新工科背景下案例式教學改革探討
——以控制工程基礎課程為例

季 晨 張 兵 程廣貴 張忠強 丁建寧

（江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212000）

0 引言

在我國高質量發展的時代背景下，智能制造、云計算、人工智能以及機器人等新興技術用于傳統工科專業的升級改造，以培養符合新興產業和新經濟需要的以及具備實踐和創新能力的高素質復合型新工科人才[1]。控制工程基礎課程是機械專業課程體系中一門重要的專業基礎課，其目的是培養學生運用理論知識解決實際控制問題的能力。然而當前課程發展面臨兩大難題：一是課程以經典控制理論為主要內容，通過課程的學習可以掌握被控對象的分析方法，但如何解決實際控制問題的課程內容較少，因而如何培養學生的實踐能力是教學改革亟須考慮的問題；二是本科生培養大綱將課程學時進一步壓縮，如何在有限的課程學時內完成理論和實踐知識的講授和結合，也是教學改革又一亟須考慮的問題。案例式教學是對傳統講授教學方法的有效補充，通過生動和實際的案例，促進學生理解枯燥的控制理論知識并培養學生應用控制理論解決實際問題的能力。

1 案例式教學改革舉措

1.1 增加工程案例，貫穿課程始終

控制工程基礎課程以經典控制理論為基礎，圍繞控制系統“穩、準、快”的三大性能要求，由物理系統的建模方法、控制系統時域分析法、頻域響應分析法以及線性系統校正等課程內容組成[2]。課程內容間層層遞進且前后互相聯系，而且課程內容具有較多推導公式，理論性較強。因此對于在課堂內沒有跟上進度，或者數學基礎較差的學生而言，容易產生消極學習的心理，從而產生厭倦學習的情況。

愛因斯坦曾說：“興趣是最好的教師。”提高學生的學習興趣對于課程的教學效果是至關重要的。因此從實踐出發，結合每章節內容，除了教學例題以外，可以適當增加工程案例，貫穿課程始終，系統地教學生應用每章學習的內容，解決實際問題中的系統建模、性能分析以及控制律設計等問題。以機械電子工程專業為例，此專業涵蓋了機械工程、電力電子、單片機原理、計算機原理課程等核心基礎課程[3]，因此學生的基礎知識扎實，知識面廣泛，在大三上學期開設控制工程基礎課程時，已經具備解決綜合性問題的能力和基礎，適合使用案例式教學方法。

以往的課程案例常以電阻—電容—電感電路系統和質量彈簧阻尼機械系統為控制對象，這類系統在實際中過于抽象，不夠直觀，很難提起學生的興趣。然而直流電機在日常生活比較常見，所以能夠較快地引導學生進入課程的教學內容中。在課程的第一章中介紹直流無刷電機的系統組成，指導學生繪制出系統的原理框圖。在第二章中介紹了系統的建模方法以及適量的練習之后，介紹直流無刷電機的模型推導過程，寫出系統的微分方程并繪制出系統的框圖，同時根據實際情況，簡單介紹系統的外部干擾項，為第三章系統穩態誤差分析做鋪墊。在第三章中結合一階和二階系統性能指標、系統代數判據、系統穩態誤差，通過仿真分析、介紹直流無刷電機系統的特性，以及不同控制框架對于電機位置控制性能的影響，并引入時域分析的局限性。在第五章中結合頻率響應曲線，利用奈奎斯特圖和伯德圖，分析電機位置控制系統的頻域性能，同時引導學生對照時域分析方法，綜合分析時域和頻域間的優缺點。最后，將無人機和機械臂作為電機的典型應用場合，綜合給定電機使用的需求參數，引導學生以大作業或者課程項目的形式，完成系統的控制校正環節設計和分析。

通過直流無刷電機位置控制的案例式教學，將課程內容前后穿插，貫穿始終。在完成案例項目的同時，引導學生回顧學過的知識并思考還欠缺哪些知識，做到自主回顧和自主預習，提高學生的學習積極性和對工程實踐的興趣。

1.2 延展課堂內容，完善線上資源

由于課程學時有限，在短短的課堂時間內做到每個知識點的拓展較為困難。因此將課堂內容延展到課外是必然的選擇。以往課堂內容結束后，學生需要完成課后作業，通過習題鞏固課堂知識。案例式教學方法可以調動學生自主學習的積極性，學生需要利用數值分析軟件MATLAB/Simulink、動力學仿真軟件ADAMS以及開放式虛擬仿真環境軟件OpenRAVE等工具，完成課程案例分析以及課程項目。

課堂內引入了直流無刷電機并將其作為教學案例，貫穿了控制工程基礎課程理論知識的學習過程，然而電機僅是被控對象的執行部件，除了課堂學習中的案例以外，增加以工業機器人運動控制仿真項目作為工程實例，以此增進學生對制造裝備控制進行了解，同時鍛煉學生綜合應用各類工具對裝備的分析、建模和控制。課外項目主要包含三個階段，第一階段為感性認識，掌握工業機器人機械系統、硬件系統以及控制系統的構成；第二階段為理性認識，掌握工業機器人運動學和動力學建模方法，學習機器人仿真工具MATLAB和ADAMS，建立聯合仿真模型；第三階段為深入深化，對建立的聯合仿真模型，利用先進的控制方法和分析手段，學習如何系統地設計工業機器人的控制器以及分析方法，并思考機器人針對不同應用環境時控制可能存在的問題以及解決辦法。

由于所需工具、軟件具有專業性，所以除了課程內容的建設以外，還應該完善線上軟件或者工具的使用教程，幫助學生快速入門，如利用雨課堂的課程管理功能、網盤功能、建立課程網站等。利用現代化的手段，建立課程的知識圖譜，降低學生課外學習的門檻。

1.3 激發學生興趣，鍛煉工程經驗

除了加深課程理論知識的理解，還應該強化學生的實踐能力，通過實踐環節激發學生興趣，鍛煉學生工程經驗。因此案例式教學需要有完善的實訓平臺作為強有力支撐，如電機控制平臺、機器人平臺以及無人機平臺等。從課程建設的角度出發，培養學生的工程經驗可以從兩方面著手：一方面通過課程的實驗環節，讓學生在實驗中驗證仿真和分析的正確性，感性和理性地認識控制系統的各個方面，另一方面以賽促教，鼓勵學生參加大學生創業、創新大賽以及機器人綜合類等全國性比賽，在比賽中綜合訓練工程能力，綜合運用所學的電工學、單片機以及控制理論，培養工程思維和實踐能力，激發學生對課程學習的興趣，做到“學有所長，學有所用”。學生畢業走入社會時，能夠利用所學知識服務社會，做一名優秀的機電工程師。

2 結語

面臨“后疫情時代”的到來，我國經濟和科技的發展面臨著前所未有的挑戰，高素質復合型的新工科人才能夠為社會發展提供堅實的支撐，所以新工科背景下的課程建設顯得格外重要。從控制工程基礎課程的實際情況和要解決的課程問題出發，探討了案例式教學的三個舉措，通過增加電機控制案例貫穿課程內容，通過建設線上教學資源延展課堂內容，通過建設實驗環節和鼓勵學生參加全國大賽，激發學生的學習興趣。案例式教學是講授式教學的補充，通過案例講解和實踐，可以鞏固課程理論知識，提高學生的實踐經驗，培養學生解決工程問題的意識和能力。