應用技術型本科高校控制工程基礎課程教學改革研究

陳國彬 臧勇 葛海浪 楊會

【摘 要】根據應用技術型本科院校機電工程專業的培養目標，我們針對控制工程基礎課程進行了教學模式及方法改革的探索研究。在詳細分析該課程教學現狀與存在問題的基礎上，提出了一系列改革措施，包括調整學時分配、改變課堂管理模式、增加數字仿真以及引入綜合性實例項目。這些措施完善了機電專業中應用技術型本科高校的教育方法和教學模式，能夠培養出具有扎實專業技術基礎、綜合工程系統能力和良好團隊協作能力的當代應用型人才。

【關鍵詞】應用技術型；機電工程；微助教；Matlab仿真；實踐項目

中圖分類號： G712；TH-39 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0071-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.034

【Abstract】According to the training objective of electromechanical engineering in technology- applied undergraduate universities， we have carried out an exploration and research on the reform of teaching mode and method in the course of control engineering fundamental. On the basis of detailed analysis of the teaching status and existing problems， a series of reform measures are proposed， including adjusting the allocation of class hours， changing the classroom management mode， adding digital simulation and introducing comprehensive example projects. These measures have improved the education method and teaching mode of technology-applied undergraduate universities in electromechanical specialty， and can cultivate modern applied talents with solid professional technical foundation， the ability of comprehensive system design and teamwork.

【Key words】Applied Technology；Electrical and Mechanical Engineering；Micro Teachermate；Matlab Simulation； Practical projects

0 引言

應用技術型本科教育是新時代高等教育結構調整階段中的一種新型的教育類型，以本科教育為主，面向區域經濟社會，以學科為依托，以應用技術型專業教育為基礎，以社會人才需求為導向，培養高層次應用技術型人才[1-2]。相比于傳統的本科教育，應用技術型本科教育更加注重學生實踐能力及知識應用方面的培養。因此，應用技術型本科教育也應該在傳統本科教育的教學模式與教學方法的基礎上針對其自身特有的教育培養目標進行不斷的進行改革創新，從而不斷完善應用技術型本科教育的教育方法和教學模式。

控制工程基礎是機械設計制造及其自動化（機電一體化）專業的一門專業基礎課。另外，在機械類各專業的教學計劃中，也是一門理論性較強的技術基礎課。它是進行控制系統動態特性分析的基礎，在整個專業知識結構框架中起著承前啟后的作用，它緊密聯系和應用先行課程的知識，并為后續課程的學習打下理論基礎[3-4]。控制工程基礎課程所研究的問題帶有普遍性，對工程實踐具有重要的指導意義，有利于幫助學生樹立“系統”的概念，為學習后續課程、從事工程技術工作、進行科學研究、開拓新的領域，打下堅實的基礎。

控制工程基礎課程的主要具有理論抽象、知識面廣以及工程實踐性強等特點[5]，同時在應用技術型本科高校中，應用傳統本科高校的教學方法和教學模式無法滿足應用型人才的培養需求。因此，針對該問題本文首先對當前控制工程基礎課程在應用技術型本科高校“宿遷學院”中的教學現狀以及教學問題進行分析；其次，針對這些問題提出教學改革思路及具體實施措施，為提高教學質量、提升學生實踐創新能力、科研能力以及就業競爭力提供一定的參考。

1 課程教學現狀及存在問題

控制工程基礎是以物理學為理論基礎、以高等數學為分析手段、以自動控制應用為實踐目標的一門具有實踐性、綜合性以及學科交叉性的專業基礎課。該課程的主要教學任務是通過各個教學環節，運用各種教學手段和方法，使學生掌握系統動態特性數學模型的建立和研究方法，并學會應用這些研究方法對已知系統的穩定性、快速性和準確性問題進行分析，以及進行控制系統的設計。當前，該課程仍在應用傳統的教學模式和方法，因此在教學過程中仍存在一些問題。

1.1 學生基礎薄弱

控制工程基礎課程是在本科三年級時開始的一門專業基礎課，它的要求學生對前兩年所學的包括高等數學、復變函數、大學物理以及電子技術在內的幾門課程具有扎實學習基礎，從而能夠綜合運用所學的知識來分析和解決實際工業控制問題。但由于上述這些課程本身具有較大的學習難度，另外控制工程基礎課程與這些課程學習的時間間隔較長，因此又更加提高的本門課程的學習難度。

1.2 學生學習興趣不高

針對應用型本科教育要求，本課程當前學時為48學時，其中包括40學時的理論課以及8學時的實驗課。由于本門課程的特點是理論性強，其理論學時中主要以物理建模、數學分析、公式推導以及定理證明等內容為主，因此利用單純的講解方式勢必會令學生感覺枯燥乏味，難以對該門課程提起學習興趣，從而降低學習效果。

1.3 課程教學和考核模式單一

當前該課程的教學模式主要包括課堂教學以及實驗，而考核成績主要由閉卷筆試成績以及學生平時表現成績構成。在這樣的教考模式中，學生的實踐環節只有通過短短的8學時實驗進行，很難提高學生對自動控制系統的實踐創新能力以及對系統的整體分析能力。另外，實驗內容只針對理論學習中單一的知識點進行實驗驗證，缺少綜合性、設計性、創新性和研究性題目進行實踐學習。因此，該教考模式下培養出的學生無法滿足應用技術型本科教育的培養需求。

2 課程教學改革思路及具體實施措施

針對我校當前機械設計制造及其自動化專業控制工程基礎課程的教學現狀以及存在的問題，并結合應用型本科高校的教學實踐要求，我們主要以下四個方面進行教學改革。

2.1 調整學時分配

當前控制工程基礎的課堂教學內容主要有五部分共有40學時，對于這些內容的課時分配為：控制系統的基本概念2學時，數學模型10學時，時域分析法10學時，頻率響應法14學時，控制系統的設計及校正4學時。為了讓學生能夠更加容易地理解本課程的知識內容，我們增加了2學時的知識回顧課程，重點針對本門課涉及到的基礎知識進行二次講授，包括微積分原理、拉普拉斯變換、力學基本原理以及電子電路知識等。另外，為了讓學生加深對課程整體的認識同時提高學生的實踐能力，我們將理論課時壓縮至32個，將剩下的理論課時與實驗課時一起用于完成一項應用實例項目的設計分析。

2.2 改變課堂管理模式

傳統的課堂管理需要教師對學生進行考勤提問，該工作會令本來已經壓縮的課堂教學時間更加緊張。因此，為了提高課堂管理效率，我們引入一款課堂互動輕應用工具“微助教”進行輔助管理。在上課之前，教師通過微助教網站創建云端智慧課堂，該課堂支持考勤管理、題庫管理、學習評價、作業批閱、學生分組、成績導出等功能[6]。課中，教師利用手機微信、電腦瀏覽器，通過微助教與學生進行高效率的全員互動；學生只需通過手機關注“微助教”微信公眾號，進行簽到、答題和討論；微助教可即時統計學生的互動參與情況，并將結果呈現在大屏幕上，使學生的參與效果一目了然，便于教師根據實時反饋的學生學習狀態評估教學效果，并根據在線學習數據及時調整教學的進度與節奏。該軟件能夠為教師帶來“控制感”，給學生帶來“參與感”，給教育管理者帶來“安全感”。不僅能夠提高課堂管理效率，同時還能提高學生學習興趣。

2.3 增加數字仿真

在本課程教學內容中，系統的時域、頻率特性以及PID校正設計都需要針對不同輸入信號以及不同系統參數下的輸出特性進行分析。當前對這些內容的教學方式都是通過幻燈片以及板書的形式進行，從學生理解的角度來說該方法不夠直觀。為了讓學生能夠更加直觀的掌握該部分的內容，我們在課堂教學中引入MATLAB數字仿真軟件，該軟件是當今廣泛為人們采用的控制系統數字仿真軟件[6-7]。在上課之前，教師利用MATLAB軟件中的Simulink工具箱進行系統建模；在課堂講授過程中，可以通過改變系統模型中輸入信號以及結構參數實時得到系統的時間域響應曲線、頻域奈奎斯特曲線以及波特圖等關鍵圖表，能夠讓學生直接看到影響結果，從而加深學生對該部分知識內容的認識。

2.4 引入綜合性實例項目

實踐教學是直接關系到學生高技能培養目標實現的重要環節，是推進教學改革的重要組成部分。我們利用壓縮理論課時后剩余的16學時進行綜合性實例項目，例如伺服電機的PID控制策略。在項目實施之前，需要對學生培訓相關的技術內容，指導學生主動查閱相關資料，安排機電控制實驗室為學生提供實驗臺、電機等實際的物理系統。在項目實施過程中，指導學生對系統建立數學模型，利用MATLAB軟件進行時域、頻域仿真分析，并設計相應電機控制電路對電機進行PID控制，最后將仿真結果與實際控制結果進行對比驗證。其整個設計過程，能夠令學生加深對課程整體性的把握，同時能夠提高學生的實踐動手能力。

3 結語

根據應用技術型本科院校機電工程專業的培養目標，本文針對控制工程基礎課程進行了教學模式及方法改革的探索研究。我們首先以當前該課程的特點與教學現狀為基礎進行分析研究，總結出當前該課程在教學過程中主要有課程理論性強、學生基礎薄弱、學習興趣低以及缺乏實踐環節等問題。其次，針對這些問題我們提出了一系列改革措施，包括調整學時分配、改變課堂管理模式、增加數字仿真以及引入綜合性實例項目。這些措施改善了現有“控制工程基礎”課程教學占主導的現狀，以“做中學”的形式培養學生創造能力及解決實際問題的能力，進而培養出具有扎實專業技術基礎、綜合工程系統能力和良好團隊協作能力的當代應用型人才。

【參考文獻】

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[3]李輝，姜一波，鄢煜力，葉凡，段鵬飛，夏璇.應用型本科“控制工程基礎”教學改革與實踐[J].常州工學院學報，2018，31（02）：93-96.

[4]張磊，王樹臣，張建化.應用型本科“控制工程基礎”課程的教學改革與實踐研究[J].高教學刊，2016（09）：127-128.

[5]鄒方利，肖莉.應用型工科院校《控制工程基礎》課程教學方法探析[J].教育教學論壇，2014（36）：48-49.

[6]譚志虎，胡迪青，田媛，許煒.微助教對高校大班課堂互動教學的重構[J].現代教育技術，2018，28（01）：107-113.

[7]張建化，王樹臣，陳躍.MATLAB軟件在《控制工程基礎》課程教學中的應用研究[J].軟件導刊，2015，14（12）：202-205.

[8]楊秀萍，郭悅虹，王收軍.Matlab仿真在《控制工程基礎》教學中的應用[J].制造業自動化，2011，33（07）：58-60.