具有航空航天特色的控制工程基礎(chǔ)課程體系建設(shè)

齊義文+盧艷軍+劉利秋+高云紅

[摘 要]為了突出以航空航天特色為中心的發(fā)展需要，學(xué)校在教育教學(xué)方面需要加大對相關(guān)課程內(nèi)涵建設(shè)的研究、改革和實施。學(xué)校可以以控制工程基礎(chǔ)課程為載體，以突出航空航天特色為目標，設(shè)計一套提升該課程教學(xué)專業(yè)特色性的課程體系建設(shè)方案。學(xué)校通過課堂教學(xué)和實驗教學(xué)的改革，建立與課程內(nèi)容聯(lián)系緊密的特色教學(xué)/實驗案例素材庫，深化學(xué)生對控制工程理論知識的理解，并使學(xué)生了解控制工程原理在航空航天中的最新應(yīng)用，使其具備一定的數(shù)字仿真能力和初步綜合設(shè)計航空航天控制系統(tǒng)的實踐與創(chuàng)造能力。

[關(guān)鍵詞]控制工程；航空航天特色；課程建設(shè)；教學(xué)改革

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）12-0165-02

沈陽航空航天大學(xué)（以下簡稱沈航）是一所以航空宇航為特色，以工為主的多科性協(xié)調(diào)發(fā)展的高等院校。作為教學(xué)研究型定位的高等學(xué)校，我校的教學(xué)工作在學(xué)校各項工作中占有十分重要的地位。多年來，沈航自動化學(xué)院基礎(chǔ)教研室承擔的控制工程基礎(chǔ)課程是我校機械、飛行器與動力和材料等工科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，作為核心課程之一在專業(yè)課程體系中占有重要地位。當前，自動化類技術(shù)在現(xiàn)代高科技發(fā)展的諸多領(lǐng)域（如航空航天）起到了越來越重要的作用，與其密切相關(guān)的控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)也面臨著改革，以適應(yīng)航空航天科技的發(fā)展和人才培養(yǎng)的需求導(dǎo)向。該課程涉及數(shù)學(xué)、力學(xué)、電學(xué)和測試技術(shù)等多門相關(guān)課程，以系統(tǒng)的動態(tài)過程為研究對象，內(nèi)容理論性較強比較抽象，同時該課程知識又能運用于有明顯實踐應(yīng)用性的廣泛領(lǐng)域中。但在實際教學(xué)過程中，其理論和實際的結(jié)合不是很緊密，難以跟上航空航天工程中控制技術(shù)的快速發(fā)展。

為了突出該門課程的航空航天特色，加強培養(yǎng)學(xué)生對理論知識的理解掌握和提升學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識，我校開展了具有航空特色的控制工程基礎(chǔ)教學(xué)模式的探索改革與實踐。通過將控制理論知識與航空航天專業(yè)特點相結(jié)合，以期使學(xué)生在掌握自動控制基本理論和方法的基礎(chǔ)上，對于其在航空航天各領(lǐng)域（如飛行控制系統(tǒng)、航空發(fā)動機控制系統(tǒng)、衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)、火箭/導(dǎo)彈控制系統(tǒng)及其他航空航天運載器的機電控制系統(tǒng)等）中的應(yīng)用有較為深入的了解，并初步掌握航空航天類控制系統(tǒng)的基本原理和設(shè)計方法。

一、具有專業(yè)特色控制類課程建設(shè)的研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)，控制類課程一直在各工科專業(yè)的課程設(shè)置中占有重要地位。江南大學(xué)王艷針對電氣信息類學(xué)生的具體情況，對自動控制原理的課程教學(xué)進行了一些改革和嘗試。[1]華東理工大學(xué)孫京浩等人針對該校過程控制工程國家精品課全方面探討了課程創(chuàng)新教學(xué)改革實踐和經(jīng)驗體會。[2]此外，北航的陳殿生等人，江蘇科大的袁明新等人和遼寧工程技術(shù)大學(xué)的李建剛等人還分別對機械控制工程、機電控制工程和控制工程等課程的改革和建設(shè)進行了有益探討并提出了多項措施。[3]面向航空特色的課程建設(shè)成果主要體現(xiàn)于國內(nèi)幾所航空類院校。昌航謝小林等對“復(fù)合材料”專業(yè)的航空特色人才培養(yǎng)途徑進行了研究。[4]南航劉海春等對航空特色“電工電子技術(shù)”課程教學(xué)進行了研究。[5]此外，昌航羅軍明等對金屬材料工程和普通化學(xué)等專業(yè)具有航空特色的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)、教學(xué)體系建設(shè)和課程教學(xué)改革等內(nèi)容進行較為深入的研究和探索實踐。[6]

綜上，在自動化核心課程建設(shè)方面，整體上國內(nèi)高校偏重于理論教學(xué)。在具有航空特色課程建設(shè)方面，幾所航空類學(xué)校已陸續(xù)在多門課程上開展研究和實踐嘗試，但在控制工程類課程建設(shè)上僅有初步嘗試（將發(fā)動機控制部分引入）[7]，且信息獲取方式十分有限，還遠不能全面反映航空航天控制領(lǐng)域的整體應(yīng)用實踐情況，有待結(jié)合我校的特色進行深入發(fā)掘、研究和探索。

二、具有航空航天特色的控制工程基礎(chǔ)課程建設(shè)方案

（一）突出航空航天特色的課程內(nèi)容優(yōu)化

1.課程大綱的修訂

課程大綱是控制工程基礎(chǔ)的綱領(lǐng)性規(guī)范文件，以突顯航空航天特色為指導(dǎo)理念，明確目的，對課程大綱的制訂和教學(xué)內(nèi)容的安排體現(xiàn)出基礎(chǔ)與綜合的合理分配、理論與實踐的密切結(jié)合、經(jīng)典與航空航天控制工程前沿的有效過渡。充分結(jié)合主講教師豐富的科研實踐經(jīng)驗，按學(xué)術(shù)專長分工，制訂可涵蓋航空航天領(lǐng)域典型控制系統(tǒng)和控制問題的內(nèi)容優(yōu)化方向和范圍。大綱制訂目標是使學(xué)生具有較強的控制工程基礎(chǔ)理論知識，以及具備初步的在航空航天控制系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域綜合運用知識的能力、實際動手能力和創(chuàng)新性實踐能力。

2.構(gòu)建航空航天控制系統(tǒng)設(shè)計案例庫

本文所提出的案例驅(qū)動教學(xué)，其本質(zhì)是將理論教學(xué)與航空航天控制工程實踐相結(jié)合，通過工程案例提高課程的實用性和前沿性，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生主體性和加強對學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。設(shè)計的工程案例大致可劃分為三種類型：啟發(fā)引導(dǎo)型、認知輔助型和綜合設(shè)計型。

其中，對于啟發(fā)引導(dǎo)型案例（起到“線”的作用），引入一個系統(tǒng)的大案例置于課程緒論中，充當引領(lǐng)作用，闡述學(xué)習(xí)的意義和本質(zhì)和激發(fā)興趣，解析某個航空航天控制系統(tǒng)的構(gòu)成和控制問題描述，闡述解決思路，并提供解決路徑（教材其余各章節(jié)）。需要指出的是，這個大案例始終貫穿全課程內(nèi)容，其作為一個大線索，可一方面起到使上下文知識點邏輯緊密的作用，始終反映全局和局部的關(guān)系，還可使學(xué)生最終實現(xiàn)一個典型航空航天控制系統(tǒng)設(shè)計的完整學(xué)習(xí)過程。

對于認知輔助型案例（起到“點”和“面”的作用），認知型案例主要是針對教學(xué)中的重點和難點，利用一些“小型或局部性”航空航天控制工程案例（如飛行控制系統(tǒng)、航空發(fā)動機控制系統(tǒng)和衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)）來詮釋知識點。這些案例可在教學(xué)的具體章節(jié)中夯實學(xué)生對某單獨知識點的學(xué)習(xí)、消化和掌握，也可持續(xù)體現(xiàn)課程的應(yīng)用實踐性，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以使學(xué)生逐步了解和認識航空航天控制系統(tǒng)涉及的各個具體領(lǐng)域，擴大知識面，提高特色素養(yǎng)。

（二）突出航空航天特色的多層次的實踐教學(xué)體系

實踐是課程教學(xué)必不可少的內(nèi)容，有利于理論知識的鞏固和應(yīng)用能力的提高。在現(xiàn)有的教學(xué)中，實驗（6學(xué)時）教學(xué)只是在授課期間穿插兩三次實驗，學(xué)生對實驗內(nèi)容的理解仍然比較模糊，未能達到實驗教學(xué)目的。為此，我們擬對控制工程基礎(chǔ)的實驗內(nèi)容進行部分調(diào)整，構(gòu)建多層次的實驗教學(xué)體系，實驗涵蓋基礎(chǔ)理論實驗和綜合性設(shè)計實驗兩個層次，由淺入深，循序漸進。

1.基礎(chǔ)理論實驗

學(xué)生學(xué)會利用控制方法去設(shè)計系統(tǒng)，這是本課程學(xué)習(xí)的最終目標，也是教學(xué)的難點。現(xiàn)有控制工程基礎(chǔ)的實驗多是分析驗證性實驗，缺少設(shè)計性實驗。由于其只是單純的系統(tǒng)性能仿真或是穩(wěn)定性分析（零極點分布、奈奎斯特判據(jù)），往往2～3學(xué)時的實驗學(xué)生很快就做完了。學(xué)生僅學(xué)會了對某些單知識點的初步分析，沒有形成完整的控制系統(tǒng)設(shè)計思維，當然也不會設(shè)計稍微復(fù)雜的系統(tǒng)。作為國內(nèi)外廣泛使用的教學(xué)和應(yīng)用軟件，Matlab功能已十分強大，應(yīng)充分利用其更多的實用功能。為此，學(xué)校擬在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，安排設(shè)計更加綜合的基礎(chǔ)理論實驗案例，采用Matlab/Simulink工具進行高級設(shè)計，加深學(xué)生對理論知識的綜合理解，同時提升其使用控制系統(tǒng)分析工具的水平。

2.綜合性設(shè)計實驗

實驗過程是從預(yù)習(xí)開始到完成實驗報告的一個完整過程。長期以來，實驗教學(xué)過程中存在著重視實驗結(jié)果輕視實驗過程的傾向。實驗前一些學(xué)生已經(jīng)把前面同學(xué)的實驗程序抄錄在手，實驗過程中常出現(xiàn)不認真觀察實驗的現(xiàn)象。為改變這種重結(jié)果輕過程的現(xiàn)象，擬增加具有航空航天特色的綜合性控制系統(tǒng)設(shè)計實驗，全面考查學(xué)生對系統(tǒng)的分析和綜合設(shè)計能力，考查建模、穩(wěn)定性、時域分析、校正設(shè)計等具體內(nèi)容。通過設(shè)計性實驗來改變學(xué)生的被動狀態(tài)，學(xué)生需要自己動腦和互相配合，這激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系航空航天工程實際的獨立工作和創(chuàng)新能力。

三、結(jié)論

本課程改革在教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)提出了一套帶有航空航天特色的控制工程基礎(chǔ)課程案例分析、基礎(chǔ)仿真實驗和綜合設(shè)計實驗相結(jié)合的多層次體系。經(jīng)過精心設(shè)計與選擇案例和實驗內(nèi)容，將航空航天特色科學(xué)地納入各個教學(xué)環(huán)節(jié)，可將學(xué)生獨立思考能力、分析問題能力、實際動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)結(jié)合到課堂與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，并不斷增強學(xué)生對本課程理論知識的理解掌握和提升學(xué)生對航空航天控制系統(tǒng)分析設(shè)計的綜合應(yīng)用實踐能力水平。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王艷. 《自動控制原理》課程教學(xué)改革與創(chuàng)新實踐[J]. 江南大學(xué)學(xué)報（教育科學(xué)版），2007（4）：49-51.

[2] 孫京誥，羅健旭，劉漫丹，等. 過程控制工程國家精品課程特色建設(shè)探討與實踐[J].化工高等教育，2012（2）：15-18.

[3] 陳殿生，王田苗，黃宇. 機電控制工程課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)[J].實驗技術(shù)與管理，2009（1）：7-10.

[4] 謝小林，梁紅波，范紅青，等. 復(fù)合材料專業(yè)方向航空特色人才培養(yǎng)的探索與實踐[J].大學(xué)教育，2013（6）：143-144.

[5] 劉海春，翁曉光，邢麗冬. 基于航空特色的“電工電子技術(shù)”課程教學(xué)實踐[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報，2013（4）：35-39.

[6] 羅軍明，魯世強，張國光.金屬材料工程專業(yè)航空特色與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)探討[J]. 黑龍江教育（高教研究與評估），2012（1）：33-35.

[7] 魯峰. 具有航空特色的自動控制原理課程教學(xué)中的啟示[J].科技信息，2013（4）：141-141.

[責任編輯：劉鳳華]