Short-course在控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)實踐中的研究與應(yīng)用

靳偉 張學(xué)軍 李雪蓮 宋玲 鄢金山 于蒙杰

摘? 要：控制工程基礎(chǔ)是高等學(xué)校機械工程及其自動化專業(yè)的必須課程，該課程要求學(xué)生具有扎實的綜合理論知識和較強的實踐動手能力。在應(yīng)用型本科高校轉(zhuǎn)型發(fā)展的過程中，對培養(yǎng)學(xué)生能力提出了更高要求。通過對Short-course教學(xué)實踐模式的研究，結(jié)合新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電學(xué)院的實際情況，探索Short-course教學(xué)實踐實施方案、實踐過程控制、學(xué)習(xí)效果考核等內(nèi)容，更新學(xué)生學(xué)習(xí)模式、豐富教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)實踐體系，培養(yǎng)適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的復(fù)合應(yīng)用型人才。

關(guān)鍵詞：Short-course;應(yīng)用型;教學(xué)實踐;控制工程

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）14-0099-04

Abstract： Control Engineering is based on the institutions of higher learning must course in mechanical engineering. This course requires students to have solid comprehensive theory knowledge and strong practice ability. In the process of the transformation development of applied undergraduate colleges and universities， an advanced requirement to cultivated ability the students is raised. Through the study of the patterns of Short-course teaching practice， the paper combined with the actual situation of College of Mechanical and Electrical Engineering in Institution of Mechanical Engineers of Xinjiang Agricultural University， explored the Short-course teaching practice implementation plan， process control practice， study effect evaluation and so on， updated the students' learning mode， enriched the teaching contents， optimizing the teaching system， training the compound applied talents of the regional economic development.

Keywords： Short-course; applied; teaching practice; control engineering

當(dāng)前，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方興未艾，在新工業(yè)革命背景下以大類學(xué)科培養(yǎng)、學(xué)科交叉等“跨界”培養(yǎng)模式必然是工程教育模式發(fā)展的方向。針對國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展對大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用的需求，培養(yǎng)學(xué)生能夠基于計算機虛擬模擬相關(guān)知識并進行合理分析、評價大數(shù)據(jù)工程實踐和復(fù)雜工程問題解決方案，應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)勢在必行。

控制工程基礎(chǔ)是一門以分析和改進控制系統(tǒng)的性能和品質(zhì)并且根據(jù)實際需要創(chuàng)新設(shè)計控制系統(tǒng)為主要內(nèi)容的課程，利用MATLAB和LABVIEW等軟件工具控制大數(shù)據(jù)工程實踐和復(fù)雜工程問題。該課程以實際生產(chǎn)中的機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、流體系統(tǒng)等為基礎(chǔ)，對學(xué)生的綜合理論知識和實踐動手能力提出更高的要求，因此要求學(xué)生具備較強的知識轉(zhuǎn)化、生產(chǎn)實踐能力。Short-course教學(xué)方法主要是針對高校少學(xué)時、內(nèi)容抽象或者針對某項技能開設(shè)的短期培訓(xùn)課程。根據(jù)新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院開設(shè)的控制工程類課程，利用Short-course教學(xué)方法探討系統(tǒng)建模與控制策略，如數(shù)學(xué)模型中的汽車減震器控制系統(tǒng)、冰箱溫度控制系統(tǒng)、打印機打印輪控制系統(tǒng)等，提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、豐富教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)效果[1，2]。

一、控制工程課程教學(xué)存在的問題

控制工程課程教學(xué)難點多、抽象、不容易理解，教師在進行課堂講授時，往往出現(xiàn)同一問題反復(fù)講解，費時而收效甚微，學(xué)生也往往難以把學(xué)到的知識進行相關(guān)梳理;部分學(xué)生還未養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)態(tài)度，導(dǎo)致傳統(tǒng)課堂教學(xué)往往難以使得學(xué)生對控制工程課程產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。目前新教育環(huán)境下控制工程基礎(chǔ)課程虛擬實驗教學(xué)實踐與應(yīng)用研究水平較低，不能充分調(diào)動學(xué)生積極性、不能很好地彌補課堂講授的不足[3-5]。

（一）控制工程基礎(chǔ)內(nèi)容綜合性較強、學(xué)時較少

控制工程基礎(chǔ)課程涉及高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、電工學(xué)、電子技術(shù)、工程數(shù)學(xué)等內(nèi)容，是一門學(xué)科交叉性課程，其內(nèi)容抽象、難以理解且學(xué)時較少。要求學(xué)生學(xué)習(xí)時具備扎實的綜合理論知識和實踐動手能力，還應(yīng)該具有一定的計算機應(yīng)用知識基礎(chǔ)。但學(xué)生目前的理論知識儲備還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，基礎(chǔ)課程知識掌握不牢固、理解運用能力較差，學(xué)時數(shù)較少、課堂講授節(jié)奏較快，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)該課程時壓力大、困難多[6-8]。農(nóng)業(yè)類院校電氣工程、車輛工程、交通工程、農(nóng)業(yè)機械化工程、機械工程專業(yè)的大部分學(xué)生認(rèn)為該課程不是專業(yè)核心課程、學(xué)習(xí)該課程的優(yōu)差不影響自己以后的深造和就業(yè)，思想認(rèn)識上存在誤區(qū)，導(dǎo)致出現(xiàn)教師“教不會”、學(xué)生“學(xué)不懂”的問題[9-12]。

（二）學(xué)生學(xué)習(xí)模式較單一、積極性不高

控制工程課程教學(xué)過程效益取決于師生之間的積極性和互動性，尤其是學(xué)生的積極性是教學(xué)成敗的關(guān)鍵，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情對提升高校教育質(zhì)量和學(xué)生發(fā)展具有重要的意義。學(xué)生大多習(xí)慣于傳統(tǒng)課堂教師講授為主體、學(xué)生被動灌輸知識、機械式練習(xí)鞏固，傳統(tǒng)教學(xué)強調(diào)灌輸知識但忽視學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)教學(xué)模式單一，教學(xué)設(shè)計內(nèi)容主要從“如何教好”的視角出發(fā)，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的重心未落在“如何學(xué)”上?；仡檱H提高教育質(zhì)量的征程中，提出“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，試圖超越課堂與課外、教與學(xué)、師與生等二元對立關(guān)系[13，14]。目前在中國大學(xué)課堂上，學(xué)生往往依賴教師，缺乏個性化自主學(xué)習(xí)，未做到以“學(xué)習(xí)”定“教學(xué)”，沒有突出學(xué)生為主體的內(nèi)涵。

（三）教學(xué)內(nèi)容不夠豐富、實踐內(nèi)容較少

我校屬于典型的應(yīng)用型本科院校，學(xué)生的高數(shù)基礎(chǔ)較薄弱，尤其在復(fù)變函數(shù)章節(jié)，一成不變的教學(xué)模式很難適應(yīng)學(xué)生多元化發(fā)展的需求。盡管大部分高校均開設(shè)控制工程相關(guān)實驗課程，但實驗課程學(xué)時數(shù)較少，大多數(shù)學(xué)生對實驗教學(xué)環(huán)節(jié)不夠重視，創(chuàng)新能力和動手能力薄弱;多數(shù)實驗為基礎(chǔ)實驗，只是對課本理論的重復(fù)，實驗和實際工程控制系統(tǒng)結(jié)合不緊密。理論知識掌握扎實的學(xué)生仍然不明白控制工程基礎(chǔ)這門課究竟該怎樣運用、怎樣與實際工程相結(jié)合。因此，為了提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識和動手能力，實驗課程應(yīng)增加實際工程實例，必須在有限的時間內(nèi)使學(xué)生掌握理論知識并且運用到實際工程中、解決具體的工程問題成為教學(xué)實踐改革的關(guān)鍵[15]。

二、基于Short-course模式強化教學(xué)實踐

（一）構(gòu)建Short-course模式實踐實施方案

Short-course即為短期培訓(xùn)課程，主要針對高校少學(xué)時、內(nèi)容抽象或者針對某項技能開設(shè)的短期培訓(xùn)課程。學(xué)生可以根據(jù)自己的愛好和特長選擇實際實踐項目，通過完成實踐項目獲得實踐技能。目前悉尼科技大學(xué)、倫敦藝術(shù)大學(xué)等學(xué)校均開設(shè)Short-course課程，內(nèi)容涉及多個領(lǐng)域。結(jié)合我?？刂乒こ填I(lǐng)域，Short-course可針對實際控制工程實例類別進行實踐，如汽車減震器控制系統(tǒng)研究、冰箱溫度控制系統(tǒng)分析、打印機打印輪控制系統(tǒng)設(shè)計等，使學(xué)生在教師的指導(dǎo)下自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、對系統(tǒng)進行時域和頻域分析以及對控制系統(tǒng)設(shè)計和校正等[16]。

Short-course實踐模式分為學(xué)生實施部分、教師指導(dǎo)和效果考核評價部分。學(xué)生對選定項目進行分析、查閱資料，學(xué)習(xí)相關(guān)知識，擬定實施方案，通過答辯后建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、進行時域和頻域分析、對控制系統(tǒng)設(shè)計和校正以及運用MATLAB和LABVIEW等軟件工具仿真分析，撰寫總結(jié)報告[17，18]。教師主要負(fù)責(zé)制定Short-course實踐實例、學(xué)生分組、控制時間和進度、指導(dǎo)和答疑、效果考核評價等工作，實施方案如圖1所示。

Short-course教學(xué)實踐應(yīng)用于2016級機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，選拔15名學(xué)生作為項目試點，學(xué)生根據(jù)興趣和特長完成自由組合為3隊、選擇項目、項目組分工等工作。學(xué)生利用課外時間完成汽車減震器控制系統(tǒng)研究、冰箱溫度控制系統(tǒng)分析、打印機打印輪控制系統(tǒng)設(shè)計3個項目的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立、時域和頻域分析、設(shè)計和校正控制系統(tǒng)及軟件模擬仿真工作。教師采取全過程跟蹤和指導(dǎo)，完成項目考核、評價、評定等級等工作。

（二）建立Short-course模式學(xué)習(xí)效果考核標(biāo)準(zhǔn)

學(xué)生學(xué)習(xí)效果考核標(biāo)準(zhǔn)和方式是評價教學(xué)效果的標(biāo)尺，傳統(tǒng)實踐課程常采用撰寫實驗報告的形式進行考核，主要憑借實驗報告的好壞評價實踐課程分?jǐn)?shù)和等級。Short-course教學(xué)實踐的宗旨是通過實踐項目的訓(xùn)練，掌握使用技能。Short-course教學(xué)實踐的考核標(biāo)準(zhǔn)不能僅僅憑借實驗報告的好壞評價實踐課程分?jǐn)?shù)和等級，Short-course教學(xué)實踐主要培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獲取知識、解決實際工程問題的能力。參考文獻(xiàn)資料、結(jié)合控制工程基礎(chǔ)課程的特點，制定Short-course教學(xué)實踐的考核標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，效果評價考核貫穿于項目實施的全過程，重點是過程考核。

選拔試點班15名學(xué)生、自由組合為3組，每組學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料、自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識并對該項目進行可行性分析，進一步完善實施方案;項目在實驗室中實施，建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、對系統(tǒng)進行時域和頻域分析以及對控制系統(tǒng)設(shè)計和校正，分析項目實施過程中存在的問題，最終提出系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計思路;最后開設(shè)經(jīng)驗總結(jié)交流報告會，使學(xué)生在實踐過程中獲取知識和技能。

三、Short-course模式實踐教學(xué)效果剖析

（一）控制工程實例提高實驗教學(xué)效果

Short-course教學(xué)實踐更加完善實驗教學(xué)課程，使學(xué)生以實際工程實例為學(xué)習(xí)內(nèi)容，主動學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)生縮短知識轉(zhuǎn)化、應(yīng)用周期，提前適應(yīng)企業(yè)控制工程項目的實施。學(xué)生在完成項目過程中，掌握了控制工程相關(guān)理論知識，提高動手能力、激發(fā)學(xué)習(xí)的熱情，逐步擺脫教師和課本的束縛，充分發(fā)揮自己的主觀能動性。運用MATLAB和LABVIEW等軟件工具仿真分析、驗證結(jié)果，更加提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。由學(xué)生撰寫的總結(jié)報告可以看出，Short-course教學(xué)實踐過程中，存在問題較多，有的問題是教學(xué)大綱上不做要求的或課本上沒有的內(nèi)容。因此，該教學(xué)實踐模式可豐富實踐教學(xué)內(nèi)容、充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。

（二）Short-course教學(xué)實踐模式激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力

目前國家啟動“新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系”為標(biāo)志的新工科研究與實踐項目，旨在培養(yǎng)具有扎實專業(yè)理論知識、較強系統(tǒng)分析和決策能力及創(chuàng)新意識的大數(shù)據(jù)工程技術(shù)人才，以應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，主動服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、一帶一路等重大戰(zhàn)略實施。培養(yǎng)創(chuàng)新性人才是高校教學(xué)目標(biāo)之一，Short-course教學(xué)實踐設(shè)置使學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)、完成綜合性實驗項目，培養(yǎng)掌握處理和解決大數(shù)據(jù)復(fù)雜工程問題復(fù)合型人才。由學(xué)生的總結(jié)報告可以看出，學(xué)生在完成汽車減震器控制系統(tǒng)研究、冰箱溫度控制系統(tǒng)分析、打印機打印輪控制系統(tǒng)設(shè)計項目的過程中，發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)中存在的“穩(wěn)、準(zhǔn)、快相互制約”問題，并提出自己的解決措施，提高學(xué)生自主創(chuàng)新的能力。

（三）優(yōu)化實踐教學(xué)效果考核標(biāo)準(zhǔn)

在Short-course教學(xué)實踐模式應(yīng)用前，課題組通過問卷調(diào)查、走訪座談方式了解學(xué)生的觀點，根據(jù)學(xué)生的特長制定考核方式和考核標(biāo)準(zhǔn)。從考核標(biāo)準(zhǔn)可以看出，學(xué)生更愿意根據(jù)自己的特長選擇項目種類和項目組的分工。Short-course教學(xué)實踐主要培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獲取知識、解決實際工程問題的能力，效果評價考核貫穿于項目實施的全過程，還考核項目組分工及合作情況，重點是過程考核。因此，Short-course教學(xué)實踐考核標(biāo)準(zhǔn)能夠激發(fā)每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、開啟學(xué)習(xí)動力的源泉，而且能夠縮短在企業(yè)的適應(yīng)期，提前熟悉企業(yè)實際工程項目實施過程，增強團隊合作能力。

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