車輛工程專業(yè)《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)改革路徑探討

禹文濤

摘要：車輛工程專業(yè)的《控制工程基礎(chǔ)》授課圍繞的核心內(nèi)容是加強與該專業(yè)的聯(lián)系、加強與學(xué)生的合作、加強與學(xué)生的溝通等方面，提出了控制工程類課程教學(xué)的改革方案。并在本文對教學(xué)內(nèi)容密切聯(lián)系專業(yè)、課下課堂對接、理論教學(xué)與實驗教學(xué)的結(jié)合、改變教學(xué)方式和方法等路徑進行探討。

關(guān)鍵詞：控制工程;教學(xué)改革;車輛工程

0? 引言

國際教育界在車輛工程專業(yè)授課中開展了無數(shù)次的教學(xué)形式改革，試圖進一步擴大該專業(yè)教學(xué)的內(nèi)容范圍，改善該專業(yè)教學(xué)的整體效果。在車輛工程專業(yè)，《控制工程基礎(chǔ)》是學(xué)生必修的基礎(chǔ)課程，其中涉及機械設(shè)計制造和機械自動化運行控制，工程車輛控制系統(tǒng)設(shè)計及制造，生產(chǎn)過程設(shè)備及其控制工程等方面基礎(chǔ)知識。在《控制工程基礎(chǔ)》授課中，要為學(xué)生非常清晰的講解結(jié)合專業(yè)應(yīng)用方面的知識，因此在授課時應(yīng)更加重視將現(xiàn)有控制工程技術(shù)結(jié)合于控制工程系統(tǒng)中，并且深入研究如何實施新的課程方法才能更好的培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力。

1? 課程的性質(zhì)與特點

《控制工程基礎(chǔ)》首先是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程具有涵蓋大量的基礎(chǔ)理論及核心概念，涉及廣泛的專業(yè)知識等特點。該課程的設(shè)置目的在于引導(dǎo)學(xué)生如何分析和建立系統(tǒng)動力學(xué)模型，其中核心目的是引導(dǎo)學(xué)生在車輛工程系統(tǒng)中，領(lǐng)悟控制工程學(xué)的核心理論，掌握詳細且準確分析方法。該課程要解決的核心問題是如何從《控制工程基礎(chǔ)》的課堂內(nèi)容出發(fā)，結(jié)合車輛工程專業(yè)的實際應(yīng)用，建立最原始的設(shè)計模型。通過相關(guān)軟件建立數(shù)學(xué)模型，將車輛控制工程系統(tǒng)的實際功能與之相互匹配，使之實現(xiàn)良好的控制效果。該課程內(nèi)容還要從工程技術(shù)的范疇對軟件系統(tǒng)的整個動態(tài)過程進行研究。整個過程最終由系統(tǒng)實現(xiàn)的高層思維的主要特征決定，從系統(tǒng)的某些初始狀態(tài)開始，延伸到系統(tǒng)控制信號實時的輸入與輸出。該課程首先要解決系統(tǒng)分析問題，即在系統(tǒng)軟件已經(jīng)確定，并且輸入已經(jīng)確定時，用輸出的變動研究分析系統(tǒng)功能的準確性、速度性和穩(wěn)定性問題;其次要解決最佳的設(shè)計問題，即系統(tǒng)軟件已定，且輸入確定后，系統(tǒng)最終輸出基本滿足最佳設(shè)計的要求。控制工程基礎(chǔ)課程中，有許多公式、定義定理、判據(jù)，涉及時域、頻域和復(fù)數(shù)域，因此本課程的內(nèi)容是非常單調(diào)的。《控制工程基礎(chǔ)》實際上涉及的專業(yè)知識內(nèi)容非常豐富，甚至需要認真學(xué)習(xí)和掌握電工學(xué)、電子工程學(xué)，車輛工程動力學(xué)，液壓設(shè)備與系統(tǒng)控制等相關(guān)課程的內(nèi)容后，才能降低理解這門課程內(nèi)容的難度[1]。在學(xué)與教的過程中，學(xué)習(xí)內(nèi)容的數(shù)量與學(xué)習(xí)時間之間存在矛盾和沖突。學(xué)校的課堂教學(xué)內(nèi)容較多，但是在有限的實驗中僅取得很少的實驗結(jié)果，造成學(xué)生不能從實踐中較好的吸收知識點和鞏固重點內(nèi)容，更無法掌握關(guān)鍵點內(nèi)容。綜合所述車輛工程專業(yè)的教育者們應(yīng)針對專業(yè)教學(xué)給出理想的改革方案。

2? 控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的路徑

2019年底，通過問卷形式調(diào)查了控制工程基礎(chǔ)課程中車輛工程專業(yè)的學(xué)生，列舉了11個問題，并把回收的59份有效的問卷在老師和學(xué)生之間進行了充分的交流。問卷從學(xué)習(xí)方法、授課形式、師生溝通交流形式、教學(xué)難點等角度進行調(diào)查研究，從而整理和收集有關(guān)課程內(nèi)容和教學(xué)方式的信息。從收集的信息的內(nèi)容分析并得出的最終結(jié)果來看，控制工程基礎(chǔ)教學(xué)中需要解答幾方面的問題：學(xué)習(xí)的專業(yè)課程與未來研究或就業(yè)的關(guān)系;如何引導(dǎo)學(xué)生積極學(xué)習(xí)專業(yè)教學(xué)的所含內(nèi)容;沒有典型的應(yīng)用實例;作業(yè)任務(wù)過多;課上分析解讀嚴重不足;學(xué)生在線自學(xué)和分析總結(jié)能力不足;頻域章節(jié)的困難繁多[2]。

2.1 專業(yè)課程內(nèi)容與實際應(yīng)用相結(jié)合

在上面收集的信息中，能夠體現(xiàn)出學(xué)生們注重學(xué)習(xí)專業(yè)課程與專業(yè)應(yīng)用的關(guān)系，注重通過學(xué)習(xí)更深入的掌握自己選擇的專業(yè)知識的愿望。在過去的30年中，車輛電子控制技術(shù)有了質(zhì)的提升，在車輛底盤系統(tǒng)、車輛動力驅(qū)動系統(tǒng)，車輛輔助系統(tǒng)等領(lǐng)域有許多具體實例。例如，在控制工程基礎(chǔ)課程中的發(fā)動機電控燃油噴射、車輛廢氣循環(huán)系統(tǒng)、車輛自動變速箱系統(tǒng)、車輛制動防抱死系統(tǒng)、車輛巡航控制系統(tǒng)、四輪驅(qū)動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。學(xué)生在充分掌握控制工程基礎(chǔ)課程的專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，還可以從車輛生命安全保障、節(jié)能高效、生態(tài)環(huán)保等多個層面選擇適合的控制系統(tǒng)內(nèi)容，融入到本課程的專業(yè)教學(xué)中。從現(xiàn)有較為復(fù)雜的控制工程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為合適的教學(xué)應(yīng)用實例，需要教師耐心的嘗試和匹配[3]。在教學(xué)過程中，利用其他與車輛控制工程專業(yè)相關(guān)的實例，例如車輛制動防抱死系統(tǒng)，車輛怠速停車控制系統(tǒng)，以及車輛懸架控制系統(tǒng)，來簡要說明車輛結(jié)構(gòu)和基本原理，并將以上實例與該專業(yè)的課程教學(xué)改革方案結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生把車輛控制的系統(tǒng)應(yīng)用于實際車輛工程的能力，為車輛控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和系統(tǒng)改進奠定成功的基礎(chǔ)。

2.2 課上與課下有效結(jié)合

此外，控制工程基礎(chǔ)課程內(nèi)容中包含了大量的定理和法則，班級里只有少數(shù)學(xué)生能夠在課堂教學(xué)中充分掌握這些內(nèi)容。對于大多數(shù)學(xué)生而言，在過去的教學(xué)過程中，學(xué)生需要在課后花費大量的時間進行復(fù)習(xí)和準備考試。每個班級的學(xué)生都是在課后統(tǒng)一復(fù)習(xí)，長此以往，學(xué)生就不再注重課程上的學(xué)習(xí)，從而導(dǎo)致學(xué)生對課后復(fù)習(xí)產(chǎn)生了很強的依賴性，學(xué)生們沒有積極主動的思考課堂上的學(xué)習(xí)內(nèi)容，喪失了對知識的興趣。為了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高學(xué)生課后復(fù)習(xí)效果，教師可以從以下幾個方面推進：一是對教材中的知識點進行再提取和綜合分析，對于提煉出來的重點知識，加以鞏固。例如基于軟件系統(tǒng)性能穩(wěn)定性的相關(guān)問題，可以通過振動軟件的響應(yīng)結(jié)果，判斷出系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。提升學(xué)生對系統(tǒng)穩(wěn)定性標準的深刻理解。二是在給學(xué)生布置課后作業(yè)內(nèi)容中加入以下復(fù)習(xí)內(nèi)容：例如，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)后面要學(xué)些的內(nèi)容知識，比如在強正弦信號的作用下可以輸出無源電網(wǎng)的主動響應(yīng)，在頻域分析這一章中，課后要預(yù)習(xí)下一章的內(nèi)容，這樣學(xué)生就可以在下一堂課中對自己不理解的知識進行鞏固，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。在分析和解釋操作要求時，應(yīng)讓學(xué)生關(guān)注正弦信號的頻率、幅度和相位三個主要內(nèi)容。三是需要注意課后給學(xué)生安排的作業(yè)，內(nèi)容至少要體現(xiàn)出其中一個關(guān)鍵知識要點，力求做到準確、完整，并對學(xué)生的錯誤進行糾正和詳細講解，幫助學(xué)生不斷鞏固知識要點，做到教學(xué)的有效性。

2.3 將理論與實驗結(jié)合施教

在過去幾年的教學(xué)中，始終要求將課本上的理論知識與實驗教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式，這種方式非常有利于學(xué)生對知識的理解和鞏固。首先，在教學(xué)過程中，將學(xué)生進行分批、分組開展控制工程的實驗;其次，利用模擬軟件，讓學(xué)生進行實驗。開展實驗教學(xué)的要控制好流程，在學(xué)習(xí)完理論基礎(chǔ)知識后，為了驗證理論試驗的結(jié)果，通過控制工程實驗工具，引導(dǎo)學(xué)生進行“二階閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線”、“直流電機閉環(huán)調(diào)速”等實驗，來增強學(xué)生對教科書理論知識點的理解，在教材內(nèi)容上引入MATLAB軟件，通過模擬軟件系統(tǒng)模擬實際情況，并對其進行綜合研究。如在控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)時域分析、系統(tǒng)頻域分析等知識內(nèi)容中使用MATLAB中的SIMULINK模塊，更容易讓學(xué)生知曉軟件系統(tǒng)的搭建過程以及相關(guān)特性的分析手法。通過在課堂上的演示，同學(xué)們可以快速整理出非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模塊圖，知曉系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)特征之間的關(guān)系，如在講授系統(tǒng)校正PID控制器效果時，利用MATLAB中PID設(shè)計框圖，通過更改系統(tǒng)的數(shù)值，可以清晰地反映出每個數(shù)值對應(yīng)的功能變化效果，并能夠熟練的掌握執(zhí)行器參數(shù)優(yōu)化的方法。經(jīng)過在課堂上開展建模和仿真教學(xué)，讓學(xué)生能夠更深刻的知道參數(shù)修改調(diào)節(jié)的每一個過程，使學(xué)生能夠體驗到計算機軟件與實際工程結(jié)合帶來的巨大優(yōu)勢，促進學(xué)生全面控制工程項目，以及對設(shè)計應(yīng)用軟件的學(xué)習(xí)[4]。

2.4 優(yōu)化教學(xué)的方式和方法

當(dāng)下常用的教學(xué)方式主要包括黑板板書和多媒體教學(xué)兩種方式，其中黑板板書教學(xué)的特點為過程清晰、容易理解、信息量小;而多媒體教學(xué)的特點信息量要大很多，但問題是過程轉(zhuǎn)化太快。在以前的課堂教學(xué)中，高水平理論課通常以講臺和黑板寫作為主，這進一步促進了學(xué)生對內(nèi)容的掌握。控制工程專業(yè)基礎(chǔ)課程也是理論課程，在一項調(diào)查中顯示，有71%的學(xué)生更喜歡黑板板書與多媒體結(jié)合教學(xué)的方式，認為這樣的方式最有效，兩者結(jié)合的教學(xué)方式充分體現(xiàn)了多媒體教學(xué)信息量大和黑板板書過程清晰的特點，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更容易掌握和理解所學(xué)到的知識，除上述之外，還應(yīng)積極探索在項目工程公共基礎(chǔ)課程中采用啟發(fā)式教學(xué)、討論式教學(xué)和實踐案例教學(xué)，例如側(cè)重項目的交流與互動，師生在討論問題時，學(xué)生可以直接的表達自己的觀點和見解。鑒于這種方法，例如將實用車輛駕駛控制系統(tǒng)引入到教學(xué)內(nèi)容中，讓學(xué)生產(chǎn)生了濃厚的學(xué)習(xí)興趣，因此學(xué)生在努力學(xué)習(xí)的同時，通過微電子控制系統(tǒng)模擬設(shè)計和生產(chǎn)過程，這樣就能夠讓學(xué)生加深對知識的理解。對以往的評估方法進行改革，提高學(xué)生的平時成績在期末總成績的占分比例，進一步加強學(xué)生在平時學(xué)習(xí)中的重視程度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3? 總結(jié)

綜上所述，為了使課堂教學(xué)的效果達到最佳，保障教學(xué)質(zhì)量，對控制工程基礎(chǔ)課程的調(diào)查結(jié)果進行深入研究，對存在問題進行研討，對課程教學(xué)采取改革措施，通過系統(tǒng)化、專業(yè)化改革，在課堂上將理論基礎(chǔ)與實踐有效的結(jié)合，從而實現(xiàn)教學(xué)方法和方式的轉(zhuǎn)變。通過改變教學(xué)方式，調(diào)動了學(xué)生對學(xué)習(xí)知識的積極性，對知識的渴望，加強了學(xué)生對課堂知識的掌握程度。在未來的教學(xué)過程中，還可以進一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容組織、教學(xué)考核方式、教學(xué)課程內(nèi)容等，培養(yǎng)學(xué)生在車輛工程專業(yè)的具體實踐中創(chuàng)新、突破。

參考文獻：

[1]王英杰，楊樹峰.《汽車電器與電子控制》課程實驗教學(xué)探索[J].汽車實用技術(shù)，2019（24）：214-216.

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