工程認證背景下“自動控制原理”教學(xué)改革與探究

邢廣成　師衛(wèi)國　董燕飛

摘 要 工程教育專業(yè)認證要求培養(yǎng)的人才具有更高的適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展的能力，畢業(yè)生能夠滿足企業(yè)的基本需求，因此要求培養(yǎng)的學(xué)生具有較高的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。結(jié)合工程認證要求，針對“自動控制原理”課程現(xiàn)狀，在課程內(nèi)容體系、實驗及實踐教學(xué)、創(chuàng)新實踐教育、教學(xué)方式等多個方面進行改革和探究，取得了較好的效果，為工程認證的后續(xù)開展打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 工程認證 自動控制原理 課程內(nèi)容體系 實踐教學(xué) 創(chuàng)新實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A

高校按照現(xiàn)在的教學(xué)體系培養(yǎng)學(xué)生，培養(yǎng)過程偏重理論知識，工程實踐能力不足。工業(yè)4.0和“中國制造2025”國家戰(zhàn)略規(guī)劃發(fā)布以后，中國制造業(yè)領(lǐng)域面臨巨大的發(fā)展機遇，因此工程人才數(shù)量供不應(yīng)求。現(xiàn)如今普通工科培養(yǎng)的學(xué)生工程技術(shù)方面質(zhì)量不高，動手實踐能力差，缺乏行業(yè)背景和職業(yè)精神，工科學(xué)生畢業(yè)后不愿意去中小型企業(yè)工作，而企業(yè)也不太歡迎通才模式培養(yǎng)出來的工科學(xué)生。因此，國家提出“引導(dǎo)一批普通本科院校向技術(shù)型院校轉(zhuǎn)型，向職業(yè)教育類轉(zhuǎn)型”意見，是為了適應(yīng)工程教育需要而做出的教育體系調(diào)整。加強工程教育，加強實踐教學(xué)，加強職業(yè)教育，適應(yīng)社會對工程技術(shù)人才的需求。河南城建學(xué)院電氣與控制工程學(xué)院目前正在開展電氣工程及其自動專業(yè)的專業(yè)認證工作，“自動控制原理”作為該專業(yè)一門重要基礎(chǔ)課程，對其課程的教學(xué)改革也勢在必行。

1工程教育專業(yè)認證現(xiàn)狀

2013年6月，國際工程聯(lián)盟大會正式接納我國加入《華盛頓協(xié)議》，成為該協(xié)議的預(yù)備會員，2016年6月，我國成為正式會員。根據(jù)中國工程教育認證協(xié)會公布結(jié)論，2014年有137個專業(yè)通過認證，2013年有95個專業(yè)通過認證，涉及高校100多所，近兩年申請認證的專業(yè)數(shù)量大幅增加，證明工程教育認證被越來越多的高校認可，并且積極參與進來。通過工程教育認證，可以完善工程人才培養(yǎng)體系，提高工程教育質(zhì)量；強化工業(yè)界參與工程教育，增強畢業(yè)生對企業(yè)的適應(yīng)能力；促進工程教育的國際化，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的國際認可度。工程教育認證是工程界和教育界共同實施對工程專業(yè)培養(yǎng)人才質(zhì)量的外部評價，從學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、持續(xù)改進、課程體系、師資隊伍、支持條件等多個方面通用標(biāo)準和專業(yè)特殊要求進行考核評價。

2 “自動控制原理”課程教學(xué)存在問題

2.1課程知識內(nèi)容陳舊

目前本科高校“自動控制原理”比較通用的幾個版本課程內(nèi)容體系基本一致，內(nèi)容相對陳舊，有的版本幾乎幾十年沒有變化。課程結(jié)構(gòu)未變，內(nèi)容不變，學(xué)時減少，又要增加一些新的課程，課程知識內(nèi)容必須面臨更新和變革。

2.2實驗課程的現(xiàn)狀

自動控制原理實驗?zāi)壳爸饕捎媚M實驗箱模和Matlab仿真兩種方式，都是基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)形式的數(shù)學(xué)模型，部分同學(xué)對傳遞函數(shù)的概念理解不深，實驗以驗證性實驗為主，主要目的是為了驗證理論結(jié)果，缺少實踐性和創(chuàng)造性。學(xué)生做完實驗并不能將實驗結(jié)論和工程實踐聯(lián)系起來，不能滿足工程教育認證的培養(yǎng)目標(biāo)和要求。因此需要對實驗內(nèi)容及實驗方式進行改革。

2.3教學(xué)方式陳舊

目前理論教學(xué)采用多媒體方式，老師講的內(nèi)容較多，而學(xué)生參與較少，不能引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，因此學(xué)生對知識的理解不夠，很難將抽象的傳遞函數(shù)與具體的系統(tǒng)聯(lián)系起來，授課效果不好。需求一種新的教學(xué)方式，讓學(xué)生參與到課堂中去，調(diào)動學(xué)生的積極性。

3課程教學(xué)改革幾點探究

3.1“自動控制原理”課程知識重組設(shè)計

課程主要內(nèi)容三大分析和設(shè)計方法：時域分析法、根軌跡法、頻率特性法。在工程設(shè)計應(yīng)用當(dāng)中，時域分析和頻率特性分析用的比較多，根軌跡分析基本不用。以前課程學(xué)時總數(shù)60左右，其中根軌跡安排8學(xué)時，隨著課程體系改革，增加實踐環(huán)節(jié)學(xué)時，縮減理論環(huán)節(jié)學(xué)時，現(xiàn)在總學(xué)時數(shù)一般為48，實驗學(xué)時增加到16個學(xué)時單獨開設(shè)，根軌跡安排2個學(xué)時簡單介紹；采樣控制系統(tǒng)在計算機控制系統(tǒng)課程里面有內(nèi)容重復(fù)，也不再做重復(fù)教學(xué)安排；“信號與系統(tǒng)”課程里面部分內(nèi)容與“自動控制原理”部分也有重復(fù)，可以將二者進行優(yōu)化，統(tǒng)籌安排；重點突出實際系統(tǒng)的建模與應(yīng)用，對教學(xué)內(nèi)容重新設(shè)計，重點突出學(xué)生的創(chuàng)造能力和實踐能力，如：在講授控制系統(tǒng)分析的三個性能：穩(wěn)定性、快速性和準確性，結(jié)合直流電機伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)來進行說明，可以引導(dǎo)學(xué)生如何從改進三個方面性能來進行思考。

3.2課程實驗設(shè)計

為了凸顯實驗重要性，提高學(xué)生的重視程度，將實驗學(xué)時增加到16學(xué)時，單獨進行考核。傳統(tǒng)的實驗以模擬實驗箱為基礎(chǔ)，實驗設(shè)置比較簡單，主要是驗證性實驗，分析和設(shè)計部分不足，在此基礎(chǔ)上增加設(shè)計性實驗串聯(lián)環(huán)節(jié)校正。同時結(jié)合Matlab軟件進行控制系統(tǒng)數(shù)字仿真分析，頻率特性分析、串聯(lián)校正設(shè)計環(huán)節(jié)除了模擬電路系統(tǒng)實驗以外，采用Matlab進行仿真分析，將實物系統(tǒng)和數(shù)字仿真結(jié)合起來，加深對實驗過程的認識和理解。引導(dǎo)學(xué)生能夠在實驗預(yù)習(xí)的過程中利用Matlab軟件進行輔助設(shè)計，這樣能夠在有限的課程時間內(nèi)，提高實驗的效率，重點放在對實驗結(jié)果的分析和思考上面來，而不單單是重復(fù)實驗步驟，記錄實驗數(shù)據(jù)，比如在綜合校正的設(shè)計過程中，思考能否設(shè)計不同的控制結(jié)構(gòu)及改變不同的參數(shù)，對系統(tǒng)性能有哪些方面的影響，得出結(jié)論，思考如何想結(jié)論應(yīng)用在工程實踐系統(tǒng)當(dāng)中。

在實驗教學(xué)過程中，內(nèi)容是基礎(chǔ)，重點要培養(yǎng)學(xué)生的實驗方法，培養(yǎng)學(xué)生如何通過實驗解決實際問題的能力。比如在二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)實驗中，不能局限于模擬電路的連接和實驗圖形的簡單記錄，應(yīng)該讓學(xué)生明白，二階的系統(tǒng)如何用模擬電路系統(tǒng)來實現(xiàn)，其它的實際系統(tǒng)是否也能夠搭建起等效的模擬電路系統(tǒng)來進行分析。讓學(xué)生能夠自己設(shè)計出對應(yīng)實際系統(tǒng)的模擬電路，并對其進行模擬和數(shù)字仿真，讓學(xué)生能夠?qū)W以致用。

3.3開放實驗室以及綜合實驗項目實訓(xùn)

開放學(xué)院的大部分實驗室，鼓勵學(xué)生在課外時間利用實驗室設(shè)備進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練?！白詣涌刂圃怼闭n程一般沒有開始課程設(shè)計環(huán)節(jié)，為了提高學(xué)生的課程知識的綜合和應(yīng)用能力，因此在課程后半段，設(shè)計了開放性綜合實驗項目。開放實驗項目如下：單水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計，一階倒立擺系統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)設(shè)計，電阻爐溫溫度控制系統(tǒng)，電機伺服控制系統(tǒng)等幾個綜合項目。這幾個系統(tǒng)具體不同特征，控制過程中涉及到控制方案也不盡相同，這幾個項目又是綜合性的實驗項目，因此可以極大程度加大學(xué)生對控制知識的應(yīng)用能力。endprint

成立項目綜合實訓(xùn)小組，專業(yè)教師指導(dǎo)學(xué)生動手制作實物控制系統(tǒng)。學(xué)院實驗室作為實訓(xùn)平臺，為學(xué)生提供專業(yè)工具包，提供一定的經(jīng)費支持，由專業(yè)教師指導(dǎo)帶領(lǐng)學(xué)生研制實物控制系統(tǒng)。學(xué)生在制作實物系統(tǒng)之前首先要進行理論分析和設(shè)計，一方面加強了學(xué)生在理論知識方面的理解和認識，另一方面在制作的過程中，很好地增強了學(xué)生的動手的能力，使學(xué)生的工程實踐能力的得到極大提升。學(xué)生制作的實物系統(tǒng)可以作為實驗室的設(shè)備，在教學(xué)過程當(dāng)中作為輔助手段為同學(xué)們演示，這樣可以將教學(xué)環(huán)節(jié)和實驗環(huán)節(jié)結(jié)合起來，相輔相成。

3.4多元化教學(xué)方式相互融合

結(jié)合河南城建學(xué)院應(yīng)用型本科院校轉(zhuǎn)型發(fā)展，根據(jù)“自動控制原理”課程教學(xué)內(nèi)容，采用多元教學(xué)方式來增強教學(xué)效果。根據(jù)工程培養(yǎng)要求，教學(xué)過程中要做到以學(xué)生為本，從學(xué)生的應(yīng)用能力提高為出發(fā)點，不再是傳統(tǒng)教學(xué)的知識點的填鴨式灌輸。

采用重啟發(fā)模式的探究式教學(xué)。主講教師根據(jù)實際情景提出問題，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，圍繞問題進行分析，尋找解決問題的有效方法，可以以小組的形式開展討論，增強學(xué)生課堂的自主性。舉例來講，教師提出生活中常見的水箱水位系統(tǒng)的控制問題，提出如下問題：如果出水口流量波動，如何保證水箱水位保持不變？引導(dǎo)學(xué)生在所學(xué)知識基礎(chǔ)上進行分析，讓學(xué)生自行分析并找到解決問題的辦法。

提高用人單位反饋意見在教學(xué)過程的作用。以工程認證體系“持續(xù)改進”為原則，通過用人單位的反饋來提高教學(xué)效果。與用人單位加強聯(lián)系合作，定期對用人單位進行回訪，或者以網(wǎng)絡(luò)問卷的的形式征求單位對學(xué)生的反饋意見。加強與工程實踐單位的合作，將學(xué)生的部分實踐環(huán)節(jié)如課程設(shè)計等安排給企業(yè)工程技術(shù)人員，讓企業(yè)將用人單位的要求直接滲透到教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中。

4總結(jié)

在河南城建學(xué)院“電氣工程及其自動化”專業(yè)申請工程教育認證背景下，從多個方面對“自動控制原理”課程進行教學(xué)改革和探索。對課程知識體系進行了整合優(yōu)化，單獨設(shè)置實驗環(huán)節(jié)，增加綜合課程項目實訓(xùn)，采用多種方式進行教學(xué)。實踐表明，通過相關(guān)教學(xué)改革，工程教育方面取得了較好的效果，學(xué)生的動手實踐能力有了較大提升，普遍增強了學(xué)生的工程意識。

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