車輛工程專業(yè)《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)改革路徑探討

禹文濤

摘要：車輛工程專業(yè)的《控制工程基礎(chǔ)》授課圍繞的核心內(nèi)容是加強(qiáng)與該專業(yè)的聯(lián)系、加強(qiáng)與學(xué)生的合作、加強(qiáng)與學(xué)生的溝通等方面，提出了控制工程類課程教學(xué)的改革方案。并在本文對(duì)教學(xué)內(nèi)容密切聯(lián)系專業(yè)、課下課堂對(duì)接、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合、改變教學(xué)方式和方法等路徑進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：控制工程;教學(xué)改革;車輛工程

0? 引言

國(guó)際教育界在車輛工程專業(yè)授課中開展了無(wú)數(shù)次的教學(xué)形式改革，試圖進(jìn)一步擴(kuò)大該專業(yè)教學(xué)的內(nèi)容范圍，改善該專業(yè)教學(xué)的整體效果。在車輛工程專業(yè)，《控制工程基礎(chǔ)》是學(xué)生必修的基礎(chǔ)課程，其中涉及機(jī)械設(shè)計(jì)制造和機(jī)械自動(dòng)化運(yùn)行控制，工程車輛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制造，生產(chǎn)過程設(shè)備及其控制工程等方面基礎(chǔ)知識(shí)。在《控制工程基礎(chǔ)》授課中，要為學(xué)生非常清晰的講解結(jié)合專業(yè)應(yīng)用方面的知識(shí)，因此在授課時(shí)應(yīng)更加重視將現(xiàn)有控制工程技術(shù)結(jié)合于控制工程系統(tǒng)中，并且深入研究如何實(shí)施新的課程方法才能更好的培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力。

1? 課程的性質(zhì)與特點(diǎn)

《控制工程基礎(chǔ)》首先是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程具有涵蓋大量的基礎(chǔ)理論及核心概念，涉及廣泛的專業(yè)知識(shí)等特點(diǎn)。該課程的設(shè)置目的在于引導(dǎo)學(xué)生如何分析和建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，其中核心目的是引導(dǎo)學(xué)生在車輛工程系統(tǒng)中，領(lǐng)悟控制工程學(xué)的核心理論，掌握詳細(xì)且準(zhǔn)確分析方法。該課程要解決的核心問題是如何從《控制工程基礎(chǔ)》的課堂內(nèi)容出發(fā)，結(jié)合車輛工程專業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，建立最原始的設(shè)計(jì)模型。通過相關(guān)軟件建立數(shù)學(xué)模型，將車輛控制工程系統(tǒng)的實(shí)際功能與之相互匹配，使之實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。該課程內(nèi)容還要從工程技術(shù)的范疇對(duì)軟件系統(tǒng)的整個(gè)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行研究。整個(gè)過程最終由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的高層思維的主要特征決定，從系統(tǒng)的某些初始狀態(tài)開始，延伸到系統(tǒng)控制信號(hào)實(shí)時(shí)的輸入與輸出。該課程首先要解決系統(tǒng)分析問題，即在系統(tǒng)軟件已經(jīng)確定，并且輸入已經(jīng)確定時(shí)，用輸出的變動(dòng)研究分析系統(tǒng)功能的準(zhǔn)確性、速度性和穩(wěn)定性問題;其次要解決最佳的設(shè)計(jì)問題，即系統(tǒng)軟件已定，且輸入確定后，系統(tǒng)最終輸出基本滿足最佳設(shè)計(jì)的要求?？刂乒こ袒A(chǔ)課程中，有許多公式、定義定理、判據(jù)，涉及時(shí)域、頻域和復(fù)數(shù)域，因此本課程的內(nèi)容是非常單調(diào)的。《控制工程基礎(chǔ)》實(shí)際上涉及的專業(yè)知識(shí)內(nèi)容非常豐富，甚至需要認(rèn)真學(xué)習(xí)和掌握電工學(xué)、電子工程學(xué)，車輛工程動(dòng)力學(xué)，液壓設(shè)備與系統(tǒng)控制等相關(guān)課程的內(nèi)容后，才能降低理解這門課程內(nèi)容的難度[1]。在學(xué)與教的過程中，學(xué)習(xí)內(nèi)容的數(shù)量與學(xué)習(xí)時(shí)間之間存在矛盾和沖突。學(xué)校的課堂教學(xué)內(nèi)容較多，但是在有限的實(shí)驗(yàn)中僅取得很少的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，造成學(xué)生不能從實(shí)踐中較好的吸收知識(shí)點(diǎn)和鞏固重點(diǎn)內(nèi)容，更無(wú)法掌握關(guān)鍵點(diǎn)內(nèi)容。綜合所述車輛工程專業(yè)的教育者們應(yīng)針對(duì)專業(yè)教學(xué)給出理想的改革方案。

2? 控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的路徑

2019年底，通過問卷形式調(diào)查了控制工程基礎(chǔ)課程中車輛工程專業(yè)的學(xué)生，列舉了11個(gè)問題，并把回收的59份有效的問卷在老師和學(xué)生之間進(jìn)行了充分的交流。問卷從學(xué)習(xí)方法、授課形式、師生溝通交流形式、教學(xué)難點(diǎn)等角度進(jìn)行調(diào)查研究，從而整理和收集有關(guān)課程內(nèi)容和教學(xué)方式的信息。從收集的信息的內(nèi)容分析并得出的最終結(jié)果來(lái)看，控制工程基礎(chǔ)教學(xué)中需要解答幾方面的問題：學(xué)習(xí)的專業(yè)課程與未來(lái)研究或就業(yè)的關(guān)系;如何引導(dǎo)學(xué)生積極學(xué)習(xí)專業(yè)教學(xué)的所含內(nèi)容;沒有典型的應(yīng)用實(shí)例;作業(yè)任務(wù)過多;課上分析解讀嚴(yán)重不足;學(xué)生在線自學(xué)和分析總結(jié)能力不足;頻域章節(jié)的困難繁多[2]。

2.1 專業(yè)課程內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合

在上面收集的信息中，能夠體現(xiàn)出學(xué)生們注重學(xué)習(xí)專業(yè)課程與專業(yè)應(yīng)用的關(guān)系，注重通過學(xué)習(xí)更深入的掌握自己選擇的專業(yè)知識(shí)的愿望。在過去的30年中，車輛電子控制技術(shù)有了質(zhì)的提升，在車輛底盤系統(tǒng)、車輛動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，車輛輔助系統(tǒng)等領(lǐng)域有許多具體實(shí)例。例如，在控制工程基礎(chǔ)課程中的發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射、車輛廢氣循環(huán)系統(tǒng)、車輛自動(dòng)變速箱系統(tǒng)、車輛制動(dòng)防抱死系統(tǒng)、車輛巡航控制系統(tǒng)、四輪驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。學(xué)生在充分掌握控制工程基礎(chǔ)課程的專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，還可以從車輛生命安全保障、節(jié)能高效、生態(tài)環(huán)保等多個(gè)層面選擇適合的控制系統(tǒng)內(nèi)容，融入到本課程的專業(yè)教學(xué)中。從現(xiàn)有較為復(fù)雜的控制工程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為合適的教學(xué)應(yīng)用實(shí)例，需要教師耐心的嘗試和匹配[3]。在教學(xué)過程中，利用其他與車輛控制工程專業(yè)相關(guān)的實(shí)例，例如車輛制動(dòng)防抱死系統(tǒng)，車輛怠速停車控制系統(tǒng)，以及車輛懸架控制系統(tǒng)，來(lái)簡(jiǎn)要說明車輛結(jié)構(gòu)和基本原理，并將以上實(shí)例與該專業(yè)的課程教學(xué)改革方案結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生把車輛控制的系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際車輛工程的能力，為車輛控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)改進(jìn)奠定成功的基礎(chǔ)。

2.2 課上與課下有效結(jié)合

此外，控制工程基礎(chǔ)課程內(nèi)容中包含了大量的定理和法則，班級(jí)里只有少數(shù)學(xué)生能夠在課堂教學(xué)中充分掌握這些內(nèi)容。對(duì)于大多數(shù)學(xué)生而言，在過去的教學(xué)過程中，學(xué)生需要在課后花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行復(fù)習(xí)和準(zhǔn)備考試。每個(gè)班級(jí)的學(xué)生都是在課后統(tǒng)一復(fù)習(xí)，長(zhǎng)此以往，學(xué)生就不再注重課程上的學(xué)習(xí)，從而導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課后復(fù)習(xí)產(chǎn)生了很強(qiáng)的依賴性，學(xué)生們沒有積極主動(dòng)的思考課堂上的學(xué)習(xí)內(nèi)容，喪失了對(duì)知識(shí)的興趣。為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高學(xué)生課后復(fù)習(xí)效果，教師可以從以下幾個(gè)方面推進(jìn)：一是對(duì)教材中的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行再提取和綜合分析，對(duì)于提煉出來(lái)的重點(diǎn)知識(shí)，加以鞏固。例如基于軟件系統(tǒng)性能穩(wěn)定性的相關(guān)問題，可以通過振動(dòng)軟件的響應(yīng)結(jié)果，判斷出系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。提升學(xué)生對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)的深刻理解。二是在給學(xué)生布置課后作業(yè)內(nèi)容中加入以下復(fù)習(xí)內(nèi)容：例如，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)后面要學(xué)些的內(nèi)容知識(shí)，比如在強(qiáng)正弦信號(hào)的作用下可以輸出無(wú)源電網(wǎng)的主動(dòng)響應(yīng)，在頻域分析這一章中，課后要預(yù)習(xí)下一章的內(nèi)容，這樣學(xué)生就可以在下一堂課中對(duì)自己不理解的知識(shí)進(jìn)行鞏固，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。在分析和解釋操作要求時(shí)，應(yīng)讓學(xué)生關(guān)注正弦信號(hào)的頻率、幅度和相位三個(gè)主要內(nèi)容。三是需要注意課后給學(xué)生安排的作業(yè)，內(nèi)容至少要體現(xiàn)出其中一個(gè)關(guān)鍵知識(shí)要點(diǎn)，力求做到準(zhǔn)確、完整，并對(duì)學(xué)生的錯(cuò)誤進(jìn)行糾正和詳細(xì)講解，幫助學(xué)生不斷鞏固知識(shí)要點(diǎn)，做到教學(xué)的有效性。

2.3 將理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合施教

在過去幾年的教學(xué)中，始終要求將課本上的理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式，這種方式非常有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和鞏固。首先，在教學(xué)過程中，將學(xué)生進(jìn)行分批、分組開展控制工程的實(shí)驗(yàn);其次，利用模擬軟件，讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要控制好流程，在學(xué)習(xí)完理論基礎(chǔ)知識(shí)后，為了驗(yàn)證理論試驗(yàn)的結(jié)果，通過控制工程實(shí)驗(yàn)工具，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“二階閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線”、“直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速”等實(shí)驗(yàn)，來(lái)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)教科書理論知識(shí)點(diǎn)的理解，在教材內(nèi)容上引入MATLAB軟件，通過模擬軟件系統(tǒng)模擬實(shí)際情況，并對(duì)其進(jìn)行綜合研究。如在控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)時(shí)域分析、系統(tǒng)頻域分析等知識(shí)內(nèi)容中使用MATLAB中的SIMULINK模塊，更容易讓學(xué)生知曉軟件系統(tǒng)的搭建過程以及相關(guān)特性的分析手法。通過在課堂上的演示，同學(xué)們可以快速整理出非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模塊圖，知曉系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)特征之間的關(guān)系，如在講授系統(tǒng)校正PID控制器效果時(shí)，利用MATLAB中PID設(shè)計(jì)框圖，通過更改系統(tǒng)的數(shù)值，可以清晰地反映出每個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)的功能變化效果，并能夠熟練的掌握?qǐng)?zhí)行器參數(shù)優(yōu)化的方法。經(jīng)過在課堂上開展建模和仿真教學(xué)，讓學(xué)生能夠更深刻的知道參數(shù)修改調(diào)節(jié)的每一個(gè)過程，使學(xué)生能夠體驗(yàn)到計(jì)算機(jī)軟件與實(shí)際工程結(jié)合帶來(lái)的巨大優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)學(xué)生全面控制工程項(xiàng)目，以及對(duì)設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件的學(xué)習(xí)[4]。

2.4 優(yōu)化教學(xué)的方式和方法

當(dāng)下常用的教學(xué)方式主要包括黑板板書和多媒體教學(xué)兩種方式，其中黑板板書教學(xué)的特點(diǎn)為過程清晰、容易理解、信息量小;而多媒體教學(xué)的特點(diǎn)信息量要大很多，但問題是過程轉(zhuǎn)化太快。在以前的課堂教學(xué)中，高水平理論課通常以講臺(tái)和黑板寫作為主，這進(jìn)一步促進(jìn)了學(xué)生對(duì)內(nèi)容的掌握?？刂乒こ虒I(yè)基礎(chǔ)課程也是理論課程，在一項(xiàng)調(diào)查中顯示，有71%的學(xué)生更喜歡黑板板書與多媒體結(jié)合教學(xué)的方式，認(rèn)為這樣的方式最有效，兩者結(jié)合的教學(xué)方式充分體現(xiàn)了多媒體教學(xué)信息量大和黑板板書過程清晰的特點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更容易掌握和理解所學(xué)到的知識(shí)，除上述之外，還應(yīng)積極探索在項(xiàng)目工程公共基礎(chǔ)課程中采用啟發(fā)式教學(xué)、討論式教學(xué)和實(shí)踐案例教學(xué)，例如側(cè)重項(xiàng)目的交流與互動(dòng)，師生在討論問題時(shí)，學(xué)生可以直接的表達(dá)自己的觀點(diǎn)和見解。鑒于這種方法，例如將實(shí)用車輛駕駛控制系統(tǒng)引入到教學(xué)內(nèi)容中，讓學(xué)生產(chǎn)生了濃厚的學(xué)習(xí)興趣，因此學(xué)生在努力學(xué)習(xí)的同時(shí)，通過微電子控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程，這樣就能夠讓學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解。對(duì)以往的評(píng)估方法進(jìn)行改革，提高學(xué)生的平時(shí)成績(jī)?cè)谄谀┛偝煽?jī)的占分比例，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生在平時(shí)學(xué)習(xí)中的重視程度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3? 總結(jié)

綜上所述，為了使課堂教學(xué)的效果達(dá)到最佳，保障教學(xué)質(zhì)量，對(duì)控制工程基礎(chǔ)課程的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行深入研究，對(duì)存在問題進(jìn)行研討，對(duì)課程教學(xué)采取改革措施，通過系統(tǒng)化、專業(yè)化改革，在課堂上將理論基礎(chǔ)與實(shí)踐有效的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)方法和方式的轉(zhuǎn)變。通過改變教學(xué)方式，調(diào)動(dòng)了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)知識(shí)的積極性，對(duì)知識(shí)的渴望，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的掌握程度。在未來(lái)的教學(xué)過程中，還可以進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容組織、教學(xué)考核方式、教學(xué)課程內(nèi)容等，培養(yǎng)學(xué)生在車輛工程專業(yè)的具體實(shí)踐中創(chuàng)新、突破。

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