控制工程基礎課程教學改革與實踐

【摘 要】控制工程是河南科技大學機電學院機械專業最為重要的基礎課程之一。為了提高學生創新和學以致用的能力，本文指出控制工程課程教學體系中存在的問題，并對課程內容、教學手段和考核制度進行實質性的改革，實踐表明改革效果良好。

【關鍵詞】控制工程 教學改革 創新實踐

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2014）27-0064-02

控制工程是一門比較抽象的技術基礎課，本課程以數學、物理、電學及有關學科為理論基礎，以機械工程中有關系統動力學為其抽象、概括與研究的對象，運用信息的傳遞、處理與反饋進行控制這一正確的思維方法與觀點，在基礎課程與專業課程之間架起一道橋梁，將兩者緊密結合起來。

控制工程課程中包含了大量傳動控制和相關的傳遞函數推導，要求學生有扎實的專業基礎知識和較強的抽象邏輯思維能力。所以在教學實踐中，陳舊的教學思路難以讓學生對控制理論建立清晰的認識，特別是難以具備分析和解決實際工程問題的能力。如何提高授課質量、如何把復雜的知識簡單形象化、如何利用理論知識分析解決案例，這是任課老師們迫切需要解決的問題，所以對該課程進行全面改革就顯得十分必要。

一 教學過程中存在的問題

第一，知識脫節。該課程被安排在大三的第一學期，沒有開設相關的課程如復變函數、信號與系統等，此時學生所接觸的專業知識還非常有限。在學習過程中，學生普遍感覺不到課程和自己的專業及就業之間的相關性，導致學習積極性不高。學生對相關基礎學科知識掌握得不夠扎實，對學科之間交叉的內容理解不夠，難以把各學科統一在機電這個大學科背景下考慮問題。

第二，控制理論隨著技術的發展越來越豐富，但新教學大綱要求不斷壓縮課時。這導致課時少與內容多的矛盾不可調和。

第三，理論與實踐脫節。本課程理論性強，但實驗環節與理論的結合不緊密，學生對實踐環節的重視不夠，動手能力不強，導致學生失去了學習興趣。

第四，缺乏一套技術手段來輔助教學，導致課后不明白的地方，學生難以及時求教；理解模糊的地方，沒有方法通過軟件方便地印證；已經學會的知識，無法通過形象通俗的方法進行強化記憶。

第五，考核方式單一。考試一直以來都是作為檢驗教學活動的唯一方式，這種考核方法忽略了學習的本質，同時也讓學生無暇顧及知識的應用。

經過河南科技大學機電學院任課老師多年的實踐和經驗總結，從課程內容、教學手段、考核制度等方面進行了一系列的改革，總結出了一套卓有成效的解決方案。

二 改革方案

控制工程課程改革方案如下圖所示：

1.控制工程基礎課程內容的改革

控制工程基礎理論體系繁雜，在教學大綱要求的時間內難以完成全部內容的講解。因此，根據學生學習和就業的需要，在機電學院多位教師的協同努力下，我們編寫了教材《控制工程基礎》，并在2008年4月由科學出版社出版。教材內容的組織和編排合理，能夠循循善誘地引導學生的學習興趣，培養學生獲取知識，并利用知識進行創新的能力。而且內容比原來更加務實和精簡，增加了很多應用實例。教材不僅能夠在有限的課時內講授完控制理論的基礎原理和基本方法，而且重點講解了學生將來在工作實踐中可能用到的知識，為今后將控制理論應用于工程實際打下堅實的基礎。除我們自編的教材外，還推薦中外經典控制方面的教材供學生選讀，以幫助學生拓展思維空間以及提高獲取知識的能力。此外，隨著計算機科學迅速發展，計算機仿真已經成為一項廣泛應用的技術。因此本書在每一章的最后都給出了使用Matlab語言進行控制系統的計算機仿真分析的實驗案例，增加了分析控制系統基礎問題的途徑。

新編教材內容分為數學基礎、系統建模、性能分析和系統校正設計四大塊。數學基礎知識部分在介紹復變函數的基礎上，重點引出拉氏變換及其應用，為后續章節的學習奠定了數學基礎。系統建模部分，從時域、頻域等不同的角度對系統各個基本環節進行建模，通過建立微分方程、傳遞函數和方塊圖來建立各模型的聯系，有助于學生加深對實際模型和抽象模型的理解。系統分析內容中，控制系統的穩定性、快速性和準確性是最基本的分析對象，分析方法的主要內容包括系統時域分析法和頻域分析法，這也是控制理論教學的重點和難點。系統校正部分內容重點討論了串聯校正中的幾個重要環節和非常實用的PID校正，這對提升學生解決工程問題的能力十分重要，同樣也是教學的目標之一。在講授過程中，將這幾部分作為課程主線串聯起來，各知識點會變得清晰有條理，邏輯性強。

2.控制工程基礎教學方法的改革

第一，采用現代化教學手段。運用多媒體教學，設計電子教案、PowerPoint課件和Matlab課程案例，采用圖文并茂的投影顯示模式，使得公式推導和系統響應結果等操作變得形象、簡單，使原本枯燥、抽象的理論闡述變得生動和具體。采用Flash設計開發網絡教學軟件，集成網絡課件、網上自測練習、網上虛擬仿真實驗和其他相關素材，建立機械工程控制基礎網絡教學環境；課堂上教師利用授課的計算機穿插演示仿真實驗，學生課后也能利用個人計算機上網進行相關內容的自測練習和仿真實驗，形成課上、課下的實驗教學氛圍；學生可以通過大量仿真練習在實踐中學習，使晦澀的理論變得通俗易懂。教師在“教中做”，學生在“做中學”；教師課前將上課要講授的內容和課堂視頻影像上傳到課程網站，實現資源實時共享。學生可以根據需要提前下載內容預習，課上也不需要匆忙地做筆記，留下更多的時間專心聽課。

第二，理論和實踐相結合。實踐教學對學生的動手能力和創新能力的培養具有十分重要的作用，是本課程重要的一個環節。在完成基本教學任務的同時，不斷建設、充實和完善多層次的實驗體系和課內、課外多種形式的實踐能力培養模式，將課題組成員曾經做過的科研項目和工程經典案例納入教學內容中，讓從未接觸過工程實際的學生能夠建立機械工程控制的整體概念。根據本課程的特點，并結合本課程的實驗條件和學時數情況，將原理型實驗與設計型、綜合型、研究型實驗相結合，設計三個層次的實踐教學環節，即在課堂和課后作業中完成原理型仿真實驗；在實驗室中完成面向機電工程中典型物理對象/系統的特性測試、分析與控制實驗；以課外創新實踐的方式實現典型機電系統的構建、特性分析、測試與控制設計。在課堂與實踐教學環節中對學生的獨立思考能力、動手能力和創新能力進行有意識的培養，而不是一味地向學生灌輸書本上的理論知識。

第三，優化考核方案。考核是體現教學價值的重要手段，科學靈活的考核方法對教師教學和學生學習的效果起到重要的促進作用。傳統的考核方法有很大的局限性，必須改變，將考核貫穿于教學過程中。我們從課堂學習態度、平時作業與出勤率（20%）、實驗參與度（10%）和結課考試（70%）等方面對學生的成績進行綜合評定，這樣的成績更能客觀地反映學生課程的學習狀況。所謂課堂表現，是教師每次講新課前，占用5～10分鐘對上次課程進行回顧，并對新課內容進行簡單的口頭概括。為提高學生的聽課效率，將該環節交由學生完成。實驗參與度是指學生在實驗過程中真正參與到設計和創新活動的程度，是對學生創新思維、獨立分析問題和解決問題能力的一個判定。結課考試的命題是以教學大綱為依據，不僅考查學生的基礎理論知識，更重要的是考查學生理論聯系實際的能力。這種考核模式的變革，一方面是為修正過去學生平時不努力，考前突擊也能得高分的習慣做法；另一方面提高學生的動手能力和解決實際問題的能力，為將來就業時與企業快速對接打下堅實的基礎。

三 結束語

作為機電專業的一門專業基礎課程，控制工程基礎在培養學生對專業知識的綜合應用能力、動手能力和創新能力中占有重要的地位。通過對課程教學內容及方式和考核方式的改革，初步解決了學時少、內容多的瓶頸問題，使教學內容更加貼近工程應用實際需要，在培養學生的創新思維和綜合應用能力方面都取得了良好的成效。

參考文獻

[1]楊建璽、徐莉萍等編著.控制工程基礎[M].北京：科學出版社，2008

[2]林海鵬、王金波、董金波等.《控制工程基礎》課程的教學改革與實踐探索[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2011（8）

〔責任編輯：龐遠燕〕