專業認證背景下的機械控制理論課程建設

張濤 牛金星 李恒燦 申杰

摘要：工程教育專業認證是實現工程教育國際互認的重要基礎，機械控制理論課程對測控技術與儀器專業工程教育能力的提升具有重要作用。文章主要探索在工程教育專業認證的背景下，針對測控專業學生培養目標的要求，對機械控制理論的課程教學進行優化和完善。為了提高學生培養質量，從教學理念體系、教學內容方法和教學實踐三方面進行研究，為高校控制類課程教學提供了思路。

關鍵詞：機械控制理論；工程教育專業認證；測控技術與儀器；課程建設

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）47-0066-02

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保證制度，是針對高等教育機構，由專業性認證機構開設的職業性專業教育實施的專門性認證，為相關人才進入專門職業界從業的預備教育提供質量保證[1]。《華盛頓協議》是普遍認可的本科工程教育專業國際互認協議，是工科畢業生職業能力國際公認的權威要求[2]。我國在2013年6月正式加入了《華盛頓協議》，從而將我國工程教育水準與國際工程教育水準進一步推近，提高了我國高等工程教育的教學質量。因此，工程教育專業認證是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎，對我國的高等院校本科教育具有極大的意義。

“機械控制理論”是機械學院機械設計制造及其自動化、材料成型及控制工程、交通運輸、測控技術與儀器四個專業的一門重要專業基礎課，同時也是機械學院進行專業認證的專業-測控技術與儀器的專業主干課程[3]。課程圍繞自動控制理論與技術的基本概念、基本理論與分析方法展開，闡述了經典控制理論和現代控制理論的基本理論和方法，控制系統中信號的傳遞、反饋控制、動態特性與綜合的分析研究方法等內容進行教學，具有理論性和實踐性相結合的特色。然而，截至到目前，課程都是采用課本教學、少量驗證性實驗和書面考試的形式進行授課，教學形式單一枯燥，不易調動學生的學習積極性，多數學生只是為了考試能夠通過而學習，完全違背了課程開設的初衷。為了適應專業認證的要求，對機械控制理論進行深入的教學研究和課程設計是十分必要的。

一、教學過程中存在的問題

傳統的機械控制理論教學中側重理論知識的介紹，存在很多問題：（1）基本理論的講授在整個課程中占有較大比重，從模型建立到時域頻域分析需要學習很多理論，導致學生對前沿應用知識接觸太少；（2）數學公式推導和證明造成學生在學習過程中產生畏難情緒，不利于激發學生對學習的興趣和積極性；（3）學生對機械控制理論缺少直觀上的了解，即使掌握控制算法的原理，也不易和實際效果相聯系。面對教學中存在的普遍問題，在教學過程中激發學生的學習興趣，提高學生進行控制實驗的主觀能動性，緩解學生在學習理論知識時的抵觸情緒成為教師必須思考的問題和改善的現象。

二、機械控制理論的教學改革設想

1.教學理念和教學體系的改革。我國現有教育體系中工程教育和工程實際脫鉤比較嚴重，教育多以課本為主。而工程教育專業認證以學生和用人單位對學校或專業所提供服務的滿意度來作為認證的重要指標。如果想接軌國際工程教育認證標準，教師在傳授控制理論基礎知識的同時，更要使學生具備運用所學控制知識來改善機械設備的自動化能力。

教師在教學過程中，除了講授課本理論知識，應該注重培養學生學習和探索鉆研的主動性，鼓勵學生運用所學的知識到實踐當中去檢驗，培養學生發現問題和解決問題的能力。教師也要不斷強化自身素質，增強知識儲備、改進教學觀念。

工程教育專業認證要求課程教學內容的整合與優化要符合工程型人才的培養目標，教師在講課過程中適當減少對教材中過于理論性知識點的探究，尤其是減少對于一些純理論性公式的推導，著重培養學生的設計、制造的實踐能力，培養良好的大工程觀。

2.教學內容和教學方法的優化改進。機械控制理論在測控專業教學計劃中占有64個學時，其中包括8個學時的實驗教學。在剩下不多的學時包括了經典控制理論和現代控制理論兩部分，要讓所有理論推導和計算面面俱到，又要介紹工程應用是不現實的，所以需要對課程內容進行刪減，對于內容陳舊、過時或實用價值不大的知識點則少講，增加和重復理論結合實際的內容。例如根軌跡，在實際應用中很少見，而系統分析中時域和頻域占了較多課時，所以在講授時就刪掉根軌跡這一章。再有時域分析只講一階和二階分析，高階系統就不再講了。而在現代控制理論中主要講狀態空間表達式以及能控能觀性。在系統建模這一節，除了介紹幾乎所有教材都有的彈簧阻尼系統和電阻-電容-電感系統之外，適當增加了一些復雜電路，如放大電路和慣性電路的分析。學生可以將枯燥的理論與測控專業常用的電路、單片機結合起來，真正明白了控制理論是如何應用到解決工程問題的，增加了學生的積極性。

機械控制理論課程教學采用“多媒體+板書+課后”的方法。首先由于課程中有大量的數學計算和推導，必須采用板書講解，一些重要公式的推導需要學生理解，學生在老師書寫板書的時候也能跟上講課的思路；其次采用多媒體技術放映PPT和視頻，在緒論里通過觀看實際案例，了解控制系統的發展，使學生對課程產生興趣，最后是課下輔導，即利用課余時間對學生進行課后習題的輔導和課上內容的查漏補缺，提高學生的整體成績。例如在講解利用梅遜公式求解傳遞函數的時候，對于公式：G（s）=，要重點說明每個參數的含義，尤其是互不接觸回路。為了讓學生能夠加深感性認識，使用多媒體標記出不同前向通道和不同反饋回路，用不同顏色顯示可以讓學生理解接觸的概念。其次使用板書寫出系統特征式和前向通道的余因子，這樣就完成了課堂講授。對于學生課下練習，可以布置一些復雜電路控制系統求解傳遞函數，讓學生把學過的電路知識結合進來，提高學生的綜合分析能力。

3.教學實踐的探索和研究。工程教育專業認證重在培養學生的動手能力，所以在注重理論知識教學，拓展學生的專業知識的同時，還要高度重視實踐性教學環節，加強基礎理論教學與工程應用的相互對接，通過實踐訓練提高學生解決實際工程問題的能力。根據現有條件，機械控制理論教學實踐分為三大類：（1）課堂實驗。包括4個實驗，前3個實驗使用THKKL-1型控制理論電子模擬實驗箱搭接模擬電路，然后利用UTD2000示波器進行典型環節一階二階時域響應和頻域響應曲線的顯示，第4個實驗是固高倒立擺創新實驗，進行實驗平臺軟硬件的連接，通過電腦上的上位機控制軟件實現倒立擺的功能。實驗既有驗證性實驗提高學生對課堂知識的認識，又有創新性實驗鍛煉了學生的動手能力。（2）大學生創新項目比賽。除了在課堂上的學習，經常組織參加大學生創新實驗項目和科研訓練項目，積極參加全國大學生“飛思卡爾杯”智能汽車競賽、全國大學生創新創業比賽等學生競賽項目，并屢獲佳績。這些都為學生深入了解控制理論及應用提供了學習機會。（3）畢業設計。機械控制理論是理論性很強的課程，光靠課堂和實驗是不夠的，14周的畢業設計提供了一個較長的學習時間，測控專業的畢業設計主要分為三大類：嵌入式設計、機器人控制和圖像視覺處理。畢業設計過程中，指導教師制定任務書、總體方案和進度安排，對學生畢業設計中的思路和錯誤加以引導，學生自己負責修改。設計完成后，進行畢業答辯，實行末位淘汰，重點考察學生實際分析問題的能力和處理問題的能力，從而培養學生工程動手能力和創新能力。

在工程教育專業認證的背景下，機械控制理論課程必須堅持理論與實踐充分結合，培養面向現代社會的高新技術產業所需的復合應用型人才。文章從教學理念體系、教學內容方法和教學實踐三方面提出了測控專業機械控制理論課程的教學改革設想。實踐證明，學生的學習積極性被極大地調動起來，綜合創新實踐能力得到了提高。

參考文獻：

[1]中國工程教育認證協會秘書處.中國工程教育認證工作指南[M].北京：中國工程教育認證協會培訓教材，2013.

[2]陸勇.淺談工程教育專業認證與地方本科高校工程教育改革[J].高等工程教育研究，2015，（6）：157-161.

[3]楊振中.控制工程基礎[M].北京：北京大學出版社，2005.