工程教育背景下控制工程基礎課程建設與改革

吳濤

摘要：隨著目前高等工程教育的深入開展，本文分析了我院控制工程基礎課程存在的問題，提出了適應工程教育的課程改革方案，精簡理論授課內容，加強實踐能力提升，改革考核評價方式。通過該項教改的實施增強了學生專業技能，提高了同學們的綜合設計能力、創造性思維能力，培養了學生對機電控制系統的分析設計能力，加強對專業技能知識的學習與了解。

關鍵詞：工程教育；控制工程基礎；專業學科競賽；考核評價方式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）24-0080-03

2016年，我國成為國際本科工程學位權威互認協議——《華盛頓協議》的正式成員。深刻理解和把握復雜工程問題并培養出具有解決復雜工程問題能力的畢業生，是我國高等教育所有本科工程專業當前和今后必須重視和做好的重要工作[1]。我院也參加了工程教育專業認證，在專業認證過程中，圍繞工程教育專業認證標準體系“以學生為中心、產出導向和持續改進”的理念，我們針對控制工程基礎這門課程做了較大的改革和嘗試。控制工程基礎課程以控制理論為基礎，密切結合工程實際，是機械工程、機械設計制造及其自動化、機械電子工程等機類專業的必修課程。其內容是機械工程等專業的基礎知識，是指導工程技術發展的科學方法論，對其他具體專業課程的學習具有重要的指導作用。

一、課程存在的問題

該課程為必修課，采用閉卷考試方式，重點考查學生對控制理論基礎知識的掌握情況，考試內容涉及控制理論的基本知識、控制系統建模與簡化，時域、頻域、穩定性分析等。目前實驗設備老化，由專人管理，實驗由學生分組進行，不利于學生動手能力的提高?？荚嚦煽冊u定方式：閉卷考試占80%，平時占20%。這樣的考核評價方式過于強調了理論，各方面評價指標不夠明確，占比不盡合理，忽視了實踐應用能力的掌握。

二、確定教學目標

通過深入學習工程教育專業認證標準體系[2，3]，仔細分析對畢業要求的支撐作用，我們擬定的教學目標如下：

教學目標1.通過課堂講授、課堂討論及課外自主學習等方式，使學生掌握控制工程的基本概念、術語，正確認識系統的組成、建模、分析及設計方法。

教學目標2.通過課堂講授、課堂討論及課外自主學習工程數學——拉普拉斯變換的概念，主要運算定理、拉普拉斯反變換，拉普拉斯變換解微分方程；掌握系統的數學模型表示方法控制系統的組成和基本環節及其對控制系統的作用；掌握系統的時域、頻域分析方法并能對穩定性進行分析，培養學生能初步運用控制理論對系統控制問題進行分析的基本能力。

教學目標3.通過課堂講授、課堂討論及課外自主學習了解控制系統的設計和開發周期、基本流程和環節，了解系統校正的概念及基本方法。

教學目標4.通過文獻查閱、技術調研、問題分析以及課堂討論等方法，能提出工程控制領域復雜問題的解決方案[4-6]。

教學目標5.通過本課程的實驗加深學生對該課程的基本理論和基本方法的掌握，要求學生們通過實驗教學驗證基本結論，發現問題，解決問題；掌握如何應用MATLAB等軟件建立系統的數學模型[7]，分析和設計控制系統的基本方法。

三、課程改革措施

1.重組教學內容。根據教學目標要求，根據本專業的特點和要求及學生的層次，對教學內容進行適當重組，舍棄一些繁冗的數學公式的推導，重點講授控制工程的基本原理、方法和運用，并盡可能地將抽象的理論知識和工程實際緊密結合起來，盡量做到“深入淺出、通俗易懂、內容均衡、學以致用”。將MATLAB仿真技術引入課堂，使原本抽象的內容變得直觀，增強學生的感性認識和對所學內容的理解，提高學生學習積極性和自主學習能力。

2.專業學科競賽促進學習。在理論基礎上開展基于MATLAB、LabVIEW等軟件結合硬件的機電控制系統建模與仿真比賽，要求學生熟練掌握MATLAB編程語言以及SIMULINK工具和LabVIEW軟件，了解機電控制系統建模仿真與實際系統實現的步驟，培養學生具有建立機電系統的數學模型、編寫程序，對結果進行分析的能力，培養學生解決實際機電控制系統分析與設計的能力，為學習其他課程打下基礎。

通過機電控制系統建模與仿真競賽的實施，實現以賽促學，學賽相輔。任課教師上課時鼓勵號召學生，同時和輔導員老師溝通聯系，以下發比賽通知、張貼海報等宣傳形式，調動學生的積極性，鼓勵號召學生積極參與這項比賽，調動學生的學習積極性，不要讓他們覺得為了獲得學分，必須參加；而是通過學習和比賽讓學生明白能夠更好地掌握一項專業技能。所謂技多不壓身，讓學生變被動為主動。

四、合理建立評價體系

盡量完善考核指標體系，通過多渠道拓寬考核面；廣開言路，聽取同學、老師、管理部門等各方意見，在項目設置、權重系數上制定出合理的考核方案，明確每一項指標的內涵外延。通過豐富完善各項指標保證考核結果的真實性、準確性，客觀、全面、公正地反映學生的綜合能力、素質和潛力[8]。

1.成績評定方式。以課堂提問、討論等的形式加大考核頻次，調動學生學習積極性，促進學生積極思考，提升課堂教學效果?？己藘热莺w本課程基本的教學內容；競賽內容是基于實踐環節建立的，強調應用能力。采用多樣化的評價方法，具體計算方法如式（1）：

課程成績=課堂提問討論×15%+平時作業×15%+試驗操作與數據分析×10%+MATLAB仿真練習×10%+期末考試×50%。 （1）

考試結束后，計算課程目標達成度，課程目標達成度計算方法如式（2）。具體可能根據實際情況，適當做出調整，給學生做出一個客觀公正合理的評價。

課程目標達成度=■ （2）

2.成績計算具體細則。我們仔細擬定了各部分成績的考核計算細節，如表1所示：

五、成果與反思

1.成果。通過落實工程教育培養目標，著重提升學生機電控制系統分析和設計的能力。通過理論教學使學生具備一定的控制系統建模、分析和綜合校正的理論基礎；通過應用MATLAB等軟件分析和設計控制系統（這兩款軟件還可調用硬件實物以控制實際系統）和實作實驗，增強實踐能力。具體效果如下：（1）根據課程目標、性質、類別等不同，強化整個學習過程、能力培養的考核，適當加大平時成績占比，降低期末成績考核的占比，強調實踐和理論的結合，打破傳統期末考試檢驗學習效果的決定性作用，重在提升學生的實際應用能力。（2）學生3—5人組成一個比賽小組，可自由組合，鼓勵跨班級、跨專業、跨學院組隊，發揮各自特長、取長補短，培養學生團隊協作能力；增強學生就業競爭力。（3）由于MATLAB應用廣泛，學生通過學習、參與競賽，積累一定的經驗，為參加數學建模等其他比賽積累經驗。

我們從機械工程專業13級開始實施上述方法，取得了較好的教學效果，得到了師生的普遍認同。

2.反思。為了更好地引導學生，教師需重視自身學習、業務水平的進一步提高[9]。在考核學生時切忌居高臨下，先入為主，盡量全面客觀地了解學生的學習過程，做出公正合理的評定。

改革教學評估考核方式，期末考試和日常考試相結合，重視過程考核，重視了解學生學習動態的形成過程，考慮個體差異，同時也考查學生最終的學習結果?？荚嚨哪康暮秃诵氖强疾閷W生是否能夠運用所學知識分析和解決工程實際問題，而不是死記硬背公式、概念、圖形符號。

我們根據教學目標，合理設定各項具體評價指標及權重系數，并在開始教學時公布評價的各項具體細則；教學活動后統計分析各項評價數據，得出學生學習的客觀、恰當的評價結果；根據需要及時將評價的結果反饋給學生本人、授課教師、家長及后續課程的教師。學生如對成績質疑，可提出申訴，要求復議，教師做相應答復。

六、結語

中國的工程教育承載著為中國乃至世界工業發展提供人才和智力支撐的新使命和新責任。利用工程教育建設平臺，推進機電專業工程教育的建設與改革，加快面向未來的重點領域緊缺人才實踐能力培養，主動適應和引領新經濟的發展。我們按照構思、設計、實現和運作的“CDIO”工程教育理念開展控制工程基礎的課程建設，精練理論課教學內容，強化了工程實踐能力，提升了學生的綜合能力。切實培養學生機電系統分析與設計的綜合應用能力。本文從課程的設立、教學模式的改革和評價體系等方面進行了一些有益的探討與實踐，這些經驗對該課程教學質量的提高有較好的參考價值。

參考文獻：

[1]林健.如何理解和解決復雜工程問題——基于《華盛頓協議》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016，（5）：17-26.

[2]賈衛平.工程教育認證背景下的應用型機械類人才工程能力培養體系的構建[J].實驗技術與管理，2015，32（1）：38-40.

[3]林健.工程教育認證與工程教育改革和發展[J].高等工程教育研究，2015，（2）：10-19.

[4]楊叔子.機械工程控制基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

[5]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2008.

[6]董景新，趙長德.控制工程基礎[M].第2版.北京：清華大學出版社，2008.

[7]趙廣元.MATLAB與控制系統仿真實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[8]王秀華.高校研究性教學課程評價體系構建研究[J].高等理科教育，2012，（2）：91-95.

[9]姜宇，姜松.基于工程教育認證的教師教學創新能力研究[J].高校教育管理，2015，9（6）：105-109.