工程認(rèn)證背景下“自動(dòng)控制原理”教學(xué)改革與探究

邢廣成　師衛(wèi)國　董燕飛

摘 要 工程教育專業(yè)認(rèn)證要求培養(yǎng)的人才具有更高的適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的能力，畢業(yè)生能夠滿足企業(yè)的基本需求，因此要求培養(yǎng)的學(xué)生具有較高的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。結(jié)合工程認(rèn)證要求，針對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程現(xiàn)狀，在課程內(nèi)容體系、實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)、創(chuàng)新實(shí)踐教育、教學(xué)方式等多個(gè)方面進(jìn)行改革和探究，取得了較好的效果，為工程認(rèn)證的后續(xù)開展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 工程認(rèn)證 自動(dòng)控制原理 課程內(nèi)容體系 實(shí)踐教學(xué) 創(chuàng)新實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

高校按照現(xiàn)在的教學(xué)體系培養(yǎng)學(xué)生，培養(yǎng)過程偏重理論知識(shí)，工程實(shí)踐能力不足。工業(yè)4.0和“中國制造2025”國家戰(zhàn)略規(guī)劃發(fā)布以后，中國制造業(yè)領(lǐng)域面臨巨大的發(fā)展機(jī)遇，因此工程人才數(shù)量供不應(yīng)求。現(xiàn)如今普通工科培養(yǎng)的學(xué)生工程技術(shù)方面質(zhì)量不高，動(dòng)手實(shí)踐能力差，缺乏行業(yè)背景和職業(yè)精神，工科學(xué)生畢業(yè)后不愿意去中小型企業(yè)工作，而企業(yè)也不太歡迎通才模式培養(yǎng)出來的工科學(xué)生。因此，國家提出“引導(dǎo)一批普通本科院校向技術(shù)型院校轉(zhuǎn)型，向職業(yè)教育類轉(zhuǎn)型”意見，是為了適應(yīng)工程教育需要而做出的教育體系調(diào)整。加強(qiáng)工程教育，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，加強(qiáng)職業(yè)教育，適應(yīng)社會(huì)對(duì)工程技術(shù)人才的需求。河南城建學(xué)院電氣與控制工程學(xué)院目前正在開展電氣工程及其自動(dòng)專業(yè)的專業(yè)認(rèn)證工作，“自動(dòng)控制原理”作為該專業(yè)一門重要基礎(chǔ)課程，對(duì)其課程的教學(xué)改革也勢(shì)在必行。

1工程教育專業(yè)認(rèn)證現(xiàn)狀

2013年6月，國際工程聯(lián)盟大會(huì)正式接納我國加入《華盛頓協(xié)議》，成為該協(xié)議的預(yù)備會(huì)員，2016年6月，我國成為正式會(huì)員。根據(jù)中國工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)公布結(jié)論，2014年有137個(gè)專業(yè)通過認(rèn)證，2013年有95個(gè)專業(yè)通過認(rèn)證，涉及高校100多所，近兩年申請(qǐng)認(rèn)證的專業(yè)數(shù)量大幅增加，證明工程教育認(rèn)證被越來越多的高校認(rèn)可，并且積極參與進(jìn)來。通過工程教育認(rèn)證，可以完善工程人才培養(yǎng)體系，提高工程教育質(zhì)量；強(qiáng)化工業(yè)界參與工程教育，增強(qiáng)畢業(yè)生對(duì)企業(yè)的適應(yīng)能力；促進(jìn)工程教育的國際化，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的國際認(rèn)可度。工程教育認(rèn)證是工程界和教育界共同實(shí)施對(duì)工程專業(yè)培養(yǎng)人才質(zhì)量的外部評(píng)價(jià)，從學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、持續(xù)改進(jìn)、課程體系、師資隊(duì)伍、支持條件等多個(gè)方面通用標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)特殊要求進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。

2 “自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)存在問題

2.1課程知識(shí)內(nèi)容陳舊

目前本科高校“自動(dòng)控制原理”比較通用的幾個(gè)版本課程內(nèi)容體系基本一致，內(nèi)容相對(duì)陳舊，有的版本幾乎幾十年沒有變化。課程結(jié)構(gòu)未變，內(nèi)容不變，學(xué)時(shí)減少，又要增加一些新的課程，課程知識(shí)內(nèi)容必須面臨更新和變革。

2.2實(shí)驗(yàn)課程的現(xiàn)狀

自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)?zāi)壳爸饕捎媚M實(shí)驗(yàn)箱模和Matlab仿真兩種方式，都是基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)形式的數(shù)學(xué)模型，部分同學(xué)對(duì)傳遞函數(shù)的概念理解不深，實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，主要目的是為了驗(yàn)證理論結(jié)果，缺少實(shí)踐性和創(chuàng)造性。學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)并不能將實(shí)驗(yàn)結(jié)論和工程實(shí)踐聯(lián)系起來，不能滿足工程教育認(rèn)證的培養(yǎng)目標(biāo)和要求。因此需要對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行改革。

2.3教學(xué)方式陳舊

目前理論教學(xué)采用多媒體方式，老師講的內(nèi)容較多，而學(xué)生參與較少，不能引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，因此學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解不夠，很難將抽象的傳遞函數(shù)與具體的系統(tǒng)聯(lián)系起來，授課效果不好。需求一種新的教學(xué)方式，讓學(xué)生參與到課堂中去，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

3課程教學(xué)改革幾點(diǎn)探究

3.1“自動(dòng)控制原理”課程知識(shí)重組設(shè)計(jì)

課程主要內(nèi)容三大分析和設(shè)計(jì)方法：時(shí)域分析法、根軌跡法、頻率特性法。在工程設(shè)計(jì)應(yīng)用當(dāng)中，時(shí)域分析和頻率特性分析用的比較多，根軌跡分析基本不用。以前課程學(xué)時(shí)總數(shù)60左右，其中根軌跡安排8學(xué)時(shí)，隨著課程體系改革，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)，縮減理論環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)，現(xiàn)在總學(xué)時(shí)數(shù)一般為48，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)增加到16個(gè)學(xué)時(shí)單獨(dú)開設(shè)，根軌跡安排2個(gè)學(xué)時(shí)簡(jiǎn)單介紹；采樣控制系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程里面有內(nèi)容重復(fù)，也不再做重復(fù)教學(xué)安排；“信號(hào)與系統(tǒng)”課程里面部分內(nèi)容與“自動(dòng)控制原理”部分也有重復(fù)，可以將二者進(jìn)行優(yōu)化，統(tǒng)籌安排；重點(diǎn)突出實(shí)際系統(tǒng)的建模與應(yīng)用，對(duì)教學(xué)內(nèi)容重新設(shè)計(jì)，重點(diǎn)突出學(xué)生的創(chuàng)造能力和實(shí)踐能力，如：在講授控制系統(tǒng)分析的三個(gè)性能：穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，結(jié)合直流電機(jī)伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)來進(jìn)行說明，可以引導(dǎo)學(xué)生如何從改進(jìn)三個(gè)方面性能來進(jìn)行思考。

3.2課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了凸顯實(shí)驗(yàn)重要性，提高學(xué)生的重視程度，將實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)增加到16學(xué)時(shí)，單獨(dú)進(jìn)行考核。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)以模擬實(shí)驗(yàn)箱為基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置比較簡(jiǎn)單，主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，分析和設(shè)計(jì)部分不足，在此基礎(chǔ)上增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)串聯(lián)環(huán)節(jié)校正。同時(shí)結(jié)合Matlab軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)數(shù)字仿真分析，頻率特性分析、串聯(lián)校正設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)除了模擬電路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以外，采用Matlab進(jìn)行仿真分析，將實(shí)物系統(tǒng)和數(shù)字仿真結(jié)合起來，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的認(rèn)識(shí)和理解。引導(dǎo)學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的過程中利用Matlab軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，這樣能夠在有限的課程時(shí)間內(nèi)，提高實(shí)驗(yàn)的效率，重點(diǎn)放在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和思考上面來，而不單單是重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比如在綜合校正的設(shè)計(jì)過程中，思考能否設(shè)計(jì)不同的控制結(jié)構(gòu)及改變不同的參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)性能有哪些方面的影響，得出結(jié)論，思考如何想結(jié)論應(yīng)用在工程實(shí)踐系統(tǒng)當(dāng)中。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，內(nèi)容是基礎(chǔ)，重點(diǎn)要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生如何通過實(shí)驗(yàn)解決實(shí)際問題的能力。比如在二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，不能局限于模擬電路的連接和實(shí)驗(yàn)圖形的簡(jiǎn)單記錄，應(yīng)該讓學(xué)生明白，二階的系統(tǒng)如何用模擬電路系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，其它的實(shí)際系統(tǒng)是否也能夠搭建起等效的模擬電路系統(tǒng)來進(jìn)行分析。讓學(xué)生能夠自己設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)的模擬電路，并對(duì)其進(jìn)行模擬和數(shù)字仿真，讓學(xué)生能夠?qū)W以致用。

3.3開放實(shí)驗(yàn)室以及綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)

開放學(xué)院的大部分實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)學(xué)生在課外時(shí)間利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練。“自動(dòng)控制原理”課程一般沒有開始課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，為了提高學(xué)生的課程知識(shí)的綜合和應(yīng)用能力，因此在課程后半段，設(shè)計(jì)了開放性綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如下：?jiǎn)嗡湟何豢刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)，一階倒立擺系統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電阻爐溫溫度控制系統(tǒng)，電機(jī)伺服控制系統(tǒng)等幾個(gè)綜合項(xiàng)目。這幾個(gè)系統(tǒng)具體不同特征，控制過程中涉及到控制方案也不盡相同，這幾個(gè)項(xiàng)目又是綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，因此可以極大程度加大學(xué)生對(duì)控制知識(shí)的應(yīng)用能力。endprint

成立項(xiàng)目綜合實(shí)訓(xùn)小組，專業(yè)教師指導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手制作實(shí)物控制系統(tǒng)。學(xué)院實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，為學(xué)生提供專業(yè)工具包，提供一定的經(jīng)費(fèi)支持，由專業(yè)教師指導(dǎo)帶領(lǐng)學(xué)生研制實(shí)物控制系統(tǒng)。學(xué)生在制作實(shí)物系統(tǒng)之前首先要進(jìn)行理論分析和設(shè)計(jì)，一方面加強(qiáng)了學(xué)生在理論知識(shí)方面的理解和認(rèn)識(shí)，另一方面在制作的過程中，很好地增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手的能力，使學(xué)生的工程實(shí)踐能力的得到極大提升。學(xué)生制作的實(shí)物系統(tǒng)可以作為實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，在教學(xué)過程當(dāng)中作為輔助手段為同學(xué)們演示，這樣可以將教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)結(jié)合起來，相輔相成。

3.4多元化教學(xué)方式相互融合

結(jié)合河南城建學(xué)院應(yīng)用型本科院校轉(zhuǎn)型發(fā)展，根據(jù)“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)內(nèi)容，采用多元教學(xué)方式來增強(qiáng)教學(xué)效果。根據(jù)工程培養(yǎng)要求，教學(xué)過程中要做到以學(xué)生為本，從學(xué)生的應(yīng)用能力提高為出發(fā)點(diǎn)，不再是傳統(tǒng)教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)的填鴨式灌輸。

采用重啟發(fā)模式的探究式教學(xué)。主講教師根據(jù)實(shí)際情景提出問題，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，圍繞問題進(jìn)行分析，尋找解決問題的有效方法，可以以小組的形式開展討論，增強(qiáng)學(xué)生課堂的自主性。舉例來講，教師提出生活中常見的水箱水位系統(tǒng)的控制問題，提出如下問題：如果出水口流量波動(dòng)，如何保證水箱水位保持不變？引導(dǎo)學(xué)生在所學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，讓學(xué)生自行分析并找到解決問題的辦法。

提高用人單位反饋意見在教學(xué)過程的作用。以工程認(rèn)證體系“持續(xù)改進(jìn)”為原則，通過用人單位的反饋來提高教學(xué)效果。與用人單位加強(qiáng)聯(lián)系合作，定期對(duì)用人單位進(jìn)行回訪，或者以網(wǎng)絡(luò)問卷的的形式征求單位對(duì)學(xué)生的反饋意見。加強(qiáng)與工程實(shí)踐單位的合作，將學(xué)生的部分實(shí)踐環(huán)節(jié)如課程設(shè)計(jì)等安排給企業(yè)工程技術(shù)人員，讓企業(yè)將用人單位的要求直接滲透到教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中。

4總結(jié)

在河南城建學(xué)院“電氣工程及其自動(dòng)化”專業(yè)申請(qǐng)工程教育認(rèn)證背景下，從多個(gè)方面對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程進(jìn)行教學(xué)改革和探索。對(duì)課程知識(shí)體系進(jìn)行了整合優(yōu)化，單獨(dú)設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，增加綜合課程項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，采用多種方式進(jìn)行教學(xué)。實(shí)踐表明，通過相關(guān)教學(xué)改革，工程教育方面取得了較好的效果，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力有了較大提升，普遍增強(qiáng)了學(xué)生的工程意識(shí)。

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