控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

【摘 要】控制工程是河南科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院機(jī)械專業(yè)最為重要的基礎(chǔ)課程之一。為了提高學(xué)生創(chuàng)新和學(xué)以致用的能力，本文指出控制工程課程教學(xué)體系中存在的問題，并對(duì)課程內(nèi)容、教學(xué)手段和考核制度進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的改革，實(shí)踐表明改革效果良好。

【關(guān)鍵詞】控制工程 教學(xué)改革 創(chuàng)新實(shí)踐

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2014）27-0064-02

控制工程是一門比較抽象的技術(shù)基礎(chǔ)課，本課程以數(shù)學(xué)、物理、電學(xué)及有關(guān)學(xué)科為理論基礎(chǔ)，以機(jī)械工程中有關(guān)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為其抽象、概括與研究的對(duì)象，運(yùn)用信息的傳遞、處理與反饋進(jìn)行控制這一正確的思維方法與觀點(diǎn)，在基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程之間架起一道橋梁，將兩者緊密結(jié)合起來。

控制工程課程中包含了大量傳動(dòng)控制和相關(guān)的傳遞函數(shù)推導(dǎo)，要求學(xué)生有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和較強(qiáng)的抽象邏輯思維能力。所以在教學(xué)實(shí)踐中，陳舊的教學(xué)思路難以讓學(xué)生對(duì)控制理論建立清晰的認(rèn)識(shí)，特別是難以具備分析和解決實(shí)際工程問題的能力。如何提高授課質(zhì)量、如何把復(fù)雜的知識(shí)簡單形象化、如何利用理論知識(shí)分析解決案例，這是任課老師們迫切需要解決的問題，所以對(duì)該課程進(jìn)行全面改革就顯得十分必要。

一 教學(xué)過程中存在的問題

第一，知識(shí)脫節(jié)。該課程被安排在大三的第一學(xué)期，沒有開設(shè)相關(guān)的課程如復(fù)變函數(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)等，此時(shí)學(xué)生所接觸的專業(yè)知識(shí)還非常有限。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生普遍感覺不到課程和自己的專業(yè)及就業(yè)之間的相關(guān)性，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不高。學(xué)生對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)掌握得不夠扎實(shí)，對(duì)學(xué)科之間交叉的內(nèi)容理解不夠，難以把各學(xué)科統(tǒng)一在機(jī)電這個(gè)大學(xué)科背景下考慮問題。

第二，控制理論隨著技術(shù)的發(fā)展越來越豐富，但新教學(xué)大綱要求不斷壓縮課時(shí)。這導(dǎo)致課時(shí)少與內(nèi)容多的矛盾不可調(diào)和。

第三，理論與實(shí)踐脫節(jié)。本課程理論性強(qiáng)，但實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與理論的結(jié)合不緊密，學(xué)生對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的重視不夠，動(dòng)手能力不強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生失去了學(xué)習(xí)興趣。

第四，缺乏一套技術(shù)手段來輔助教學(xué)，導(dǎo)致課后不明白的地方，學(xué)生難以及時(shí)求教；理解模糊的地方，沒有方法通過軟件方便地印證；已經(jīng)學(xué)會(huì)的知識(shí)，無法通過形象通俗的方法進(jìn)行強(qiáng)化記憶。

第五，考核方式單一?？荚囈恢币詠矶际亲鳛闄z驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的唯一方式，這種考核方法忽略了學(xué)習(xí)的本質(zhì)，同時(shí)也讓學(xué)生無暇顧及知識(shí)的應(yīng)用。

經(jīng)過河南科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院任課老師多年的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從課程內(nèi)容、教學(xué)手段、考核制度等方面進(jìn)行了一系列的改革，總結(jié)出了一套卓有成效的解決方案。

二 改革方案

控制工程課程改革方案如下圖所示：

1.控制工程基礎(chǔ)課程內(nèi)容的改革

控制工程基礎(chǔ)理論體系繁雜，在教學(xué)大綱要求的時(shí)間內(nèi)難以完成全部內(nèi)容的講解。因此，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)和就業(yè)的需要，在機(jī)電學(xué)院多位教師的協(xié)同努力下，我們編寫了教材《控制工程基礎(chǔ)》，并在2008年4月由科學(xué)出版社出版。教材內(nèi)容的組織和編排合理，能夠循循善誘地引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)，并利用知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新的能力。而且內(nèi)容比原來更加務(wù)實(shí)和精簡，增加了很多應(yīng)用實(shí)例。教材不僅能夠在有限的課時(shí)內(nèi)講授完控制理論的基礎(chǔ)原理和基本方法，而且重點(diǎn)講解了學(xué)生將來在工作實(shí)踐中可能用到的知識(shí)，為今后將控制理論應(yīng)用于工程實(shí)際打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。除我們自編的教材外，還推薦中外經(jīng)典控制方面的教材供學(xué)生選讀，以幫助學(xué)生拓展思維空間以及提高獲取知識(shí)的能力。此外，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真已經(jīng)成為一項(xiàng)廣泛應(yīng)用的技術(shù)。因此本書在每一章的最后都給出了使用Matlab語言進(jìn)行控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真分析的實(shí)驗(yàn)案例，增加了分析控制系統(tǒng)基礎(chǔ)問題的途徑。

新編教材內(nèi)容分為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、系統(tǒng)建模、性能分析和系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)四大塊。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)部分在介紹復(fù)變函數(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)引出拉氏變換及其應(yīng)用，為后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。系統(tǒng)建模部分，從時(shí)域、頻域等不同的角度對(duì)系統(tǒng)各個(gè)基本環(huán)節(jié)進(jìn)行建模，通過建立微分方程、傳遞函數(shù)和方塊圖來建立各模型的聯(lián)系，有助于學(xué)生加深對(duì)實(shí)際模型和抽象模型的理解。系統(tǒng)分析內(nèi)容中，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性是最基本的分析對(duì)象，分析方法的主要內(nèi)容包括系統(tǒng)時(shí)域分析法和頻域分析法，這也是控制理論教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。系統(tǒng)校正部分內(nèi)容重點(diǎn)討論了串聯(lián)校正中的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)和非常實(shí)用的PID校正，這對(duì)提升學(xué)生解決工程問題的能力十分重要，同樣也是教學(xué)的目標(biāo)之一。在講授過程中，將這幾部分作為課程主線串聯(lián)起來，各知識(shí)點(diǎn)會(huì)變得清晰有條理，邏輯性強(qiáng)。

2.控制工程基礎(chǔ)教學(xué)方法的改革

第一，采用現(xiàn)代化教學(xué)手段。運(yùn)用多媒體教學(xué)，設(shè)計(jì)電子教案、PowerPoint課件和Matlab課程案例，采用圖文并茂的投影顯示模式，使得公式推導(dǎo)和系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果等操作變得形象、簡單，使原本枯燥、抽象的理論闡述變得生動(dòng)和具體。采用Flash設(shè)計(jì)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件，集成網(wǎng)絡(luò)課件、網(wǎng)上自測練習(xí)、網(wǎng)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和其他相關(guān)素材，建立機(jī)械工程控制基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境；課堂上教師利用授課的計(jì)算機(jī)穿插演示仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生課后也能利用個(gè)人計(jì)算機(jī)上網(wǎng)進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的自測練習(xí)和仿真實(shí)驗(yàn)，形成課上、課下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)氛圍；學(xué)生可以通過大量仿真練習(xí)在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，使晦澀的理論變得通俗易懂。教師在“教中做”，學(xué)生在“做中學(xué)”；教師課前將上課要講授的內(nèi)容和課堂視頻影像上傳到課程網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)資源實(shí)時(shí)共享。學(xué)生可以根據(jù)需要提前下載內(nèi)容預(yù)習(xí)，課上也不需要匆忙地做筆記，留下更多的時(shí)間專心聽課。

第二，理論和實(shí)踐相結(jié)合。實(shí)踐教學(xué)對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有十分重要的作用，是本課程重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在完成基本教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，不斷建設(shè)、充實(shí)和完善多層次的實(shí)驗(yàn)體系和課內(nèi)、課外多種形式的實(shí)踐能力培養(yǎng)模式，將課題組成員曾經(jīng)做過的科研項(xiàng)目和工程經(jīng)典案例納入教學(xué)內(nèi)容中，讓從未接觸過工程實(shí)際的學(xué)生能夠建立機(jī)械工程控制的整體概念。根據(jù)本課程的特點(diǎn)，并結(jié)合本課程的實(shí)驗(yàn)條件和學(xué)時(shí)數(shù)情況，將原理型實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)型、綜合型、研究型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，設(shè)計(jì)三個(gè)層次的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，即在課堂和課后作業(yè)中完成原理型仿真實(shí)驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)室中完成面向機(jī)電工程中典型物理對(duì)象/系統(tǒng)的特性測試、分析與控制實(shí)驗(yàn)；以課外創(chuàng)新實(shí)踐的方式實(shí)現(xiàn)典型機(jī)電系統(tǒng)的構(gòu)建、特性分析、測試與控制設(shè)計(jì)。在課堂與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中對(duì)學(xué)生的獨(dú)立思考能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力進(jìn)行有意識(shí)的培養(yǎng)，而不是一味地向?qū)W生灌輸書本上的理論知識(shí)。

第三，優(yōu)化考核方案。考核是體現(xiàn)教學(xué)價(jià)值的重要手段，科學(xué)靈活的考核方法對(duì)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的效果起到重要的促進(jìn)作用。傳統(tǒng)的考核方法有很大的局限性，必須改變，將考核貫穿于教學(xué)過程中。我們從課堂學(xué)習(xí)態(tài)度、平時(shí)作業(yè)與出勤率（20%）、實(shí)驗(yàn)參與度（10%）和結(jié)課考試（70%）等方面對(duì)學(xué)生的成績進(jìn)行綜合評(píng)定，這樣的成績更能客觀地反映學(xué)生課程的學(xué)習(xí)狀況。所謂課堂表現(xiàn)，是教師每次講新課前，占用5～10分鐘對(duì)上次課程進(jìn)行回顧，并對(duì)新課內(nèi)容進(jìn)行簡單的口頭概括。為提高學(xué)生的聽課效率，將該環(huán)節(jié)交由學(xué)生完成。實(shí)驗(yàn)參與度是指學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中真正參與到設(shè)計(jì)和創(chuàng)新活動(dòng)的程度，是對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維、獨(dú)立分析問題和解決問題能力的一個(gè)判定。結(jié)課考試的命題是以教學(xué)大綱為依據(jù)，不僅考查學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)，更重要的是考查學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。這種考核模式的變革，一方面是為修正過去學(xué)生平時(shí)不努力，考前突擊也能得高分的習(xí)慣做法；另一方面提高學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力，為將來就業(yè)時(shí)與企業(yè)快速對(duì)接打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三 結(jié)束語

作為機(jī)電專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，控制工程基礎(chǔ)在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力中占有重要的地位。通過對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容及方式和考核方式的改革，初步解決了學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多的瓶頸問題，使教學(xué)內(nèi)容更加貼近工程應(yīng)用實(shí)際需要，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合應(yīng)用能力方面都取得了良好的成效。

參考文獻(xiàn)

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〔責(zé)任編輯：龐遠(yuǎn)燕〕