基于工程教育專業認證理念“控制工程”一流本科課程建設研究

鄭雪飛，陳文波，李必文，柏興旺，林旺陽

（南華大學機械工程學院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

“控制工程”是機械設計制造及自動化專業的一門重要的技術基礎課，是機械工程技術人員具備合理知識結構的一門必修課程，本課程授課對象為機械設計制造及其自動化專業三年級本科生，通過課程學習，掌握自動控制系統的基本概念、基礎理論和基本方法，了解各種系統分析方法的局限性。

南華大學機械設計制造及其自動化專業是南華大學的優勢特色專業，2002年成為“湖南省重點專業”，2019年通過了工程教育專業認證。通過深入學習工程教育專業認證“以學生為中心、以成果產出為導向OBE（Outcome-BasedEducation）、持續改進”的基本理念，該課程內容不斷優化，學生實踐能力和科研素養不斷提升，向培養機械類優秀工程師和科學家的總目標邁進。

1 以學生為中心，明確教學目標

通過理論和實踐學習，培養學生系統地分析和設計各種自動控制系統的能力及工程實踐能力。

知識目標：（1）掌握自動控制系統的基本概念、基礎理論和基本方法。（2）能夠利用基礎物理、理論力學、電工電子學等課程的基本原理建立控制數學模型以描述實際的機械系統，并結合相關的知識對數學模型進行求解以分析機械系統的控制性能；

能力目標：能夠識別和判斷出復雜機械系統的基本組成環節和關鍵參數；能夠制定滿足環境保護和社會可持續發展要求的機電自控系統；

素質目標：通過在機械工程控制領域持續自主的學習，以解決學習和工作中不斷遇到的新的控制問題。

德育目標：增強民族自信和自豪感；培養學生在自動化生產方面的科技創新意識。

2 基于工程教育專業認證理念教學改革

教學內容優化。

夯實基礎知識包括：（1）自動控制系統的負反饋工作機制；（2）自動控制系統的數學建模及模型求解；（3）自動控制系統的分析與設計。通過該課程的學習能夠基于控制原理的知識，采用科學方法對系統中的各組成機械零件、結構、裝置等，制定控制系統的實驗方案，進行相關信號的采集和測量。后期教學過程中，引導學生夯實復變函數與微積分的數學基礎。通過課堂練習、課后作業，加強訓練，引導學生提升對基礎理論的理解層次，掌握基本概念知識。構建項目任務驅動機制，引導學生將基礎理論與工程實踐結合起來，提高解決工程實際問題的能力。加強先導課程如理論力學以及電工電子技術的課前復習，引導學生攻克薄弱環節、解決學習困難。

將新技術內容貫穿教學中，拉近學生與學科發展前沿、實際工程應用的距離。增加先進生產與技術、汽車制造、機器人技術，智能家電控制系統等實例，應用于教學中來，以滿足企業對于智能制造、自動化生產方面的人才需求。

加強校企合作，優化課程內容。將汽車制造、機器人技術、智能家電等有關控制理論的最新技術應用于教學中來，多運用相關的實際機電系統進行舉例和分析，授課講解的時候，在原來的基礎上引導學生做好知識的遷移轉化，將理論知識與控制系統的設計相結合，并且將實際案例上傳至學習通，通過網絡課程對案例進行討論與分析，逐步加強學生的實際機電控制系統的數學建模能力。拉近學生與學科發展前沿、實際工程應用的距離。

圖1 案例圖

圖2 案例圖

以工程項目中的復雜機電控制系統為例，開展任務驅動下的教學機制，建立系統的三維仿真模型，運用時域分析、頻域分析等多種分析方法，演示系統工作原理，針對實際工程問題，開發系統設計的相關虛擬實驗，實現理論教育與實踐教育的協同。充分利用學制時限，激發學生興趣，培養學生的實踐能力、實際分析問題能力和創新能力。

3 教學方法的持續改進

通過課程目標達成度分析，發現學生對自動控制系統的基本概念、基礎理論理解偏弱，尤其體現在系統數學建模及模型求解的能力較為欠缺，主要是因為涉及高等數學和理論力學以及電工電子技術等課程內容，這些先導課程中相關定律和公式在沒有復習的情況下，導致系統數學建模能力不足；此外個別同學，大一、大二時基礎科目落后比較多，也導致成績較差，期望值較低。針對以上問題主要進行如下改革：

（1）引入線上線下混合式教學，對重點章節的基本概念，通過討論板塊進行發布，針對基本概念和原理利用線上方式。線上和線下的教學實施情況如圖3。

圖3

圖4 機械17級PBL任務內容圖

圖5 小組討論圖

圖6 MATLAB的機電控制系統仿真圖

（2）借助超星學習通，課前發布教材導學，學習教材相應知識點，觀看教學視頻，完成相應的測試，檢測教學效果，并且針對測試情況，對薄弱知識點進行深度講授。

（3）對落后比較多的學生加強輔導；課后再通過問卷調查等線上方法，不定期對學習狀況進行動態摸底調查，了解學生遇到的學習困難和薄弱環節，記錄學生對相關知識的掌握程度，量化評估學生學習能力的達成度。課堂教學方式持續改進，加大啟發式教學、討論法、案例分析等方法的運用力度，多運用開展任務驅動下的教學機制，逐步提升其運用基礎理論和方法解決實際工程問題的能力。

（4）PBL任務綜合項目：對課程重點內容實施基于PBL任務式教學，提高學生學習積極性，變被動為主

（5）基于MATLAB的機電控制系統仿真，在控制工程教學中進一步推廣，將更多典型工程項目和科研項目中的實際機電控制系統引入仿真教學，針對實際工程問題，開發系統設計的相關虛擬實驗，實現理論教育與實踐教育的協同。

①將實際工程中部分機電系統抽象為系統模型，要求學生利用典型信號作為輸入，通過研究出系統時間響應，進而對機電系統的性能進行評估，培養學生綜合運用知識的能力，將所學知識應用于生產，培養學生利用控制工程的知識解決實際工程問題的能力。

②培養學生通過MATLAB軟件，繪制系統的時間響應曲線，分析響應特點，驗證計算結果，加強學生的動手能力和拓展知識能力。

③要求學生通過對系統時間響應的學習和認識，了解相關問題的解決方法，在學習中逐步培養學生知識的交叉融合，促進學生綜合素質的全面提升。

4 課程成績評定方式的改革

課程考核貫穿于整個教學過程，形式多樣，包括隨堂測驗、線上學習、章節自測、PBL任務綜合項目、閉卷考試等。將過程性評價和總結性評價相結合。成績主要組成：課程音視頻（10%），章節學習次數（5%），討論（5%），作業（25%）期末考試（40%），課程互動（5%），分組任務（PBL）（10%），依照這些指標進行綜合評定。

5 結語

通過工程教育專業認證“以學生為中心、以成果產出為導向OBE（Outcome-Based Education）、持續改進”的基本理念，并且將此理念應用于控制工程課程的一流本科課程建設中，在教學實施過程中不斷聽取專家和學生意見，改進和優化，以達到對理論與實踐、教學與科研、線上與線下的“三個結合”，課程改革成效顯著，學生實踐能力和科研素養不斷提升，向培養機械類優秀工程師和科學家的總目標邁進。