應用型本科控制工程基礎教學改革探討

邱鵬飛

【摘 要】應用型本科機械類專業(yè)培養(yǎng)計劃中，控制工程基礎是一門重要的專業(yè)基礎必修課。本文分析了該課程的特點，目前存在的一些問題，總結(jié)了目前各高校針對控制工程基礎課程教學改革的一些方法，最后提出了基于工程案例倒推法，引導學生通過自主學習解決問題所需要的經(jīng)典控制理論知識。

【關鍵詞】應用型；控制工程基礎；工程案例

中圖分類號： TP13-4；G642 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0094-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.039

0 引言

高等教育在中國已經(jīng)得到了普及，各個學校都有自身的發(fā)展定位，比如學術研究型大學、應用技術型大學。越來越多的高校將自身定位在應用型技術大學，據(jù)統(tǒng)計，目前全國有超過300所應用技術型大學。各地也相繼成立了很多聯(lián)盟，如61所高校成立的應用技術大學（學院）聯(lián)盟，各?。ǖ貐^(qū)）也成立了省應用型高校聯(lián)盟，如四川、安徽、長三角地區(qū)、浙江、湖北等聯(lián)盟，越來越多的本科院校正在積極加入應用型本科行列。

《控制工程基礎》是機械類專業(yè)重要核心課程，而機械類專業(yè)人才培養(yǎng)在智能制造領域顯得尤為重要，自中國提出智能制造2025計劃，智能制造已上升到國家發(fā)展戰(zhàn)略，人才緊缺，各大應用型技術大學也在加快轉(zhuǎn)型升級，凸顯應用特色。如何將該課程講好，提升學生工程能力及素養(yǎng)成為應用型大學機械類專業(yè)的重要組成部分。

1 控制工程基礎課程的特點

目前全國高校機械類專業(yè)都開設了《控制工程基礎》或《自動控制原理》，一般作為專業(yè)必修課開設。課程要求學生掌握控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立，能夠求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，能夠?qū)€性系統(tǒng)進行時域分析、頻域分析及其軌跡描述、能夠判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性及非穩(wěn)定系統(tǒng)校正。目前應用型高校普遍安排48學時或更少的32學時，學生在這么短的時間，要完成這樣具有大量計算、大量分析、邏輯性很強、前后課程關聯(lián)度很大的教學內(nèi)容，實屬不易。

目前國內(nèi)很多高校教師進行了《控制工程基礎》教學改革，比如大連民族大學的邵強[1]提出實踐教學方面加大實驗設計，提高實驗綜合型，采用Matlab軟件進行仿真，加強學生感官認識。

2 教學過程一些問題

（1）過多強調(diào)基礎知識。目前很多高?？刂乒こ袒A都把現(xiàn)代控制理論部分刪除，也把經(jīng)典控制理論中非線性系統(tǒng)內(nèi)容刪除，仍存在課時不足的情況，剩下內(nèi)容中要把系統(tǒng)數(shù)學模型建立，求解系統(tǒng)傳遞函數(shù)，進一步進行時域分析、頻域分析、穩(wěn)定性分析等這些基礎知識講解清楚需要大量學時，然后繼續(xù)把根軌跡和線性系統(tǒng)校正刪除才勉強能夠完成該課程。授課教師（含實驗教師）對知識詳細講解，學生被動的學，被動的完成仿真實驗檢測結(jié)果，一有問題就問老師，對授課教師依賴性很強，教師難以引導學生主動學習，主動思考。

（2）過多強調(diào)解題。國內(nèi)有不少的論文基于教學研究，提出更簡單、更方便或更系統(tǒng)的方法梳理知識，解決題目。出發(fā)點仍然在題目上，如安陽工學院宋強[2]提出應用計算機檢索法和分叉法解決梅遜公式求解復查系統(tǒng)，中國石油大學李春明詳細研究了系統(tǒng)方框圖的相加點與分支點的互換方法用以解決結(jié)構(gòu)圖化簡求系統(tǒng)傳遞函數(shù)。老師備課也非常辛苦，特別是一些年輕老師，課前精心準備的推導過程及講解過程，課堂上講給學生，往往結(jié)果是老師滿頭大汗，學生無動于衷，能跟上老師進度的學生不多。站在學生角度，學生不知道學了這么多知識如何應用，換個參數(shù)往往就不會了。另一方面考核方式仍然以閉卷為主，需要學生去記去背大量公式，否則無法做出考題，很多學生只是機械的記住這些公式例題然后去套用，稍作改動就解不出題，造成卷面不及格率偏高多次重修后仍難以通過。

（3）實驗教學仍然以Matlab仿真為主。目前大部分實驗指導書中仿真實驗多為驗證行，可變化的參數(shù)很少，學生按照例題模板改變部分參數(shù)觀察系統(tǒng)輸出圖形變化，以此來驗證理論學習過程中畫出的各種結(jié)果，如根軌跡，伯德圖，奈奎斯特曲線等，學生一直處于被動學習，沒有工程意識，實驗效果不好。

3 國內(nèi)外關于控制工程基礎教改的措施

（1）重視學生學習效果。南陽理工學院何一文[3]提出重視緒論學習，激發(fā)學習興趣，適當補習部分基礎理論知識，注重理解與應用，適當減少公式推演，精選工程案例，貫穿于課程教學的始終。將工程實際中簡化而來的小型系統(tǒng)案例雷達天線伺服控制系統(tǒng)貫穿于課程教學的始終，這樣便于學生理解各章節(jié)內(nèi)容在該工程實例中的作用，有了具體的工程案例，可以提高學生求知欲望，進而探究解決問題的方法。廣東科技學院趙楊[4]通過貫徹主動學習教學策略，幫助學生更好地理解課程內(nèi)容。上海理工大學景大雷[5]建議教師可以充分鼓勵和指導學生參加相關的機電產(chǎn)品創(chuàng)新大賽等活動，通過參加學科類競賽等相關活動讓學生檢驗自己的學習成果，培養(yǎng)自己利用所學知識解決實際問題的能力；另一方面還可以培養(yǎng)學習的積極性和主動性，增強學生學習的自信心和成就感。

（2）重視工程案例教學。重慶科技學院蘇盈盈[6]圍繞已找到的實際控制問題，反復推敲，建立符合教學時間、教學規(guī)范的案例庫。通過這些案例，學生能夠在實際問題中掌握各個知識點，快速地舉一反三，推廣理論的應用價值。南華大學鄧攀[7]將微課與“交互式教學”“范例教學”“小組合作學習”等多種教學模式相結(jié)合，進行多種教學模式試驗，并對教學效果進行評價，找出最優(yōu)化的教學模式。石河子大學趙咪[8]建議教學過程中積極開展開放性實驗，加強實踐環(huán)節(jié)，提高工程應用能力。

近年來國際工程教育提出統(tǒng)籌構(gòu)思（Conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）的CDIO工程教育模式。它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程。強調(diào)工程基礎的、真實產(chǎn)品、真實系統(tǒng)的構(gòu)思-設計-實現(xiàn)-運行（CDIO）過程。國外經(jīng)典教材《自動控制原理與設計》很好的體現(xiàn)了這一思想，如以汽車巡航控制模型為導入，研究系統(tǒng)微分方程，求解系統(tǒng)傳遞函數(shù)。將理論和工程實際相結(jié)合，容易激起學生的學習興趣，提高課堂教學效率。

（3）重視利用微信、微課、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等現(xiàn)代化教學手段豐富教學。華北電力大學袁桂麗[8]開發(fā)了基于微信平臺的輔助教學，她認為該模式不僅能夠彌補傳統(tǒng)課堂教學"網(wǎng)絡教學的不足，打破課堂教學的時空限制和原有網(wǎng)絡教學的局限性，還在此基礎上豐富了教學手段，增加了學習趣味，這一輔助教學不僅僅變革了教學形式，還改變了教學理念，使灌輸式學習變革為交互式學習，同時，更加注重學生的學習質(zhì)量學習體驗，它進一步推動了教育信息化的發(fā)展，完善了教學內(nèi)容。東北大學王海芳[9]應用慕課嘗試對該課程進行了互聯(lián)網(wǎng)+的教學模式的教學改革探索。中國礦業(yè)大學李中凱[10]將雙語教學和翻轉(zhuǎn)課堂模式引入控制工程基礎的教學過程，探討教學方法并分析實踐結(jié)果。

4 教學改革的一些建議

如果能夠找到一些機械工程實際案例，最好是學生專業(yè)領域常見的案例，針對這個控制系統(tǒng)，先建立系統(tǒng)數(shù)學模型，然后在此基礎上對系統(tǒng)的時域分析、穩(wěn)定性分析、頻域分析、誤差分析展開討論和實例分析與設計，最后對系統(tǒng)整體性能進行校正分析，校正后再驗證，不斷優(yōu)化，最終得到一個穩(wěn)定的、快速的、準確的控制系統(tǒng)。整個過程是逐步推進的，強調(diào)提出問題—分析問題—解決問題的思路，并在這個過程中將理論知識、實際應用緊密聯(lián)系并達到連貫。這個過程最重要的是思想理念的轉(zhuǎn)變，讓學生先做，遇到問題，然后去學習解決該問題的知識點，去尋找解決該問題的方法。簡單來講就是解決問題過程中不斷完善學科知識，真正做到學以致用。

舉個例子，以倒立擺系統(tǒng)作為研究對象，或者Segway代步車這類使用反饋控制系統(tǒng)保持直立的案例。我們都知道倒立擺是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)，把解決這個問題分為兩個步驟，第一步先驗證倒立擺是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)，我們可以先建立倒立擺的運動微分方程，對微分方程求解拉普拉斯變換，求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，也可以通過運動微分方程建立結(jié)構(gòu)圖，然后利用結(jié)構(gòu)圖化簡或梅遜公式求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。經(jīng)典控制理論里面系統(tǒng)穩(wěn)定性有三種方法，可以分組讓每組學生使用一種方法進行穩(wěn)定性分析，學生通過這個過程學會了如何科學驗證倒立擺系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。第二步要進行校正，如何讓系統(tǒng)達到穩(wěn)定，讓學生去尋找能夠讓系統(tǒng)穩(wěn)定的方法，比如PID調(diào)節(jié)能夠達到理想的校正效果。

再例如多搜集一些這樣的案例，進行分類整理，挑選幾個能夠把相關知識點都用到的案例作為必修內(nèi)容，留一些案例作為學生最終大作業(yè)，甚至可以以大作業(yè)的形式作為學生最終的成績。也可以鼓勵學生積極參加如機械創(chuàng)新大賽、機器人比賽等眾多賽事，以比賽的實物作為研究對象，如何讓該系統(tǒng)穩(wěn)定、快速、準確的執(zhí)行任務，最終寫成學習報告進行匯報交流。

5 小結(jié)

本文分析了目前應用型技術大學機械類專業(yè)控制工程基礎教學特點和現(xiàn)狀，通過將多個工程實際應用問題，引導學生去解決這些工程問題。以倒推的方式，解決問題需要用到什么知識點或方法再去學什么知識點或方法。培養(yǎng)學生工程應用意識，用真實的工程問題來檢驗學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

【參考文獻】

[1]邵強，葛平舒，等.《控制工程基礎》課程的教學改革與探索[J].高教學刊2017（03）.

[2]宋強.師會超.“控制工程基礎”課程中梅遜增益公式的應用技巧[J].安陽工學院學報，2016（03）.

[3]何一文.李珍.等.機械工程控制基礎課程建設與教學改革探索[J]南陽師范學院學報，2016（06）.

[4]趙楊.主動學習教學策略在控制工程基礎課程教學中的應用[J].大學教育，2017（07）.

[5]景大雷.機械控制工程基礎課程教學初探[J].科教導刊，2016（05）.

[6]蘇盈盈.案例式教學模式下卓越工程師人才培培養(yǎng)改革探索[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2017（02）.

[7]鄧攀.等.獨立學院自動控制原理課程的微課開發(fā)與應用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2017（05）.

[8]袁桂麗.王寶源等.基于微信平臺的自動控制原理輔助教學改革[J].教育教學論壇，2017（02）.

[9]王海芳，褚天爭.基于慕課的機械控制工程基礎課程改革探索[J].江蘇科技信息，2017（10）.

[10]李中凱，侯昆峰.控制工程基礎的翻轉(zhuǎn)課堂雙語教學改革實踐[J].教育教學論壇，2016（12）.