新形勢下“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革研究

王曉麗 陳季萍 王華兵 崔伯第 彭安華

江蘇海洋大學(xué)機械工程學(xué)院 江蘇連云港 222005

“控制工程基礎(chǔ)”是機械設(shè)計制造及其自動化、機械電子工程、機器人工程、過程裝備與控制工程等專業(yè)非常重要的基礎(chǔ)課程。它以高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、電工學(xué)與電子技術(shù)等為先修課程，在培養(yǎng)方案中承上啟下。通過本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生理解并掌握控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建模方法，重點掌握系統(tǒng)動態(tài)性能的分析方法和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具備分析控制系統(tǒng)并能初步設(shè)計控制系統(tǒng)的基本能力，能夠應(yīng)用所學(xué)理論知識解決機械工程的一些數(shù)學(xué)模型建立的實際問題，為學(xué)習(xí)其他后續(xù)相關(guān)課程專業(yè)理論奠定基礎(chǔ)。在知識傳授與能力培養(yǎng)的同時，增強學(xué)生的愛國主義情懷，積極引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生樹立實事求是的科學(xué)精神，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、精益求精的科學(xué)態(tài)度，提高學(xué)生的哲學(xué)思想，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)科學(xué)思維。在本課程教學(xué)中，按照教育部印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》[1]，從愛國主義、科學(xué)精神、工匠精神、社會責(zé)任、哲學(xué)思想等方面，將“控制工程基礎(chǔ)”專業(yè)知識與思想政治教育相結(jié)合。

一、課程教學(xué)存在的問題

(1)“控制工程基礎(chǔ)”課程理論知識較多，但教學(xué)過程中往往側(cè)重理論知識的講解而忽略工程應(yīng)用，使學(xué)生工程應(yīng)用能力較差，不能滿足學(xué)生的畢業(yè)要求。

(2)由于課程內(nèi)容中的公式推導(dǎo)和數(shù)學(xué)計算較多，對于理論的理解也較為抽象，學(xué)生普遍感覺課程較難，從心理上產(chǎn)生畏懼，不利于提升學(xué)習(xí)興趣。如何充分調(diào)動學(xué)生積極性，化抽象為具體，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和工程實踐能力已成為亟待解決的問題。

(3)目前，“控制工程基礎(chǔ)”課內(nèi)多為驗證性實驗，且設(shè)備陳舊，測試方法單一，與現(xiàn)代軟件的結(jié)合能力較差，不能滿足學(xué)生對控制工程的認(rèn)知。

(4)現(xiàn)代教育理念強調(diào)協(xié)同效應(yīng)，即顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一[2]，這就要求“控制工程基礎(chǔ)”課程與思政元素有機結(jié)合。如何在教學(xué)過程中滲透育人元素，將課程內(nèi)容與思政教育有機融合，也是急需解決的問題。

二、課程建設(shè)的具體措施

(一)線上線下混合式教學(xué)

傳統(tǒng)教學(xué)方法以課堂面授為主，形式單一，已不能滿足學(xué)生的需求。基于社會的發(fā)展和需求，大量在線學(xué)習(xí)平臺涌現(xiàn)。對于“控制工程基礎(chǔ)”課程，筆者選擇使用超星泛雅在線教學(xué)平臺，建設(shè)線上課程資源。通過在線平臺自主學(xué)習(xí)，結(jié)合線下集中講解疑難知識點和案例的混合教學(xué)模式，一方面有利于學(xué)生掌握課程的基本知識和技能，另一方面有助于提高學(xué)生的工程實踐能力。在線平臺有移動端和電腦端兩種應(yīng)用，適合老師和學(xué)生等不同角色的用戶使用，它包含四個方面的功能：課程建設(shè)、課堂教學(xué)任務(wù)、教學(xué)任務(wù)統(tǒng)計和平臺的海量網(wǎng)絡(luò)資料。在體現(xiàn)老師的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計的同時，實時記錄和統(tǒng)計學(xué)生學(xué)習(xí)過程，促進(jìn)老師和學(xué)生的交流和互動，有助于實現(xiàn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)[3]。

“控制工程基礎(chǔ)”分為六個章節(jié)，分別是緒論、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)的時間響應(yīng)分析、系統(tǒng)的頻率特性分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的性能指標(biāo)與校正。“控制工程基礎(chǔ)”教學(xué)班級共兩個，89名學(xué)生，總學(xué)時為40學(xué)時，學(xué)分為2.5分，8周內(nèi)完成。在超星泛雅“控制工程基礎(chǔ)”課程門戶，包含了課程信息、教師團隊、課程章節(jié)和教學(xué)資源等信息。

圖1 課程作業(yè)統(tǒng)計

采用混合教學(xué)模式，教師可充分與學(xué)生互動，如通過手勢或二維碼等形式發(fā)起簽到，統(tǒng)計出勤率。從試題庫中挑選試題在線布置作業(yè)，讓學(xué)生練習(xí)，作業(yè)完成后對照參考答案訂正，以加深知識點的鞏固，如圖1課程作業(yè)統(tǒng)計，設(shè)置生生互評，每人互評兩份試卷，互評雙方均匿名，通過同學(xué)間互評作業(yè)可以取長補短。期中考試或期末考試可以從題庫中自動生成試卷進(jìn)行考試，教師可以設(shè)置它們在總成績中的比重，既方便又智能。整個過程能對學(xué)生的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，通過學(xué)情統(tǒng)計，教師方便掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，促進(jìn)教學(xué)的改進(jìn)和優(yōu)化。

(二)案例貫穿式引導(dǎo)

在對數(shù)控直線運動工作臺位置控制系統(tǒng)案例進(jìn)行分析時，建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是關(guān)鍵，包含伺服電動機、減速器、滾珠、絲杠和工作臺等部件組合起來的機電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[4]。畫出傳遞函數(shù)方框圖，根據(jù)方框圖等效變換原則，求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。在學(xué)完第三章系統(tǒng)的時間響應(yīng)分析后，根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性響應(yīng)快速性和響應(yīng)準(zhǔn)確性等方面的要求設(shè)計控制器，研究放大器的放大系數(shù)對系統(tǒng)的上升時間、峰值時間和調(diào)整時間等性能變化的影響，了解二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)之間存在一定的矛盾性。在講第四章系統(tǒng)頻率特性時，仍然針對數(shù)控直線運動工作臺位置控制系統(tǒng)案例分析系統(tǒng)的頻率特性，利用MATLAB軟件，畫出系統(tǒng)的伯德圖。在MATLAB中，應(yīng)用root函數(shù)，可以直接求系統(tǒng)所有的特征根，從而判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定，如果不穩(wěn)定，求出系統(tǒng)包含不穩(wěn)定特征根的個數(shù)。要判定一個系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，可以利用MATLAB提供的margin函數(shù)求出數(shù)控直線運動工作臺位置控制系統(tǒng)的幅值裕度、相位裕度、幅值穿越頻率和相位頻率，從而判定系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。對于求得的系統(tǒng)雖然穩(wěn)定，但是相位裕度較小的問題，在學(xué)完第六章內(nèi)容之后，對系統(tǒng)采用相位超前校正或PD較正，增強系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。數(shù)控直線運動工作臺位置控制系統(tǒng)案例教學(xué)案例如圖2所示。

圖2 數(shù)控直線運動工作臺位置控制系統(tǒng)案例教學(xué)

利用一個案例，將課本所有知識點串接，使學(xué)生們對控制系統(tǒng)有一個整體的理解和把握，更進(jìn)一步地了解控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。

(三)軟件廣泛應(yīng)用

計算機仿真在控制系統(tǒng)建模分析和校正方面應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，MATLAB/Simulink軟件、NI LabVIEW軟件等應(yīng)用都非常廣泛。由于課程學(xué)時較少，軟件部分只能由學(xué)生課外自學(xué)。為了更好地引導(dǎo)學(xué)生，可以以作業(yè)形式讓學(xué)生完成一些編程案例，讓學(xué)生對軟件盡快熟悉和掌握。如在講完第二章數(shù)學(xué)模型之后，利用超星泛雅在線平臺布置MATLAB模型題作業(yè)，限期完成，以加快學(xué)生對MATLAB編程語言的掌握。另外，在知識點學(xué)習(xí)逐步深入的過程中，在案例的建模、分析和校正過程中，全程使用軟件畫圖和計算，增強學(xué)生利用現(xiàn)代工具分析的能力。

(四)課程思政有機融入

隨著課程思政工作的不斷開展，通過教學(xué)探索和研討，對課程內(nèi)容梳理，深挖典型思政元素案例，并通過良好的教學(xué)設(shè)計，從內(nèi)心調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動性，使學(xué)生在獲得專業(yè)知識的同時，培養(yǎng)出敢于面對困難、有擔(dān)當(dāng)、有毅力的品格。通過融入課程思政元素，對課程進(jìn)行教學(xué)改革，不斷提升課程的廣度、深度和溫度，做到課程優(yōu)化，使課程思政潤物細(xì)無聲，達(dá)到良好的育人效果。下表是“控制工程基礎(chǔ)”思政元素融入點。

“控制工程基礎(chǔ)”思政元素融入點表

三、考評與反饋

圖3為兩個學(xué)期課程考核成績分布比較，從課程考核成績分布情況來看，與去年比較，不及格人數(shù)顯著減少，及格率顯著提升，說明案例教學(xué)、軟件應(yīng)用、混合式教學(xué)等方式加深了學(xué)生對知識點的掌握，學(xué)生在拉氏變換和拉氏反變換知識點正確率有所提升，系統(tǒng)的頻率特性方面也有較大進(jìn)步。但對方框圖簡化掌握得不夠扎實，Bode圖繪制方面還有待提高。今后在教學(xué)過程中要多講例題，加大練習(xí)，使學(xué)生進(jìn)一步了解和掌握。學(xué)生反饋較好，評教結(jié)果也大大好于去年，后續(xù)還需繼續(xù)努力。

圖3 兩個學(xué)期課程考核成績分布比較

結(jié)語

本文深刻剖析了“控制工程基礎(chǔ)”課程存在的問題，針對問題提出了課程建設(shè)的具體措施，包括使用超星泛雅在線平臺進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)，利用典型的數(shù)控直線運動工作臺位置控制系統(tǒng)案例，串聯(lián)課本所有知識點。利用MATLAB工具，逐步深入對案例建模、分析和校正，在掌握知識的基礎(chǔ)上，增強學(xué)生利用現(xiàn)代工具分析的能力。同時，深刻挖掘課程思政元素，注重教學(xué)過程中課程思政元素的有機融入，達(dá)到學(xué)生能夠用所學(xué)理論知識解決機械工程一些基本實際問題的目的。