車輛工程專業(yè)控制工程基礎(chǔ)教學(xué)改革路徑探討

周長峰+李鳳英+吳娜

摘 要：針對車輛工程本科專業(yè)控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)中存在的問題，從“密切聯(lián)系專業(yè)”、“課下課堂對接”、“理論實驗結(jié)合”、“改變教學(xué)方式和方法”等方面提出了該課程的教學(xué)改革思路。

關(guān)鍵詞：控制工程基礎(chǔ)；教學(xué)改革；車輛工程

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2014）01-0037-02

在控制工程基礎(chǔ)教學(xué)實踐中，國內(nèi)外諸多院校都做了不同形式的改革嘗試，以通過這些方式進(jìn)一步改善教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量?？刂乒こ袒A(chǔ)是機(jī)械制造及自動化、車輛工程、過程裝備與控制工程等機(jī)械類及相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在各專業(yè)的控制工程教學(xué)中，由于學(xué)生都有明確的專業(yè)學(xué)習(xí)對象，因此在課程教學(xué)中應(yīng)更加注重課程與專業(yè)研究對象現(xiàn)有控制系統(tǒng)和控制技術(shù)之間的接合，發(fā)揮該課程在學(xué)生專業(yè)培養(yǎng)中的作用[1-3]。

一、控制工程基礎(chǔ)課程的性質(zhì)與特點

控制工程基礎(chǔ)是一門理論性強(qiáng)、概念多、內(nèi)容廣泛的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程的重點在于培養(yǎng)學(xué)生對系統(tǒng)動力學(xué)領(lǐng)域尤其是車輛工程系統(tǒng)建模、分析與設(shè)計的能力，理解并掌握經(jīng)典控制理論的基本概念和分析方法；難點在于如何將課程所學(xué)結(jié)合車輛工程實際，建立較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，從系統(tǒng)固有特性本身以及輸入、輸出與系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系來獲得理想的控制效果。

該課程也是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它研究的是工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)在一定外界條件作用下，從系統(tǒng)一定的初始狀態(tài)出發(fā)，所經(jīng)歷的由其內(nèi)部的固有特性所決定的整個動態(tài)歷程，并研究這一系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系。這門課程主要研究兩類問題：第一類是系統(tǒng)定、輸入定，通過輸出來研究系統(tǒng)本身的準(zhǔn)確性、快速性、穩(wěn)定性，即系統(tǒng)分析問題；第二類是輸入已知，確定系統(tǒng)，且所確定的系統(tǒng)應(yīng)使輸出盡可能符合給定的最佳要求，即最優(yōu)設(shè)計問題。

控制工程基礎(chǔ)課程中有大量的公式、定理、判據(jù)，涉及時間域、頻率域和復(fù)數(shù)域，課程內(nèi)容較枯燥，是數(shù)理基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程之間的一道橋梁。課程本身涉及的專業(yè)知識較廣，在學(xué)習(xí)本課程的同時要及時復(fù)習(xí)電工電子、汽車振動力學(xué)、液壓系統(tǒng)等相關(guān)課程，這在一定程度上也加大了課程難度。

本課程在教學(xué)中存在內(nèi)容多、學(xué)時緊的矛盾，僅靠課堂教學(xué)和實驗室中做少量的實驗，對所學(xué)內(nèi)容不易消化吸收和鞏固，對一些重點、難點內(nèi)容，若要掌握好就更不容易。因此，對該課進(jìn)行問卷調(diào)查，找出存在的問題并進(jìn)行教學(xué)改革非常有必要。

二、控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的路徑

2012年初對2009級車輛工程本科生進(jìn)行控制工程基礎(chǔ)課程問卷調(diào)查，列出問題11個、回收有效問卷59份，在“學(xué)生聽講、學(xué)生筆記、師生交流、教學(xué)方式、作業(yè)批閱、學(xué)習(xí)難點”等方面進(jìn)行深入調(diào)查，獲得課程教學(xué)方面的第一手反饋資料。從問卷結(jié)果看，在以下幾個方面問題比較突出：課程在專業(yè)學(xué)習(xí)與將來就業(yè)中的作用不清；教學(xué)內(nèi)容枯燥乏味，應(yīng)用實例不典型；作業(yè)太多而講解不足；引導(dǎo)自學(xué)與提煉總結(jié)不夠；頻域一章難點群集。由圖1可以看出各章較難知識點的認(rèn)同投票數(shù)，Nyquist穩(wěn)定性判斷等三個知識點投票率超過了30%，是教師教學(xué)時應(yīng)特別注意準(zhǔn)備的內(nèi)容。

（一）教學(xué)內(nèi)容密切聯(lián)系專業(yè)

在問卷調(diào)查中，相當(dāng)多的學(xué)生非常關(guān)注課程與專業(yè)的關(guān)系，這也表明學(xué)生想通過課程學(xué)習(xí)夯實自己專業(yè)基礎(chǔ)的愿望。最近三十年汽車電子控制技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，在汽車底盤、發(fā)動機(jī)以及車身上有大量控制系統(tǒng)應(yīng)用的實例，如電控汽油噴射、EGR廢氣循環(huán)、自動變速器、電控制動防抱死裝置、巡航控制系統(tǒng)、四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等[4-6]。由于控制工程基礎(chǔ)課在大三時開設(shè)，鑒于學(xué)生已經(jīng)掌握的專業(yè)知識以及控制工程基礎(chǔ)課程學(xué)時，可以從汽車安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適性等幾個方面各選一個合適的控制系統(tǒng)，穿插到該門課程的教學(xué)中。從一個已有的復(fù)雜控制系統(tǒng)到適合課程教學(xué)實例的轉(zhuǎn)變需要教師精心設(shè)計。在教學(xué)過程中，以電控制動防抱死裝置、發(fā)動機(jī)最佳空燃比控制、發(fā)動機(jī)怠速控制和電控懸架系統(tǒng)作為與專業(yè)密切相關(guān)的實例，簡略講解其結(jié)構(gòu)和原理，在建模、誤差分析、穩(wěn)定性判斷、系統(tǒng)性能改進(jìn)等方面將上述實例融入課程教學(xué)中，提高學(xué)生對汽車控制系統(tǒng)應(yīng)用的認(rèn)識，為其進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計和改進(jìn)打下基礎(chǔ)。

（二）教學(xué)過程課下課堂對接

由于控制工程基礎(chǔ)課有較多公式、定理、判據(jù)，僅憑課堂教學(xué)時間只能使較少部分學(xué)生達(dá)到當(dāng)堂掌握，對大部分學(xué)生而言還需要課下花費一定的時間進(jìn)行復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)。在以往的教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生要課下復(fù)習(xí)，在每堂課的開始階段統(tǒng)一對學(xué)生復(fù)習(xí)，這樣造成學(xué)生依賴性很強(qiáng)，不去主動思考課程中的問題。為減少每次課進(jìn)行課堂教學(xué)時需要的導(dǎo)入時間，使學(xué)生課下學(xué)習(xí)與課堂教學(xué)內(nèi)容對接，可從以下幾個方面準(zhǔn)備：首先對課本知識點進(jìn)行綜合、提煉，提出相應(yīng)的問題，如在系統(tǒng)穩(wěn)定性一節(jié)提出能否根據(jù)階躍輸入下二階振蕩系統(tǒng)的響應(yīng)結(jié)果判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加深學(xué)生對系統(tǒng)穩(wěn)定性定義的理解；其次可以將后面的實例作為作業(yè)布置給學(xué)生，使學(xué)生為后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)提前準(zhǔn)備，如可將頻域分析一章中無源電網(wǎng)絡(luò)在正弦信號作用下系統(tǒng)的響應(yīng)輸出作為第二章的作業(yè)，在講解作業(yè)時就提醒學(xué)生注意正弦信號頻率、幅值和相位三要素；最后還應(yīng)注意課后作業(yè)布置的每一道題都要體現(xiàn)至少一個重要知識點，力求做到少而精、精而全，對作業(yè)及時批改并講解，以鞏固教學(xué)效果。

（三）理論教學(xué)與實驗教學(xué)的結(jié)合

在近幾年的課程教學(xué)中，一直強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)與實驗教學(xué)相輔相成。它包括兩個方面的含義，一是讓學(xué)生分組分批進(jìn)行控制工程實驗箱實驗，二是引導(dǎo)學(xué)生利用仿真軟件進(jìn)行仿真實驗。實際實驗的開設(shè)要控制好時機(jī)，即該部分理論內(nèi)容完成后盡快開展課程實驗，利用控制工程實驗箱為學(xué)生開設(shè)“二階閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線”、“直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速”等實驗，通過實驗提高學(xué)生對課本所講理論知識的理解。

在課堂教學(xué)中，引入Multisim和MATLAB來仿真教材中的實際系統(tǒng)并進(jìn)行特性分析。如在控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)時域特性分析、系統(tǒng)頻域特性分析等章節(jié)中采用MATLAB中的SIMULINK模塊，能夠很容易地使學(xué)生熟悉了解系統(tǒng)的構(gòu)造過程和相關(guān)特性的分析方法。通過相關(guān)的教學(xué)演示，使學(xué)生能夠很快地從復(fù)雜的結(jié)構(gòu)框圖中理清頭緒，并了解系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)特性的相互關(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，更改各系數(shù)值能夠直觀清楚地反映調(diào)節(jié)系數(shù)不同對系統(tǒng)特性的控制，并熟悉控制器參數(shù)的優(yōu)化方法[7]。通過課堂建模并進(jìn)行仿真，使學(xué)生清楚地了解參數(shù)修改調(diào)節(jié)的過程，讓學(xué)生體會到計算機(jī)軟件與工程結(jié)合的方法在控制器設(shè)計中的優(yōu)越性，促進(jìn)學(xué)生更自覺地學(xué)習(xí)控制工程和工程設(shè)計軟件。endprint

（四）改變教學(xué)方式和方法

目前通用的教學(xué)方式分為黑板板書和多媒體教學(xué)兩大類，黑板板書具有過程清晰、容易理解但信息量小的特點，多媒體教學(xué)具有信息量大但過程轉(zhuǎn)換過快的問題。在以往的教學(xué)中，理論性強(qiáng)的課程如高等數(shù)學(xué)一般以黑板板書為主更有利于學(xué)生掌握相關(guān)的內(nèi)容?？刂乒こ袒A(chǔ)課也屬于理論性較強(qiáng)的課程，問卷調(diào)查中71%的學(xué)生認(rèn)為板書結(jié)合多媒體是該類課程最為有效的教學(xué)方式，它充分發(fā)揮了多媒體信息量大、板書推導(dǎo)過程清晰的優(yōu)點，讓學(xué)生更易掌握相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。

在控制工程基礎(chǔ)課教學(xué)中積極探索啟發(fā)式、討論式和案例式教學(xué)。如討論式教學(xué)中注意師生間多互動，讓學(xué)生有機(jī)會表達(dá)自己的思路和對問題的看法，案例式教學(xué)中引入實際的車輛控制系統(tǒng)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行小型電子控制系統(tǒng)的設(shè)計制作加深對課程的理解。改革現(xiàn)在的考核方式，加大平時成績在總成績中的比重，帶動學(xué)生平時學(xué)習(xí)的積極性。

為提升教學(xué)效果、保證教學(xué)質(zhì)量，對控制工程基礎(chǔ)課程進(jìn)行了問卷調(diào)查，針對存在的問題進(jìn)行了研究并進(jìn)行教學(xué)改革，提出“密切聯(lián)系專業(yè)”、“課下課堂對接”、“理論實驗結(jié)合”、“改變教學(xué)方式和方法”的教學(xué)改革思路并在2010級兩個專業(yè)的學(xué)生課程中實踐，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對課程的掌握程度。后續(xù)教學(xué)實踐中還可以進(jìn)一步從教學(xué)組織、教學(xué)考核及課程設(shè)計等諸多方面進(jìn)行探索，以培養(yǎng)學(xué)生在車輛工程實踐中的創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭明軍，劉希太，王?；?“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)

改革研究與實踐[J].中國科技信息，2009，（6）.

[2]卜波.基于控制工程基礎(chǔ)課程的探究式教學(xué)模式研究與

實踐[J].科教導(dǎo)刊，2009，（21）.

[3]王蕊.Matlab在“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”教學(xué)中的應(yīng)用

[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，（4）.

[4]馮崇毅.汽車電子控制技術(shù)（上冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)

出版社，2001：1.

[5]付百學(xué).汽車電子控制技術(shù)（下冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)

出版社，2000：1.

[6]舒華.汽車電子控制技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，

2002：2.

[7]劉向明.“控制工程基礎(chǔ)”教學(xué)中的計算機(jī)應(yīng)用方法[J].

武漢工程大學(xué)學(xué)報，2009，（6）.endprint

（四）改變教學(xué)方式和方法

目前通用的教學(xué)方式分為黑板板書和多媒體教學(xué)兩大類，黑板板書具有過程清晰、容易理解但信息量小的特點，多媒體教學(xué)具有信息量大但過程轉(zhuǎn)換過快的問題。在以往的教學(xué)中，理論性強(qiáng)的課程如高等數(shù)學(xué)一般以黑板板書為主更有利于學(xué)生掌握相關(guān)的內(nèi)容。控制工程基礎(chǔ)課也屬于理論性較強(qiáng)的課程，問卷調(diào)查中71%的學(xué)生認(rèn)為板書結(jié)合多媒體是該類課程最為有效的教學(xué)方式，它充分發(fā)揮了多媒體信息量大、板書推導(dǎo)過程清晰的優(yōu)點，讓學(xué)生更易掌握相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。

在控制工程基礎(chǔ)課教學(xué)中積極探索啟發(fā)式、討論式和案例式教學(xué)。如討論式教學(xué)中注意師生間多互動，讓學(xué)生有機(jī)會表達(dá)自己的思路和對問題的看法，案例式教學(xué)中引入實際的車輛控制系統(tǒng)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行小型電子控制系統(tǒng)的設(shè)計制作加深對課程的理解。改革現(xiàn)在的考核方式，加大平時成績在總成績中的比重，帶動學(xué)生平時學(xué)習(xí)的積極性。

為提升教學(xué)效果、保證教學(xué)質(zhì)量，對控制工程基礎(chǔ)課程進(jìn)行了問卷調(diào)查，針對存在的問題進(jìn)行了研究并進(jìn)行教學(xué)改革，提出“密切聯(lián)系專業(yè)”、“課下課堂對接”、“理論實驗結(jié)合”、“改變教學(xué)方式和方法”的教學(xué)改革思路并在2010級兩個專業(yè)的學(xué)生課程中實踐，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對課程的掌握程度。后續(xù)教學(xué)實踐中還可以進(jìn)一步從教學(xué)組織、教學(xué)考核及課程設(shè)計等諸多方面進(jìn)行探索，以培養(yǎng)學(xué)生在車輛工程實踐中的創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭明軍，劉希太，王海花.“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)

改革研究與實踐[J].中國科技信息，2009，（6）.

[2]卜波.基于控制工程基礎(chǔ)課程的探究式教學(xué)模式研究與

實踐[J].科教導(dǎo)刊，2009，（21）.

[3]王蕊.Matlab在“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”教學(xué)中的應(yīng)用

[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，（4）.

[4]馮崇毅.汽車電子控制技術(shù)（上冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)

出版社，2001：1.

[5]付百學(xué).汽車電子控制技術(shù)（下冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)

出版社，2000：1.

[6]舒華.汽車電子控制技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，

2002：2.

[7]劉向明.“控制工程基礎(chǔ)”教學(xué)中的計算機(jī)應(yīng)用方法[J].

武漢工程大學(xué)學(xué)報，2009，（6）.endprint

（四）改變教學(xué)方式和方法

目前通用的教學(xué)方式分為黑板板書和多媒體教學(xué)兩大類，黑板板書具有過程清晰、容易理解但信息量小的特點，多媒體教學(xué)具有信息量大但過程轉(zhuǎn)換過快的問題。在以往的教學(xué)中，理論性強(qiáng)的課程如高等數(shù)學(xué)一般以黑板板書為主更有利于學(xué)生掌握相關(guān)的內(nèi)容。控制工程基礎(chǔ)課也屬于理論性較強(qiáng)的課程，問卷調(diào)查中71%的學(xué)生認(rèn)為板書結(jié)合多媒體是該類課程最為有效的教學(xué)方式，它充分發(fā)揮了多媒體信息量大、板書推導(dǎo)過程清晰的優(yōu)點，讓學(xué)生更易掌握相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。

在控制工程基礎(chǔ)課教學(xué)中積極探索啟發(fā)式、討論式和案例式教學(xué)。如討論式教學(xué)中注意師生間多互動，讓學(xué)生有機(jī)會表達(dá)自己的思路和對問題的看法，案例式教學(xué)中引入實際的車輛控制系統(tǒng)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行小型電子控制系統(tǒng)的設(shè)計制作加深對課程的理解。改革現(xiàn)在的考核方式，加大平時成績在總成績中的比重，帶動學(xué)生平時學(xué)習(xí)的積極性。

為提升教學(xué)效果、保證教學(xué)質(zhì)量，對控制工程基礎(chǔ)課程進(jìn)行了問卷調(diào)查，針對存在的問題進(jìn)行了研究并進(jìn)行教學(xué)改革，提出“密切聯(lián)系專業(yè)”、“課下課堂對接”、“理論實驗結(jié)合”、“改變教學(xué)方式和方法”的教學(xué)改革思路并在2010級兩個專業(yè)的學(xué)生課程中實踐，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對課程的掌握程度。后續(xù)教學(xué)實踐中還可以進(jìn)一步從教學(xué)組織、教學(xué)考核及課程設(shè)計等諸多方面進(jìn)行探索，以培養(yǎng)學(xué)生在車輛工程實踐中的創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭明軍，劉希太，王?；?“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)

改革研究與實踐[J].中國科技信息，2009，（6）.

[2]卜波.基于控制工程基礎(chǔ)課程的探究式教學(xué)模式研究與

實踐[J].科教導(dǎo)刊，2009，（21）.

[3]王蕊.Matlab在“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”教學(xué)中的應(yīng)用

[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，（4）.

[4]馮崇毅.汽車電子控制技術(shù)（上冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)

出版社，2001：1.

[5]付百學(xué).汽車電子控制技術(shù)（下冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)

出版社，2000：1.

[6]舒華.汽車電子控制技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，

2002：2.

[7]劉向明.“控制工程基礎(chǔ)”教學(xué)中的計算機(jī)應(yīng)用方法[J].

武漢工程大學(xué)學(xué)報，2009，（6）.endprint