基于CD IO的控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)改革與實踐

鄧維克，劉志輝，2

（1.邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽　422000；2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙　410083）

基于CD IO的控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)改革與實踐

鄧維克1，劉志輝1，2

（1.邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽422000；2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙410083）

文章分析了機(jī)械類本科生“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)存在的問題，基于CDIO模式提出了機(jī)械類專業(yè)“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)的改革思路，具體從培養(yǎng)計劃、教學(xué)大綱、講義、理論教學(xué)、實踐教學(xué)、考評等方面對“控制工程基礎(chǔ)”的教學(xué)改革進(jìn)行了詳細(xì)討論。

控制工程基礎(chǔ)；CDIO；教學(xué)改革

控制工程基礎(chǔ)是機(jī)械類專業(yè)本科生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其以自動控制理論為基礎(chǔ)。通過此課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生理論上運用基本的控制理論和思想方法去解決機(jī)電控制工程中的一些實際問題。然而，由于本課程理論性極強(qiáng)，涉及機(jī)械靜力學(xué)、機(jī)械動力學(xué)、電力電子、高等數(shù)學(xué)以及Matlab計算應(yīng)用軟件，概念抽象，傳統(tǒng)教學(xué)一般都基于教課書的理論教學(xué)，脫離實際應(yīng)用對象，使得學(xué)生學(xué)完課程之后只能求解一些課后習(xí)題，對于控制工程理論對實際的工程應(yīng)用有何作用，如何用，學(xué)生基本上沒有多少概念。因此，傳統(tǒng)的控制工程理論教學(xué)通常達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果。為了改善現(xiàn)有的狀況，文章分析了機(jī)械類本科生“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)存在的問題，基于CDIO模式提出了機(jī)械類專業(yè)“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)的改革思路，具體從培養(yǎng)計劃、教學(xué)大綱、講義、理論教學(xué)、實踐教學(xué)、考評等方面對“控制工程基礎(chǔ)”的教學(xué)改革進(jìn)行了詳細(xì)討論。

1　“控制工程基礎(chǔ)”教學(xué)過程存在的問題

（1）學(xué)生學(xué)習(xí)“控制工程基礎(chǔ)”主觀能動性不強(qiáng)?！翱刂乒こ袒A(chǔ)”是高等院校理工類學(xué)生必修的一門綜合性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，其以自動控制原理為基礎(chǔ)，課程內(nèi)容概念相當(dāng)抽象，涉及內(nèi)容非常多，主要有高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、機(jī)械靜力學(xué)、機(jī)械動力學(xué)、電力電子以及Matlab應(yīng)用軟件等。高等院校理工類學(xué)生諸如機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、機(jī)械電子工程、車輛工程、建筑工程、熱能與動力工程等專業(yè)的學(xué)生一方面對相關(guān)課程的基礎(chǔ)知識掌握不夠，另一方面認(rèn)為該課程知識與自己將來就業(yè)以及繼續(xù)深造關(guān)系不大，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時主觀能動性不強(qiáng)，學(xué)習(xí)動力不足。

（2）教師傳授“控制工程基礎(chǔ)”脫離實際。雖然“控制工程基礎(chǔ)”教學(xué)時也開設(shè)了實驗課程，但基本上都是基于Matlab的時域分析、頻域分析、系統(tǒng)校正等，這些實驗都是脫離工程實際，學(xué)生做了實驗之后也僅是感覺求解了幾道數(shù)學(xué)練習(xí)題。另外，教師在傳授理論課時，基本上也是照本宣科，類同于講解數(shù)學(xué)題，絕大多數(shù)沒有聯(lián)系實際工程控制，另一方面很多剛從學(xué)校畢業(yè)沒有多少工程經(jīng)驗的畢業(yè)生直接轉(zhuǎn)型做老師，未經(jīng)系統(tǒng)培訓(xùn)，這樣本身對控制過程缺乏深入認(rèn)識的老師在傳授學(xué)生時勢必講不透課程的理論知識，學(xué)生肯定也將認(rèn)不清該門課程的意義以及重要性，失去對該課程的學(xué)習(xí)興趣。

（3）課程大綱目標(biāo)設(shè)定不明確，且缺乏檢驗依據(jù)。調(diào)查表明大多學(xué)校制定的“控制工程基礎(chǔ)”課程大綱中的學(xué)習(xí)目標(biāo)只籠統(tǒng)列舉了教學(xué)目的及意義、教學(xué)難點和教學(xué)重點，這種教學(xué)模式一方面使課程教學(xué)僅停留在最基本的知識灌輸階段，另一方面也弱化了教師的職責(zé)，不利于學(xué)生能力的培養(yǎng)。另外學(xué)生對于知識的掌握不應(yīng)該是簡單的要求理解，也不僅是能夠靈活的運用，而應(yīng)該是實踐能力得到提高，但現(xiàn)有的課程教學(xué)大綱也很少有設(shè)置檢驗學(xué)生能力是否得到有效提高的依據(jù)。

2　CDIO模式

CDIO是由MIT、查爾摩斯工業(yè)大學(xué)、林雪平大學(xué)、瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)由2000年至2004年，經(jīng)過四年的摸索以及教學(xué)實踐建立起的一種基于工程教育先進(jìn)的教學(xué)模式。其代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate），是以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品的運行維護(hù)和廢棄的全生命周期為載體建立一體化的相互支撐和有機(jī)聯(lián)系的課程體系，讓學(xué)生以主動實踐的方式學(xué)習(xí)工程。2005年國內(nèi)由汕頭大學(xué)率先實施改革，并從2006級本科生開始全面實施了基于項目設(shè)計為導(dǎo)向的工程教育模式和教學(xué)體系。

針對具體哪門課程，CDIO沒有給出對學(xué)生的具體能力要求，也沒有給出能力目標(biāo)的落實方法。因此，對于基于CDIO的“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)，需要教學(xué)設(shè)計者制定符合CDIO的培養(yǎng)目標(biāo)及其落實方法，形成一種“以項目為核心、教師指引學(xué)生方向、學(xué)生主動參與、注重能力培養(yǎng)”為基本特征的新型教學(xué)方法。

3　教學(xué)改革措施

（1）培養(yǎng)計劃制定。CDIO回答了工程教育必須考慮的兩個中心問題，一個就是當(dāng)工科學(xué)生畢業(yè)時，他們掌握的理論知識和具備的能力素質(zhì)應(yīng)該包括哪些？第二個就是如何讓學(xué)生更好地掌握這些知識和具備這些能力？因此，在制定培養(yǎng)計劃時，要明確運用控制工程基礎(chǔ)這門課程知識做實際的工程控制，學(xué)生應(yīng)該需要掌握哪些知識點，同時要明確學(xué)生學(xué)了該門課程后，可以完成哪些方面的工程控制。在制定培養(yǎng)計劃時，要盡可能將控制工程對分散在其他課程的內(nèi)容進(jìn)行整合，要將精簡“機(jī)械工程測試技術(shù)”、“計算機(jī)控制技術(shù)”、“電機(jī)控制”等相關(guān)課程的內(nèi)容，去掉一些重復(fù)內(nèi)容，增加一些控制新理論、新方法，提高課堂教學(xué)效率，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

（2）教學(xué)大綱和講義制定。傳統(tǒng)教學(xué)大綱和講義都是指定了理論課時多少學(xué)時，實驗課時多少學(xué)時，控制工程基礎(chǔ)重點、難點，比如時域分析、根軌跡分析、基于BODE圖或Nyquist圖的頻域分析、基于PID（含P或I或D）控制的系統(tǒng)校正與系統(tǒng)設(shè)計，指定了各知識點的講授時間。大綱和講義制定基本都是老師獨自講授，學(xué)生被動接受為主。為了破解迷局，在制定教學(xué)大綱和講義時，大量引入啟發(fā)式和互動式教學(xué)時間，壓縮原有的老師獨自講授時間。

（3）理論教學(xué)。CDIO的核心思想是基于項目制的工程教育。在控制工程基礎(chǔ)這門課程理論教學(xué)時完全基于CDIO模式，基于項目，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，老師引導(dǎo)為輔。比如教師在講授時域分析知識點時，先用25～30分鐘時間講解時域分析理論知識，然后引入具體項目，比如要測試一套齒輪系統(tǒng)的動態(tài)振動量，并對齒輪的振動量進(jìn)行時域分析，比如齒輪的振動幅值、均值、均方根值等，讓學(xué)生思考如何搭建這樣一個測試系統(tǒng)，如何測量，如何運用所學(xué)的知識點對所測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行時域分析處理。又比如在介紹控制系統(tǒng)設(shè)計時可以引入恒壓供水水箱的PID控制，恒壓供水水箱是通過變頻器控制水泵速度進(jìn)行供水，要求PID控制水泵速度控制水箱維持在恒定的水位，這一項目可以將控制工程的基礎(chǔ)知識、可編程控制器、電機(jī)控制等知識有效串接起來。通過引入具體項目，學(xué)生一方面可以將機(jī)械工程測試的知識與控制工程基礎(chǔ)知識有效串接，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面可以增加學(xué)生的工程意識，提高他們的應(yīng)用能力，完全符合CDIO改革初衷，提高了學(xué)生的能力素質(zhì)。

（4）實踐教學(xué)。傳統(tǒng)的控制工程基礎(chǔ)開設(shè)的實驗課都是基于Matlab的軟件操作，脫離了實際。按照CDIO理念，實驗項目的設(shè)置要完全基于實際工程項目，要注重鍛煉學(xué)生的思維能力、分析問題能力、獨立解決問題能力以及動手能力。因此我們在設(shè)置實驗課時，取消了傳統(tǒng)的基于Matlab軟件操作的實驗項目，取而代之的是讓學(xué)生自己搭建一些實驗測試系統(tǒng)，綜合運用其他課程知識，并靈活運用控制工程基礎(chǔ)理論完成測試控制實驗。比如時域分析，設(shè)置前面所述的齒輪系統(tǒng)的振動測試項目，頻域分析設(shè)置基于頻譜分析儀以及matlab的簡易式懸臂梁的動力特性測試項目，控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計設(shè)置基于PID控制水泵速度控制水箱水位的實驗項目等。

（5）考評。傳統(tǒng)的控制工程基礎(chǔ)課程考核，一般都是平時成績占30%，閉卷考試卷面分占70%。而平時成績一般又分三塊，實驗占10%，作業(yè)占10%，出勤占10%，通常這三塊又跟卷面成績掛鉤，基本上卷面分高，平時成績也一定高。而試卷只能檢驗基本理論的掌握情況，不能作為評判學(xué)生的靈活運用能力和綜合素質(zhì)的評判依據(jù)。CDIO模式是強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)學(xué)生綜合素質(zhì)和能力的培養(yǎng)，為了合理評判學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，筆者在控制工程基礎(chǔ)的考試方式上進(jìn)行了改革，課程考試設(shè)置為開卷，避免了學(xué)生花大量時間去記一些沒必要記住的公式和定義，且分?jǐn)?shù)只占總成績的40%，平時成績作為重點，注重學(xué)生的平時學(xué)習(xí)過程和表現(xiàn)，其中作業(yè)占30%，發(fā)現(xiàn)作業(yè)抄襲現(xiàn)象的，雙方記零分并進(jìn)行教育批評以杜絕抄襲現(xiàn)象再次發(fā)生，實驗占30%，主要根據(jù)實驗考勤、實驗態(tài)度、創(chuàng)新能力、動手能力以及綜合素質(zhì)給成績。

4　結(jié)語

任何教學(xué)改革目的都是為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。筆者在長期的控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)中，通過不斷自我學(xué)習(xí)，不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗，且不斷引入新的教學(xué)理念和教學(xué)模式，通過對比，發(fā)現(xiàn)基于CDIO模式的控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)，能有效提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，大幅度提高學(xué)生的動手能力，能適應(yīng)工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求。

［1］董海棠，馮中毅.“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探索與實踐［J］.中國電力教育，2009，（136）：81-82.

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［5］顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（下）［J］.高等工程教育研究，2012，（3）：34-45.

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［7］姜大志，孫浩軍.基于CDIO的主動式項目驅(qū)動學(xué)習(xí)方法研究——以Java類課程教學(xué)改革為例［J］.高等工程教育研究，2012，（4）：159-164.

Teaching Reform and Practice for Control Engineering FoundationCourse based on CDIO

DENG Wei-Ke1，LIU Zhi-Hui1，2

（1.Department of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 422000，China；
2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China）

This paper analyzes the problems existing in course teaching of Control Engineering Foundationin mechanical engineering undergraduate students.It puts forward the reform ideas for the Control Engineering Foundation teachingbased on the CDIO model，especiallydiscussesteaching reform from trainingplan，teaching outline，handout，theory teaching，practice teaching，evaluationandsoon indetails.

Control Engineering Foundation；CDIO；teaching reform

A

2095-980X（2016）09-0117-02

2016-07-29

鄧維克（1964-），男，湖南邵陽人，高級工程師，主要從事控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)工作。