能源與動(dòng)力工程控制基礎(chǔ)現(xiàn)代化教學(xué)一體化探討

田飛 施剛 施衛(wèi)東 歐鳴雄 徐偉幸

摘要：隨著現(xiàn)在科技的發(fā)展，面向能源與動(dòng)力工程學(xué)科的控制基礎(chǔ)理論教學(xué)也發(fā)生了變化。本文根據(jù)筆者所在教研組教學(xué)實(shí)踐，授課方式由老師講解走向?qū)嶒?yàn)室、學(xué)生講課、視頻補(bǔ)充等理論與實(shí)踐相結(jié)合的教授方式，由單一化教學(xué)向翻轉(zhuǎn)課堂、慕課和虛擬實(shí)驗(yàn)等多形式化發(fā)展，使學(xué)生的能力得到很大的提升，提高綜合素質(zhì)，取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：能源與動(dòng)力工程控制基礎(chǔ)；教學(xué)一體化；案例教學(xué)；慕課；翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）43-0088-02

一、課程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

傳統(tǒng)教學(xué)圍繞課本展開教學(xué)，具有理論重、實(shí)踐輕的特點(diǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)靠想象，對(duì)于實(shí)際的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化卻無(wú)能為力?！赌茉磁c動(dòng)力工程控制基礎(chǔ)》課程，我們編寫了新教材，對(duì)課程結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改革，制定了新大綱，確保理論不少，推導(dǎo)過(guò)程不減，除了自動(dòng)控制原有的經(jīng)典算例外，還補(bǔ)充了與能源與動(dòng)力工程專業(yè)相關(guān)的工程實(shí)例，引入Matlab軟件的學(xué)習(xí)與實(shí)例。為讓學(xué)生更加直觀的認(rèn)識(shí)控制系統(tǒng)，該課程還增加了實(shí)踐課，實(shí)踐的具體系統(tǒng)也是與本學(xué)科相關(guān)的具體實(shí)例?？傊瑑?yōu)化后的課程突出了本課程特點(diǎn)，更有利于能源與動(dòng)力工程學(xué)科的學(xué)生學(xué)習(xí)。

二、理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)手段

本著理論和實(shí)踐相結(jié)合的宗旨，形成了板書+PPT+動(dòng)畫展示+上機(jī)（Matlab）+實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)一體化模式經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，我學(xué)院本。在教學(xué)過(guò)程中，充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，使學(xué)生循序漸進(jìn)的理解、掌握控制原理基本理論和方法，進(jìn)而進(jìn)一步運(yùn)用理論解決專業(yè)問(wèn)題。

1.教師講解?！赌茉磁c動(dòng)力工程控制基礎(chǔ)》這個(gè)課程涉及到大量的理論基礎(chǔ)，有很多的概念容易混淆，課堂上的講解是重要的，且必不可少的。對(duì)于概念、理論的講解，教師主要是板書+PPT的形式，結(jié)合算例對(duì)比、提問(wèn)進(jìn)行講授。以本課程第二章里提到的“同一系統(tǒng)，不同的輸入量，相同的輸出量，其系統(tǒng)的微分方程將不同”為例，這個(gè)問(wèn)題很好理解，但是在實(shí)際應(yīng)用中卻常常出錯(cuò)，一旦出錯(cuò)，后面所有的系統(tǒng)特性、優(yōu)化都將是無(wú)用功，一切都要重新再來(lái)。為了加深學(xué)生對(duì)于不同輸入量和輸出量的理解，在教學(xué)中以舉例形式給學(xué)生講解，以增加學(xué)生的理解和提高他們的重視，避免今后在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中犯錯(cuò)。在講授過(guò)程中，應(yīng)用了大量的對(duì)比例題的講解和比較，幫助學(xué)生更深的體會(huì)本課程的理論和概念。

2.翻轉(zhuǎn)課堂——學(xué)生課堂學(xué)生做主。由于受課時(shí)的限制，在課堂上，對(duì)于Matlab軟件，只能是程序和語(yǔ)法的介紹，以及簡(jiǎn)單算例的引入，如下圖1（見下頁(yè)）所示，其繪圖速度、精度是傳統(tǒng)手工繪圖無(wú)法比擬的，讓學(xué)生能夠體會(huì)軟件的便捷，從而激起他們學(xué)習(xí)的欲望。

在每一章節(jié)的學(xué)習(xí)中，均會(huì)布置不同系統(tǒng)的算例，學(xué)生分組，課后自學(xué)Matlab，上交程序和所需的數(shù)據(jù)圖形。抽選最優(yōu)秀的算例和最差的算例，課堂上給出20—30分鐘，由學(xué)生講授算例中所涉及的控制基礎(chǔ)知識(shí)、理論，編程涉及到的基本語(yǔ)句，以及重點(diǎn)難點(diǎn)。其他學(xué)生和授課教師一起提問(wèn)、討論，提出改進(jìn)方案。這樣的形式會(huì)在整學(xué)期的課堂上進(jìn)行5—6次，即擴(kuò)充了本課程教學(xué)內(nèi)容，又活躍課堂氣氛，提高學(xué)生自學(xué)能力、語(yǔ)言表達(dá)能力、應(yīng)用能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

3.案例教學(xué)實(shí)驗(yàn)。本課程實(shí)驗(yàn)依托江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程實(shí)驗(yàn)中心，在學(xué)院現(xiàn)有教學(xué)、科研的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，加上與本課程相關(guān)的控制系統(tǒng)。比如水泵測(cè)試系統(tǒng)是本中心現(xiàn)有的系統(tǒng)，在水泵測(cè)試系統(tǒng)中附加入電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，在單獨(dú)的操作界面中供學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以通過(guò)輸入不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速，得出水泵內(nèi)某截面流體的不同流速分布圖。這些控制系統(tǒng)是我們教研組老師開發(fā)的，授課教師會(huì)將控制系統(tǒng)的電路圖、應(yīng)用的原理講授給學(xué)生，學(xué)生只能操作，感受一下控制的輸入量和輸出量，看到控制結(jié)果。

2017年，教研組申請(qǐng)開發(fā)了能源與動(dòng)力工程控制基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在平臺(tái)內(nèi)，學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，組裝模塊，最終可以模擬控制過(guò)程、結(jié)果，對(duì)于系統(tǒng)的修改也很方便。學(xué)生更加直觀的了解控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化的全過(guò)程。這種虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，比起我們實(shí)際搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要省時(shí)省力省資金，在效果上，完全可以替代實(shí)際的實(shí)驗(yàn)。

4.慕課——課堂知識(shí)的鞏固和延伸。針對(duì)能源與動(dòng)力工程控制基礎(chǔ)這門課的重點(diǎn)難點(diǎn)，課后習(xí)題講解，還有限于課時(shí)，沒(méi)有展開講解的內(nèi)容，我們教研組制作了若干10分鐘的小視頻、共享PPT等。一個(gè)個(gè)視頻、PPT將知識(shí)點(diǎn)分解，講解言簡(jiǎn)意賅，學(xué)生可以根據(jù)自己掌握情況，在課后，有選擇性的反復(fù)觀看視頻和PPT，加深對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)的理解。

三、以能力測(cè)試為重點(diǎn)的考核方式

對(duì)于能源與動(dòng)力工程專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，控制基礎(chǔ)是實(shí)踐性很強(qiáng)的課。教師將考核分別三部分，一部分是學(xué)生平時(shí)利用Matlab給出算例情況；一部分是虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，按照老師給的參數(shù)、要實(shí)現(xiàn)的控制功能，根據(jù)學(xué)生設(shè)計(jì)、開發(fā)的控制系統(tǒng)情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等；還有一部分是筆試，主要考核課程所學(xué)的基礎(chǔ)理論、概念、方法掌握和熟練情況。三部分成績(jī)，按照2：2：6的比例，合成最終的成績(jī)。這樣，即重視了實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)踐能力，又考核了知識(shí)與技能。

四、教學(xué)效果

為了了解這個(gè)一體化教學(xué)的效果，特對(duì)2015級(jí)江蘇大學(xué)能動(dòng)學(xué)院學(xué)生和2015級(jí)京江學(xué)院的流體機(jī)械學(xué)生約400人進(jìn)行無(wú)名問(wèn)卷調(diào)查。90%的同學(xué)認(rèn)為慕課教學(xué)對(duì)課程學(xué)習(xí)有很大幫助，表示遇到難點(diǎn)、不會(huì)的知識(shí)點(diǎn)會(huì)去查相關(guān)視頻和PPT進(jìn)行學(xué)習(xí)，87%的學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)感興趣，喜歡在平臺(tái)上設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，88%的學(xué)生覺(jué)得翻轉(zhuǎn)課堂很有參與感，讓他們自己學(xué)習(xí)自己講解，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解更加深入，84%的學(xué)生覺(jué)得老師的課堂講解非常生動(dòng)，利用算例對(duì)比講解，他們更加能夠接受，91%的學(xué)生熟練掌握Matlab軟件，98%的學(xué)生認(rèn)同這門課程的重要性，認(rèn)為這是一門很有用的課程。另外，對(duì)該級(jí)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，97%的學(xué)生成績(jī)合格。由此可見，我們總結(jié)的這套教學(xué)體系，學(xué)生是接受的，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握是到位的。

總之，這套教學(xué)體系提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性、創(chuàng)造性，促進(jìn)了理論和實(shí)踐的結(jié)合，使得學(xué)生更加明確了學(xué)習(xí)方向。通過(guò)教學(xué)改革，學(xué)生的理論水平和動(dòng)手能力都得到了很大的提升，提高教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生自學(xué)能力和解決問(wèn)題的能力。

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Abstract：With the development of science and technology，the teaching of basic theory of control for energy and power engineering has changed.According to the author's research group teaching practice，teaching methods by the teacher explained the theory and practice to the laboratory，student lectures，video supplement combining Professor，from single teaching to flip the classroom，Mu class and virtual experiment and other forms of development，the ability of students have been greatly improved，improve the comprehensive quality.Good results have been achieved.

Key words：Control foundation of energy and power engineering；Integration of teaching；Case teaching；MOOCs；flipped classroom