具有航空航天特色的控制工程基礎課程體系建設

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展需要，學校在教育教學方面需要加大對相關課程內涵建設的研究、改革和實施。學校可以以控制工程基礎課程為載體，以突出航空航天特色為目標，設計一套提升該課程教學專業特色性的課程體系建設方案。學校通過課堂教學和實驗教學的改革，建立與課程內容聯系緊密的特色教學/實驗案例素材庫，深化學生對控制工程理論知識的理解，并使學生了解控制工程原理在航空航天中的最新應用，使其具備一定的數字仿真能力和初步綜合設計航空航天控制系統的實踐與創造能力。

[關鍵詞]控制工程；航空航天特色；課程建設；教學改革

[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（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調發展的高等院校。作為教學研究型定位的高等學校，我校的教學工作在學校各項工作中占有十分重要的地位。多年來，沈航自動化學院基礎教研室承擔的控制工程基礎課程是我校機械、飛行器與動力和材料等工科專業的一門重要的專業基礎課，作為核心課程之一在專業課程體系中占有重要地位。當前，自動化類技術在現代高科技發展的諸多領域（如航空航天）起到了越來越重要的作用，與其密切相關的控制工程基礎課程教學也面臨著改革，以適應航空航天科技的發展和人才培養的需求導向。該課程涉及數學、力學、電學和測試技術等多門相關課程，以系統的動態過程為研究對象，內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用性的廣泛領域中。但在實際教學過程中，其理論和實際的結合不是很緊密，難以跟上航空航天工程中控制技術的快速發展。

為了突出該門課程的航空航天特色，加強培養學生對理論知識的理解掌握和提升學生的工程應用能力和創新意識，我校開展了具有航空特色的控制工程基礎教學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特點相結合，以期使學生在掌握自動控制基本理論和方法的基礎上，對于其在航空航天各領域（如飛行控制系統、航空發動機控制系統、衛星姿態控制系統、火箭/導彈控制系統及其他航空航天運載器的機電控制系統等）中的應用有較為深入的了解，并初步掌握航空航天類控制系統的基本原理和設計方法。

一、具有專業特色控制類課程建設的研究現狀

在國內，控制類課程一直在各工科專業的課程設置中占有重要地位。江南大學王艷針對電氣信息類學生的具體情況，對自動控制原理的課程教學進行了一些改革和嘗試。[1]華東理工大學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新教學改革實踐和經驗體會。[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大學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成果主要體現于國內幾所航空類院校。昌航謝小林等對“復合材料”專業的航空特色人才培養途徑進行了研究。[4]南航劉海春等對航空特色“電工電子技術”課程教學進行了研究。[5]此外，昌航羅軍明等對金屬材料工程和普通化學等專業具有航空特色的創新型人才培養、教學體系建設和課程教學改革等內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方面，整體上國內高校偏重于理論教學。在具有航空特色課程建設方面，幾所航空類學校已陸續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上僅有初步嘗試（將發動機控制部分引入）[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域的整體應用實踐情況，有待結合我校的特色進行深入發掘、研究和探索。

二、具有航空航天特色的控制工程基礎課程建設方案

（一）突出航空航天特色的課程內容優化

1.課程大綱的修訂

課程大綱是控制工程基礎的綱領性規范文件，以突顯航空航天特色為指導理念，明確目的，對課程大綱的制訂和教學內容的安排體現出基礎與綜合的合理分配、理論與實踐的密切結合、經典與航空航天控制工程前沿的有效過渡。充分結合主講教師豐富的科研實踐經驗，按學術專長分工，制訂可涵蓋航空航天領域典型控制系統和控制問題的內容優化方向和范圍。大綱制訂目標是使學生具有較強的控制工程基礎理論知識，以及具備初步的在航空航天控制系統設計領域綜合運用知識的能力、實際動手能力和創新性實踐能力。

2.構建航空航天控制系統設計案例庫

本文所提出的案例驅動教學，其本質是將理論教學與航空航天控制工程實踐相結合，通過工程案例提高課程的實用性和前沿性，并激發學生的學習興趣，發揮學生主體性和加強對學生創新實踐能力的培養。設計的工程案例大致可劃分為三種類型：啟發引導型、認知輔助型和綜合設計型。

其中，對于啟發引導型案例（起到“線”的作用），引入一個系統的大案例置于課程緒論中，充當引領作用，闡述學習的意義和本質和激發興趣，解析某個航空航天控制系統的構成和控制問題描述，闡述解決思路，并提供解決路徑（教材其余各章節）。需要指出的是，這個大案例始終貫穿全課程內容，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系，還可使學生最終實現一個典型航空航天控制系統設計的完整學習過程。

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、航空發動機控制系統和衛星姿態控制系統）來詮釋知識點。這些案例可在教學的具體章節中夯實學生對某單獨知識點的學習、消化和掌握，也可持續體現課程的應用實踐性，提升學生的學習興趣，還可以使學生逐步了解和認識航空航天控制系統涉及的各個具體領域，擴大知識面，提高特色素養。

（二）突出航空航天特色的多層次的實踐教學體系

實踐是課程教學必不可少的內容，有利于理論知識的鞏固和應用能力的提高。在現有的教學中，實驗（6學時）教學只是在授課期間穿插兩三次實驗，學生對實驗內容的理解仍然比較模糊，未能達到實驗教學目的。為此，我們擬對控制工程基礎的實驗內容進行部分調整，構建多層次的實驗教學體系，實驗涵蓋基礎理論實驗和綜合性設計實驗兩個層次，由淺入深，循序漸進。

1.基礎理論實驗

學生學會利用控制方法去設計系統，這是本課程學習的最終目標，也是教學的難點。現有控制工程基礎的實驗多是分析驗證性實驗，缺少設計性實驗。由于其只是單純的系統性能仿真或是穩定性分析（零極點分布、奈奎斯特判據），往往2～3學時的實驗學生很快就做完了。學生僅學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設計思維，當然也不會設計稍微復雜的系統。作為國內外廣泛使用的教學和應用軟件，Matlab功能已十分強大，應充分利用其更多的實用功能。為此，學校擬在現有基礎上，安排設計更加綜合的基礎理論實驗案例，采用Matlab/Simulink工具進行高級設計，加深學生對理論知識的綜合理解，同時提升其使用控制系統分析工具的水平。

2.綜合性設計實驗

實驗過程是從預習開始到完成實驗報告的一個完整過程。長期以來，實驗教學過程中存在著重視實驗結果輕視實驗過程的傾向。實驗前一些學生已經把前面同學的實驗程序抄錄在手，實驗過程中常出現不認真觀察實驗的現象。為改變這種重結果輕過程的現象，擬增加具有航空航天特色的綜合性控制系統設計實驗，全面考查學生對系統的分析和綜合設計能力，考查建模、穩定性、時域分析、校正設計等具體內容。通過設計性實驗來改變學生的被動狀態，學生需要自己動腦和互相配合，這激發了學生的學習積極性，培養了學生理論聯系航空航天工程實際的獨立工作和創新能力。

三、結論

本課程改革在教學和實踐環節提出了一套帶有航空航天特色的控制工程基礎課程案例分析、基礎仿真實驗和綜合設計實驗相結合的多層次體系。經過精心設計與選擇案例和實驗內容，將航空航天特色科學地納入各個教學環節，可將學生獨立思考能力、分析問題能力、實際動手能力和創新能力的培養結合到課堂與實踐教學環節中，并不斷增強學生對本課程理論知識的理解掌握和提升學生對航空航天控制系統分析設計的綜合應用實踐能力水平。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王艷. 《自動控制原理》課程教學改革與創新實踐[J]. 江南大學學報（教育科學版），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絡教學系統的開發[J].實驗技術與管理，2009（1）：7-10.

[4] 謝小林，梁紅波，范紅青，等. 復合材料專業方向航空特色人才培養的探索與實踐[J].大學教育，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”課程教學實踐[J]. 電氣電子教學學報，2013（4）：35-39.

[6] 羅軍明，魯世強，張國光.金屬材料工程專業航空特色與創新型人才培養探討[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中的啟示[J].科技信息，2013（4）：141-141.

[責任編輯：劉鳳華]