能源與動力工程控制基礎現代化教學一體化探討

田飛 施剛 施衛東 歐鳴雄 徐偉幸

摘要：隨著現在科技的發展，面向能源與動力工程學科的控制基礎理論教學也發生了變化。本文根據筆者所在教研組教學實踐，授課方式由老師講解走向實驗室、學生講課、視頻補充等理論與實踐相結合的教授方式，由單一化教學向翻轉課堂、慕課和虛擬實驗等多形式化發展，使學生的能力得到很大的提升，提高綜合素質，取得了很好的效果。

關鍵詞：能源與動力工程控制基礎；教學一體化；案例教學；慕課；翻轉課堂

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）43-0088-02

一、課程結構的優化

傳統教學圍繞課本展開教學，具有理論重、實踐輕的特點，學生學習靠想象，對于實際的控制系統設計優化卻無能為力。《能源與動力工程控制基礎》課程，我們編寫了新教材，對課程結構進行了改革，制定了新大綱，確保理論不少，推導過程不減，除了自動控制原有的經典算例外，還補充了與能源與動力工程專業相關的工程實例，引入Matlab軟件的學習與實例。為讓學生更加直觀的認識控制系統，該課程還增加了實踐課，實踐的具體系統也是與本學科相關的具體實例。總之，優化后的課程突出了本課程特點，更有利于能源與動力工程學科的學生學習。

二、理論與實踐相結合的教學手段

本著理論和實踐相結合的宗旨，形成了板書+PPT+動畫展示+上機（Matlab）+實驗的學習一體化模式經過多年的教學實踐，我學院本。在教學過程中，充分發揮學生的自主性，使學生循序漸進的理解、掌握控制原理基本理論和方法，進而進一步運用理論解決專業問題。

1.教師講解。《能源與動力工程控制基礎》這個課程涉及到大量的理論基礎，有很多的概念容易混淆，課堂上的講解是重要的，且必不可少的。對于概念、理論的講解，教師主要是板書+PPT的形式，結合算例對比、提問進行講授。以本課程第二章里提到的“同一系統，不同的輸入量，相同的輸出量，其系統的微分方程將不同”為例，這個問題很好理解，但是在實際應用中卻常常出錯，一旦出錯，后面所有的系統特性、優化都將是無用功，一切都要重新再來。為了加深學生對于不同輸入量和輸出量的理解，在教學中以舉例形式給學生講解，以增加學生的理解和提高他們的重視，避免今后在系統的設計和優化中犯錯。在講授過程中，應用了大量的對比例題的講解和比較，幫助學生更深的體會本課程的理論和概念。

2.翻轉課堂——學生課堂學生做主。由于受課時的限制，在課堂上，對于Matlab軟件，只能是程序和語法的介紹，以及簡單算例的引入，如下圖1（見下頁）所示，其繪圖速度、精度是傳統手工繪圖無法比擬的，讓學生能夠體會軟件的便捷，從而激起他們學習的欲望。

在每一章節的學習中，均會布置不同系統的算例，學生分組，課后自學Matlab，上交程序和所需的數據圖形。抽選最優秀的算例和最差的算例，課堂上給出20—30分鐘，由學生講授算例中所涉及的控制基礎知識、理論，編程涉及到的基本語句，以及重點難點。其他學生和授課教師一起提問、討論，提出改進方案。這樣的形式會在整學期的課堂上進行5—6次，即擴充了本課程教學內容，又活躍課堂氣氛，提高學生自學能力、語言表達能力、應用能力和團隊合作能力。

3.案例教學實驗。本課程實驗依托江蘇大學能源與動力工程實驗中心，在學院現有教學、科研的實驗基礎上，將現有的實驗系統，加上與本課程相關的控制系統。比如水泵測試系統是本中心現有的系統，在水泵測試系統中附加入電機轉速控制系統，在單獨的操作界面中供學生操作實驗，學生可以通過輸入不同的電機轉速，得出水泵內某截面流體的不同流速分布圖。這些控制系統是我們教研組老師開發的，授課教師會將控制系統的電路圖、應用的原理講授給學生，學生只能操作，感受一下控制的輸入量和輸出量，看到控制結果。

2017年，教研組申請開發了能源與動力工程控制基礎虛擬實驗平臺，在平臺內，學生可以自己設計控制系統，組裝模塊，最終可以模擬控制過程、結果，對于系統的修改也很方便。學生更加直觀的了解控制系統設計、優化的全過程。這種虛擬實驗平臺，比起我們實際搭建實驗平臺要省時省力省資金，在效果上，完全可以替代實際的實驗。

4.慕課——課堂知識的鞏固和延伸。針對能源與動力工程控制基礎這門課的重點難點，課后習題講解，還有限于課時，沒有展開講解的內容，我們教研組制作了若干10分鐘的小視頻、共享PPT等。一個個視頻、PPT將知識點分解，講解言簡意賅，學生可以根據自己掌握情況，在課后，有選擇性的反復觀看視頻和PPT，加深對重難點知識的理解。

三、以能力測試為重點的考核方式

對于能源與動力工程專業的學生來說，控制基礎是實踐性很強的課。教師將考核分別三部分，一部分是學生平時利用Matlab給出算例情況；一部分是虛擬實驗平臺上，按照老師給的參數、要實現的控制功能，根據學生設計、開發的控制系統情況、實驗報告等；還有一部分是筆試，主要考核課程所學的基礎理論、概念、方法掌握和熟練情況。三部分成績，按照2：2：6的比例，合成最終的成績。這樣，即重視了實驗，學生的實踐能力，又考核了知識與技能。

四、教學效果

為了了解這個一體化教學的效果，特對2015級江蘇大學能動學院學生和2015級京江學院的流體機械學生約400人進行無名問卷調查。90%的同學認為慕課教學對課程學習有很大幫助，表示遇到難點、不會的知識點會去查相關視頻和PPT進行學習，87%的學生對虛擬實驗平臺感興趣，喜歡在平臺上設計控制系統，88%的學生覺得翻轉課堂很有參與感，讓他們自己學習自己講解，對知識點的理解更加深入，84%的學生覺得老師的課堂講解非常生動，利用算例對比講解，他們更加能夠接受，91%的學生熟練掌握Matlab軟件，98%的學生認同這門課程的重要性，認為這是一門很有用的課程。另外，對該級學生成績進行統計，97%的學生成績合格。由此可見，我們總結的這套教學體系，學生是接受的，學生對知識點的掌握是到位的。

總之，這套教學體系提高了學生學習的積極性、主動性、創造性，促進了理論和實踐的結合，使得學生更加明確了學習方向。通過教學改革，學生的理論水平和動手能力都得到了很大的提升，提高教學質量，達到教學效果，培養了學生自學能力和解決問題的能力。

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Abstract：With the development of science and technology，the teaching of basic theory of control for energy and power engineering has changed.According to the author's research group teaching practice，teaching methods by the teacher explained the theory and practice to the laboratory，student lectures，video supplement combining Professor，from single teaching to flip the classroom，Mu class and virtual experiment and other forms of development，the ability of students have been greatly improved，improve the comprehensive quality.Good results have been achieved.

Key words：Control foundation of energy and power engineering；Integration of teaching；Case teaching；MOOCs；flipped classroom