《控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革的探索

張?zhí)m娣 張東輝 宋明星 倪笑宇 石樹正

摘要：提出了《控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)中目前存在的主要問題。從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)三方面進(jìn)行教學(xué)改革的探索。以此提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：控制工程基礎(chǔ) 主要問題 教學(xué)改革

1 《控制工程基礎(chǔ)》課程目前存在的主要問題

《控制工程基礎(chǔ)》是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一門主要的基礎(chǔ)學(xué)科。該課程從時(shí)域、頻域兩個(gè)方面系統(tǒng)地對經(jīng)典控制論的主要內(nèi)容進(jìn)行介紹，重點(diǎn)講述了控制理論及控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)地方法論，以此提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。我們在日常教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)存在的以下問題，大大影響了對控制理論知識(shí)的掌握。

①課程所講的控制理論相對比較抽象，教學(xué)推導(dǎo)過程相對復(fù)雜。在工程上如果講述簡化，就會(huì)讓學(xué)生很難理解。

②因?yàn)閷W(xué)生對課程的重要性認(rèn)識(shí)不深，就會(huì)失去學(xué)習(xí)的興趣；但是因?yàn)樗鼘?shí)踐有重要的指導(dǎo)意義，就需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。

③由于學(xué)生對相關(guān)學(xué)科的知識(shí)掌握不夠扎實(shí)，做不到融會(huì)貫通，不能把這些相關(guān)的學(xué)科整合到一起進(jìn)行問題解決。

針對上述這些問題，我們通過對近些年教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)踐教學(xué)等幾方面的教學(xué)改革和探索，達(dá)到良好的效果。

2 《控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革的探索

2.1 教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

考慮到河北建筑工程學(xué)院學(xué)生的主要問題就是基礎(chǔ)知識(shí)不太扎實(shí)，而畢業(yè)生大多數(shù)都將到生產(chǎn)一線進(jìn)行工作，因此在大學(xué)階段的時(shí)候，學(xué)校就應(yīng)該有針對性的對學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)，要以扎實(shí)學(xué)生基礎(chǔ)為前提，強(qiáng)化學(xué)生能力和素質(zhì)為輔導(dǎo)，使學(xué)生畢業(yè)后能夠成為適應(yīng)能力強(qiáng)的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。因此在課程內(nèi)容的取舍上要突出應(yīng)用性和工程性，并且要跳過繁雜的教學(xué)推導(dǎo)，將內(nèi)容給學(xué)生講解明白，做到有所為和有所不為。比如在講授控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件時(shí)，可以略去推導(dǎo)過程，只講解結(jié)論就可。在介紹Naquist穩(wěn)定判據(jù)時(shí)，不必講授判據(jù)的來由，理解穩(wěn)定判據(jù)并能夠正確使用就行。

由于機(jī)械專業(yè)沒有安排《信號(hào)與系統(tǒng)》和《積分變換》課程，那么就需要教授在講課的時(shí)候要能夠補(bǔ)充相應(yīng)的知識(shí)，讓學(xué)生能夠融會(huì)貫通。有些概念是在《信號(hào)與系統(tǒng)》課程里定義的，但是本專業(yè)課程只是簡單闡述或者根本不講，比如：激勵(lì)和響應(yīng)，只要求理解不講準(zhǔn)確定義。《積分變換》中詳細(xì)介紹了拉氏變換的內(nèi)容，因而必須將拉氏變換補(bǔ)充進(jìn)該課程。

在授課過程中，如何做到把課程內(nèi)容講授的詳略得當(dāng)，一直是我們不懈的追求與探索。

2.2 教學(xué)方法的改革

在教課過程中，我們始終圍繞著學(xué)生容易理解和掌握的原則和目的來進(jìn)行組織教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法多樣只是手段。整個(gè)講授中，圍繞“自動(dòng)控制系統(tǒng)”這一中心，抓住一根主線，即系統(tǒng)建?！到y(tǒng)分析→系統(tǒng)校正。

比如系統(tǒng)建模有數(shù)學(xué)描述的微分方程、傳遞函數(shù)和頻率特性函數(shù)等，還有圖示方法的系統(tǒng)框圖和信號(hào)流圖等；在進(jìn)行系統(tǒng)分析的時(shí)候，我們同樣有時(shí)域和頻域的代數(shù)方式、Naquist圖和Bode圖的圖示方法；校正分析同樣有解析方法和圖示方法。整個(gè)教學(xué)過程中逐步深化學(xué)生對課程內(nèi)容的整體把握。

課堂教學(xué)中，教師可以隨時(shí)把自己對相關(guān)知識(shí)的理解和感悟及時(shí)傳達(dá)給學(xué)生，比如控制理論中的“反饋”，可以結(jié)合學(xué)生課堂上的表現(xiàn)或作業(yè)中的問題，介紹學(xué)生傳遞給教師的反饋信號(hào)，以及教師根據(jù)教學(xué)任務(wù)和反饋信號(hào)如何及時(shí)調(diào)整授課內(nèi)容和方法等，最終提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。教師還可以把控制理論發(fā)展歷程中科學(xué)家的故事穿插其中，將大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)控制理論的興趣。

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，教師還要將傳統(tǒng)的板書教學(xué)與多媒體教學(xué)手段有機(jī)結(jié)合起來，并充分發(fā)揮這兩種教學(xué)手段的優(yōu)勢，這樣才能在課堂教學(xué)中與學(xué)生進(jìn)行良好的互動(dòng)。也能夠及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和對知識(shí)的理解和掌握程度，便于能夠積極調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，根據(jù)學(xué)生情況調(diào)整課堂節(jié)奏還要布置一定量的典型課后作業(yè)，并有針對性地對課程教學(xué)的重點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行鞏固，還要能夠及時(shí)改正作業(yè)中的錯(cuò)誤之處。

2.3 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的充分利用

2.3.1 改革傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，增設(shè)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)

目前，《控制工程基礎(chǔ)》課程實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)課主要是依附于理論教學(xué)。我們應(yīng)該圍繞實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)，按照基本知識(shí)實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改革傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，增設(shè)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。而實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇則是整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重點(diǎn)和突破口。

MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱主要處理的就是以傳遞函數(shù)為主要特征的經(jīng)典控制和以狀態(tài)空間為主要特征的現(xiàn)代控制中的問題。該工具箱主要是對控制系統(tǒng)的建模、分析和設(shè)計(jì)提供相對完整的解決方案，我們還可以利用該軟件的現(xiàn)代功能，開設(shè)典型系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)和穩(wěn)定性分析、控制系統(tǒng)的頻率特性分析等項(xiàng)目的仿真實(shí)驗(yàn)，上機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書可以根據(jù)教學(xué)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合教學(xué)大綱的要求和教材的內(nèi)容進(jìn)行編寫。而計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，既能夠節(jié)省投入資金，又可以拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。只有通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，才能夠激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生對本課程的感性認(rèn)識(shí)，才能調(diào)動(dòng)起學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。

2.3.2 利用實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)，學(xué)習(xí)控制理論

開設(shè)本課程期間，學(xué)生有外出實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)。尤其對于機(jī)電產(chǎn)品比如高層住宅中運(yùn)行的電梯、啤酒生產(chǎn)線、混凝土攪拌站等，多觀察，勤思考，學(xué)習(xí)信號(hào)的檢測、傳遞與系統(tǒng)自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)等。用所學(xué)理論能夠解釋或解決實(shí)際問題，將會(huì)給學(xué)生帶來很大的成就感和滿足感，也必將提升學(xué)習(xí)興趣。

2.3.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)是控制理論應(yīng)用的最好時(shí)機(jī)

畢業(yè)設(shè)計(jì)，是學(xué)生將在學(xué)校所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐很好結(jié)合的一個(gè)平臺(tái)，也能夠鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐；近些年，學(xué)生完成的相關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目如：糧食水分測試儀的研發(fā)、塔式起重機(jī)的遙控設(shè)計(jì)、糧食自動(dòng)稱重系統(tǒng)和單片機(jī)控制輸液裝置等，極好地鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，以及對機(jī)電結(jié)合產(chǎn)品中控制工程理論應(yīng)用的思考。

2.3.4 鼓勵(lì)和支持學(xué)生參與各種形式的科技實(shí)踐活動(dòng)

河北省高等院校組織的“大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”，有經(jīng)費(fèi)支持和老師指導(dǎo)，學(xué)生可以積極參與；國家組織的各種機(jī)器人大賽，師生都可以觀摩學(xué)習(xí)；還可以參與老師的科研課題，這些都會(huì)促使學(xué)生的能力得到更好地鍛煉。而且這些活動(dòng)都會(huì)讓學(xué)生能夠更加深刻的領(lǐng)悟到控制工程的理論知識(shí)。

3 結(jié)束語

本課程階段性的學(xué)習(xí)主要就是在數(shù)理基礎(chǔ)課和專業(yè)課程之間架起一座橋梁，使兩者能夠有效相結(jié)合。而教師要想提高教學(xué)質(zhì)量，就要對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及實(shí)踐教學(xué)等環(huán)節(jié)進(jìn)行深入大膽的探索。這就需要教師在課前認(rèn)真準(zhǔn)備自己所要講課的內(nèi)容，參閱多個(gè)版本的教材，并選出學(xué)生能夠接受的講解方法，以此提高講課效果，并充實(shí)自己的理論知識(shí)，為學(xué)生的后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)創(chuàng)造良好的條件；并將理論性實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)型、綜合型、研究性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)思路，加強(qiáng)對學(xué)生獨(dú)立思考能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，并融合到課堂與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中。

當(dāng)然，教師的專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)與先進(jìn)的教學(xué)水平也是決定教學(xué)結(jié)果的關(guān)鍵所在。因此，在教學(xué)和科研過程中，教師積累經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，還要不斷吸取新知識(shí)和技能，可通過參加學(xué)術(shù)研討、觀摩教學(xué)、聽取學(xué)生的反饋意見等活動(dòng)來提高自己的教育教學(xué)水平，以此培養(yǎng)出適合時(shí)代發(fā)展需要的具有創(chuàng)新能力的合格人才。

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