面向“卓越計劃”的“控制工程基礎”教學改革探索

摘要：隨著智能化、信息化、數(shù)字化技術的迅速發(fā)展，“控制工程基礎”作為眾多工科院系的專業(yè)基礎課，其在工程技術領域中的重要性日益明顯。面向“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，培養(yǎng)具有工程實踐能力與創(chuàng)新能力的高質(zhì)量工程技術人才成為本課程重要的一項教學目標。分析了本課程教學中存在的若干問題，提出理論教學中的“5化”措施，培養(yǎng)學生對本課程的感性認識與理性認識；通過多樣化的實驗教學培養(yǎng)學生綜合應用專業(yè)理論知識與工程實踐能力，探索為我國現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展培養(yǎng)機械類卓越工程師的途徑。

關鍵詞：控制工程基礎；卓越計劃；教學改革；實踐教學

作者簡介：張段芹（1981-），女，河南浚縣人，鄭州輕工業(yè)學院機電工程學院，講師；王輝（1977-），男，河南信陽人，鄭州輕工業(yè)學院機電工程學院，講師。（河南 鄭州 450002）

基金項目：本文系鄭州輕工業(yè)學院項目（項目編號：000153）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）20-0072-02

教育部啟動“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（以下簡稱“卓越計劃”），旨在培養(yǎng)創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展高質(zhì)量各類型工程技術人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務。[1]機械制造業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，隨著智能化、信息化、數(shù)字化的迅速發(fā)展，“控制工程基礎”作為機械類工科院系的專業(yè)基礎課，其在工程技術領域中的重要性日益明顯。面向“卓越計劃”，“控制工程基礎”的教學目標不僅是培養(yǎng)工科本科生掌握基礎控制理論知識，而且要求培養(yǎng)學生具有工程實踐能力與創(chuàng)新能力。本課程理論性和抽象性較高，并且涉及知識面廣、可實踐性強，按照傳統(tǒng)的教學方法很難引起學生的學習興趣和主動性，影響教學質(zhì)量，對學生綜合分析能力與工程實踐能力的培養(yǎng)極其不利。[2]

面向“卓越計劃”的“控制工程基礎”課程的教學改革是迫切需要解決的問題。根據(jù)對這門課多年的教學實踐，總結出本課程教學中存在的若干問題；針對這些問題提出教學改革的方案，并分析教學改革的成效。

一、教學中存在的若干問題

“控制工程基礎”課程的理論性與實踐性均很強，課程安排通常由理論教學與實踐教學組成。理論教學的重點是將“控制工程基礎”中的基本理論、基本概念、基本分析方法與工程應用思路等傳授給學生。實踐教學的重點是指導學生如何將理論知識應用在工程實踐中，培養(yǎng)學生的工程能力與創(chuàng)新能力。圍繞本課程理論教學與實踐教學的培養(yǎng)目標，在教學中主要存在以下若干問題：

1.學生對預備基礎知識掌握不足

“控制工程基礎”是一門綜合性很強的專業(yè)基礎課，其基本理論與分析方法的展開依賴高等數(shù)學、復變函數(shù)、大學物理、機械學與電工學等基礎理論知識。目前普通二本院校的學生對這些基礎知識的掌握情況往往不容樂觀，導致學生學習本課程的難度增大。

2.學生缺乏對本課程的基本認識，學習積極性不高

“控制工程基礎”的理論體系是對機械工程中眾多的實際動力學問題的高度概括與凝煉。控制理論中的基本概念抽象度較高，部分學生會問“這門課這么難學，學了有什么用呢”。這個問題可能會貫穿整個理論教學中。學生沒有對本課程形成應有的最基本感性認識，學習積極性不高。

3.實踐教學內(nèi)容的合理性有待完善本課程作為工程類專業(yè)的必修課，大都開設相關的實踐教學環(huán)節(jié)。目前，實踐教學環(huán)節(jié)存在的問題有：

實踐環(huán)節(jié)與理論教學脫節(jié)，主要體現(xiàn)在實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容沒有起到輔助理論教學的作用，沒有體現(xiàn)對理論體系的綜合應用；學生對實踐環(huán)節(jié)重視不足。

4.理論實踐教學內(nèi)容繁多與相對課時較少之間的矛盾

本課程涉及知識面廣，理論性與實踐性均很強，能夠讓學生系統(tǒng)性地學習并吸收相關基礎理論知識，并將這些理論認識轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵺`能力。相對較少的課時與繁多的理論實踐教學內(nèi)容之間的矛盾突出，如何在有限的時間內(nèi)完成理論與實踐教學內(nèi)容是本課程艱巨的任務。

二、教學改革措施

1.課堂采用信息化教學

課堂教學以多媒體方式為主，將理論教學環(huán)節(jié)信息化，具體表現(xiàn)為教學內(nèi)容的“5化”處理，即抽象概念具體化、復雜原理簡單化、數(shù)學計算仿真化、分析方法案例化與理論體系系統(tǒng)化，讓學生主動成為課堂教學信息的加工處理者，由教師與學生共同作用，提高教學的質(zhì)量與效率。[3]

抽象概念具體化集中體現(xiàn)在第一章內(nèi)容（控制工程基礎緒論），如工程控制論的研究對象、反饋、穩(wěn)定性等概念抽象性比較強，應結合工程實際案例，采用圖示法或視頻觀摩法為學生講解其中蘊含的共性問題，引出這些抽象概念。例如講解控制論的研究對象時，多數(shù)教材以質(zhì)量—阻尼—彈簧系統(tǒng)為例進行展開，但是此模型對于沒有太多實踐經(jīng)驗的本科生來說仍然顯得抽象性與理論性太強。所以在課堂教學中，教師有必要從原始實際案例出發(fā)引出質(zhì)量—阻尼—彈簧模型，如降落傘打開過程或汽車減震系統(tǒng)。

復雜原理簡單化是指將原理的表述簡化，使學生在較短的時間內(nèi)了解原理內(nèi)容、原理的應用，而對復雜的原理推導點到為止，學習精力充沛的學生可以在課下慢慢吸收與體會。如講解奈奎斯特（Nyquist）穩(wěn)定判據(jù)時，首先指明此判據(jù)是用于判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如何判斷呢？根據(jù)其開環(huán)傳遞函數(shù)所對應的開環(huán)頻率特性曲線即Nyquist圖逆時針包圍點（-1，j0）的圈數(shù)N決定；如果N等于開環(huán)傳遞函數(shù)在[s]平面的右半平面的極點數(shù)P，那么相應的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定；反之，閉環(huán)不穩(wěn)定。當學生了解此判據(jù)后，再向?qū)W生講解如何利用輻角原理、開環(huán)與閉環(huán)傳遞函數(shù)的零極點關系推導判據(jù)。這樣講解不僅可以提高效率，而且兼顧不同層次的學生。基礎知識薄弱的學生即使不理解判據(jù)推導過程，仍可以形成對此穩(wěn)定判據(jù)的基本認識和應用，不會對其學習的積極性造成太大的傷害。

數(shù)學計算仿真化是指將MATLAB軟件引入課堂，簡化繁瑣的數(shù)學推導過程，并提高教學效率。控制論中傳遞函數(shù)、時域分析與頻率分析中涉及高等數(shù)學與復變函數(shù)等方面的內(nèi)容，在講解這些時，復習拉普拉斯變換與反變換的定義、相關定律與拉氏反變換的求法是必要的，但點到為止最好，講得太多會增加部分學生的學習壓力。例如在分析系統(tǒng)的時間響應時，只要求學生了解采用拉氏變換能夠求解系統(tǒng)時間響應，具體的時間響應結果采用MATLAB軟件求解，通過圖形繪制命令給出響應曲線。數(shù)學計算仿真化的優(yōu)勢是提高授課效率，促進學生了解MATLAB軟件的各部分功能，為MATLAB用于控制系統(tǒng)仿真打基礎。

分析方法案例化是指對于涉及的控制系統(tǒng)，盡可能以真實的控制系統(tǒng)為例，通過實際系統(tǒng)的真實照片的播放直觀了解系統(tǒng)的組成部分與相互間的聯(lián)系。例如在學習閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成與工作原理時，以恒溫箱控制系統(tǒng)為案例，介紹系統(tǒng)的組成（被控對象、執(zhí)行器、傳感器與控制器），各組成部分的功能與特性以及整個系統(tǒng)的工作原理。

理論體系系統(tǒng)化是指在學習各章節(jié)時考慮全局，如本課程以控制系統(tǒng)的基本要求“穩(wěn)、快、準”為主線，各章節(jié)均以此展開，整個課程有一個系統(tǒng)性很強的完整理論體系。并且在課堂中，通過典型控制系統(tǒng)的數(shù)學建模、MATLAB仿真響應特性，綜合分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性與準確性。

2.實驗教學面向工程實踐能力培養(yǎng)

為實現(xiàn)理論性與實踐性的有機結合，培養(yǎng)學生主動運用基本控制理論思考實際工程問題的能力，需要在實驗教學中開展內(nèi)容與形式多樣化的實驗教學。[4]本課程實驗采用觀摩式實驗、仿真性實驗、綜合性實驗與設計性實驗教學。觀摩式實驗針對真實的典型控制系統(tǒng)進行觀摩，在了解系統(tǒng)的硬件組成基礎上了解軟件（或控制算法）的控制作用，對系統(tǒng)的工作原理與性能進行分析。例如在實驗室實地觀摩電機調(diào)速控制系統(tǒng)與科研項目中涉及基于壓電驅(qū)動的微納定位控制系統(tǒng)。

觀摩式實驗培養(yǎng)學生對控制系統(tǒng)的感性認識，并且激發(fā)學生學習控制理論的激情。另外，對于典型的簡單控制系統(tǒng)的設計過程與運行情況可以制作成錄像，通過觀看視頻加速學生對實際控制系統(tǒng)的認識。觀摩性實驗費時較少，時間安排往往在學習第一章緒論時開始，在此后的學習中不間斷進行。

仿真性實驗與綜合性實驗側(cè)重于MATLAB軟件及其仿真工具箱Simulink在控制工程中的應用。實驗內(nèi)容包括利用MATLAB軟件進行系統(tǒng)的時域分析與頻率分析；利用Simulink對系統(tǒng)進行數(shù)學建模、仿真與性能分析，以及經(jīng)典PID的控制原理仿真。

設計性實驗是綜合性非常高的實驗。[5]學生根據(jù)設計題目，通過查閱相關文獻資料與信息，整理資料，提出系統(tǒng)的整體設計方案（選擇合適的執(zhí)行器、傳感器與控制用硬件）；再通過數(shù)學建模、系統(tǒng)性能仿真分析、控制算法的融入進行系統(tǒng)的校正，得到滿足要求的詳盡方案；通過搭建硬件與編寫程序，進行實驗與數(shù)據(jù)處理，對實際系統(tǒng)的性能進行分析。通過設計性實驗不僅將基本控制理論用于實際控制系統(tǒng)中，而且將其他相關學科的知識融入，培養(yǎng)學生綜合應用專業(yè)理論知識的能力與實踐動手能力。

為了節(jié)約有限的實踐教學課時，部分視頻觀摩式實驗與部分仿真性實驗以作業(yè)的形式讓學生利用課余時間完成。對于設計性實驗，課堂中給出設計題目，總體方案需要以作業(yè)的形式提交。

三、結論

“控制工程基礎”是大機類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課， 具有很強的理論性與實踐性。積極推進理論與實踐教學改革，在理論教學中實施教學內(nèi)容的“5化”處理，通過引入實際工程案例、MATLAB軟件與深入淺出的教學風格，降低本課程的學習難度，提高學生學習的自主性，培養(yǎng)學生對控制理論從感性認識到理論認識的轉(zhuǎn)變。實踐教學的多樣化不僅輔助理論教學，有利于學生加深對控制理論的感性認識，而且綜合性與設計性實驗有助于培養(yǎng)學生綜合應用專業(yè)理論知識的能力與實踐動手能力。“控制工程基礎”的教學改革面向“卓越計劃”，對在工程技術領域培養(yǎng)高素質(zhì)應用型的卓越工程師具有重要意義。

參考文獻：

[1]林健.“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”通用標準研制[J].高等工程教育研究，2010，（4）：21-29.

[2]楊叔子，楊克沖，吳波，等.機械工程控制基礎[M].第六版.武漢：華中科技大學出版社，2011.

[3]劉貴富.大學信息化教學模式研究[J].電化教育研究，2006，（10）：58-61.

[4]梁雙翼，尹輝俊，宋世柳.面向?qū)嵺`能力培養(yǎng)的《機械工程控制基礎》教學探索[J].裝備制造技術，2012，（3）：195-197.

[5]齊曉慧，董海瑞，李建增，等.自動控制類基礎課程實踐教學體系的探索[J].實驗室研究與探索，2005，（S1）：202-205.

（責任編輯：劉輝）