄟ^MATLAB軟件、LabVIEW軟件及組態(tài)軟件設(shè)計和開發(fā)一些基礎(chǔ)及綜合實驗，滿足學(xué)生對理論知識點的驗證、工程案例綜合設(shè)計問題的分析等。對于基本的知識點如根據(jù)零極點求解傳遞函數(shù)、繪制Bode圖及Nyquist圖等可直接由MATLAB軟件中的M語言來完成，對于復(fù)雜一些的綜合問題，比如二階系統(tǒng)的時域分析以及結(jié)合PID校正問題，借助MATLAB中的Simulink模塊進行仿真更為方便。為了增加演示的直觀效果，還可將Simulink和LabVIEW或Simulink和組態(tài)軟件建立聯(lián)合仿真平臺，學(xué)生可以從仿真平臺的界面直觀地看到控制系統(tǒng)的實時仿真動畫效果，從而加深理論內(nèi)容的理解，通過虛擬儀器LabVIEW、組態(tài)軟件和MATLAB構(gòu)成的虛擬仿真實驗平臺，學(xué)生可以根據(jù)仿真平臺自主開發(fā)和設(shè)計綜合實驗，可以反復(fù)多次進行操作，彌補了實驗及設(shè)備不足，節(jié)約了實驗設(shè)備投入資金，通過虛擬仿真實驗有利于鞏固加深學(xué)生所學(xué)理論知識，同時也可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生分析及解決實際問題的能力。

2.5 課程考核方式的多樣化

基于新工科理念的人才培養(yǎng)目標，學(xué)生應(yīng)該具有較強的工程實踐能力，傳統(tǒng)的以試卷為主的考核方式已經(jīng)不能滿足人才培養(yǎng)的要求，因此，課程的考核方式必須多樣化?？己擞善綍r成績的30%和期末成績的70%兩部分成績組成，平時成績由閱讀報告、課堂討論、作業(yè)和實驗組成，通過閱讀報告考察學(xué)生對控制工程的前沿發(fā)展，以及在社會生產(chǎn)生活方面的具體應(yīng)用的了解，實驗在傳統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上增加了虛擬仿真實驗，考察學(xué)生對現(xiàn)代仿真軟件的使用能力，在期末考試中，采用開卷的方式，減少了客觀題及概念題的比例，增加了主觀分析題的比例。通過考核方式的改變提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性及理論聯(lián)系實際的能力，較好地實現(xiàn)了課程的教學(xué)目標。

3? 結(jié)語

控制工程基礎(chǔ)作為機械類學(xué)科的必修課程，對學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及工程實踐能力的培養(yǎng)具有十分重要的作用。針對該課程在教學(xué)中遇到的問題，提出了課程教學(xué)改革的一些措施，從而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，提高了工程實踐能力，對新工科背景下人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高有重要意義。

參考文獻

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