新工科背景下《控制理論基礎》教學模式改革與探索

黃雙 張海峰

摘? ?要：適應科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的新形勢，為培養(yǎng)具有實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型新工科人才，本文在新工科的背景下，對現(xiàn)階段《控制理論基礎》課程在教學過程中，存在授課形式單一、教學內(nèi)容陳舊和師資隊伍建設不足等問題，提出融入新的教學內(nèi)容、使用現(xiàn)代教學工具、合理建設師資隊伍、增加課堂教學互動、課程思政融入其中等改革措施，為提高《控制理論基礎》教學水平和質(zhì)量而積累經(jīng)驗。

關鍵詞：新工科? 控制理論基礎? 教學模式改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（c）-0181-02

Abstract： To adapt to the new situation of scientific and technological revolution， and cultivate high-quality compound talents with strong practical ability， innovative ability and international competitiveness， this paper puts forward some suggestions on how to integrate the single teaching form， obsolete teaching content and inadequate construction of teachers in the current course of "Control Theory Basis" under the background of “Emerging Engineering Education”. In order to improve the teaching level and quality of “Control Theory Basis”， we should adopt new teaching contents， use modern teaching tools， reasonably construct teachers， increase classroom teaching interaction and integrate curriculum ideological and political education.

Key Words： Emerging Engineering Education; Control Theory Fundament; Reform and Exploration of Teaching Mode

1? 引言

2017年2月，教育部啟動新工科建設以來，工程教育領域各類高校、專家和學者已凝聚廣泛共識，工程科技人才培養(yǎng)的新理念、新標準、新模式、新方法、新技術和新文化正在加速形成，為全面振興我國本科教育攻堅戰(zhàn)打響了第一炮[1]。新工科要求將智能制造、云計算、人工智能、機器人等用于傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造。相對于傳統(tǒng)的工科人才，在新工科教學模式下培養(yǎng)的是實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型新工科人才[2-3]。

《控制理論基礎》是我校機械類大三學生的學科基礎必修平臺課，學生在修讀《控制理論基礎》前應具備高等數(shù)學、電工電子等方面的知識儲備[4-6]。學習《控制理論基礎》主要解決兩個問題：（1）分析某個給定控制系統(tǒng)的工作原理、元器件組成和分析系統(tǒng)穩(wěn)定品質(zhì);（2）根據(jù)實際需要進行系統(tǒng)設計，并用機、光、電、液壓元件或設備等來實現(xiàn)這一系統(tǒng)。學習完這門課程后，學生應對經(jīng)典控制理論有全面的認識，能應用數(shù)學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識針對具體的對象建立數(shù)學模型并求解，并針對機械工程領域的復雜工程問題進行過程分析、設計、制造、控制與優(yōu)化。該門課程為后續(xù)《機電一體化設計》、《智能控制系統(tǒng)》及《機電傳動控制》等課程提供理論基礎。因此，《控制理論基礎》在教學培養(yǎng)體系中占有重要地位。

2? 現(xiàn)階段《控制理論基礎》教學中存在問題

在新工科的背景下，要求課程適應時代的發(fā)展，但如今《控制理論基礎》在教學中仍存在很多問題。

（1）授課形式單一。

如今，我們教師基本都采用黑板板書與PPT相結(jié)合的方式進行授課，但是還是沒有擺脫以往推導公式、講解例題，然后習題練習的模式。在公式推導過程中，學生感到枯燥乏味，老師講解起來也十分困難。針對一些繪制過程，如奈氏圖、伯德圖及根軌跡的繪制過程復雜，學生很難在短時間內(nèi)掌握。

（2）教學內(nèi)容陳舊。

《控制工程基礎》涉及到的是經(jīng)典控制理論，這些控制理論非常成熟，所選書本上的例題也十分陳舊。例如，在數(shù)學建模部分，所選例子為彈簧-阻尼-質(zhì)量系統(tǒng)和RC網(wǎng)絡系統(tǒng)，這些例子簡單，便于列出各部分的微分方程，對講解數(shù)學模型建立過程有很大的幫助。但同時，這些例子過于簡單，不能吸引學生的注意力。

（3）師資隊伍建設不足。

在《控制理論基礎》的課程師資團隊中，有部分年輕老師雖然理論知識豐富，但是缺乏足夠的工程實踐經(jīng)驗，不能將這些控制理論運用到實際的工程系統(tǒng)中，理論和實際不能很好地相結(jié)合，導致在教授過程中與實際脫節(jié)。

3? 新工科背景下《控制理論基礎》教學模式改革與探索

（1）融入新的教學內(nèi)容和使用現(xiàn)代教學工具。

隨著新的控制理論技術的發(fā)展，應融入一些新的控制理論概念。如在對閉環(huán)控制系統(tǒng)的概念進行介紹時，教科書上的例子是恒溫控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等，學生對這些興趣不大?？梢约尤胍恍┳钚碌目萍汲晒?，如AlphaGo大戰(zhàn)李世石、無人機這些先進的閉環(huán)控制實例。在建立數(shù)學模型時，可以將控制對象換成四旋翼直升機、獨輪電動車等，這樣會吸引學生濃厚的興趣。

在《控制理論基礎》的教學過程中，可以適當采用一些現(xiàn)代教學工具，讓學生加深對理論知識的理解。如，Matlab軟件可以分析控制理論中開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的特性。利用rlocus命令可以繪制根軌跡，nyquist命令可以繪制系統(tǒng)奈氏圖，bode命令可以繪制系統(tǒng)伯德圖。另外，PID 控制器設計工具PIDTool，可以通過調(diào)節(jié)各個比例、微分、積分環(huán)節(jié)的參數(shù)，得到各參數(shù)對閉環(huán)系統(tǒng)響應的影響。應用這些現(xiàn)代教學工具時，不要求學生對這些現(xiàn)代工具掌握的特別熟練，而是讓學生對現(xiàn)在的計算機技術有一定的了解，知道有這些技術的存在，在以后的工作崗位中可以隨時拿來用。

（2）合理建設師資隊伍。

《控制理論基礎》是一門理論與實踐相結(jié)合的課程。在基礎理論部分，可以由具有深厚理論儲備的資深教師講授。而在后面的實踐應用環(huán)節(jié)，如系統(tǒng)校正部分，可以邀請一些實戰(zhàn)經(jīng)驗豐富的企業(yè)工程師來進行講授，結(jié)合他們平時所遇到的一些實際問題，分析解決方案。這樣不僅能彌補教師實踐經(jīng)驗不足，還能讓學生對知識理解的更為透徹。

（3）增加課堂教學互動。

在目前的教學模式中，一般以教師講授、學生聽課為主，在這種教學模式下，學生的參與感降低，學習積極性不高。在以后的教學中，可以嘗試將授課按照做項目的形式進行下去。如，將學生分為3～4人一組，針對不同參數(shù)的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，每小組對電動機進行系統(tǒng)建模、穩(wěn)定性分析、PID控制，還可以采用串聯(lián)校正、反饋校正、順饋校正和干擾補償?shù)却胧ο到y(tǒng)進行修正。在學生自己動手完成這些要求后，會對涉及到的理論知識有一個全面的認知。

（4）課程思政融入其中。

《控制理論基礎》是機械專業(yè)學生一門重要的專業(yè)必修課程，通過挖掘《控制理論基礎》的思想政治價值元素，將德育教育、職業(yè)道德和價值觀、世界觀、人生觀的思考融入專業(yè)知識的教學中，培養(yǎng)學生的民族自豪感和認同感，愛崗敬業(yè)、辦事公道、奉獻社會的職業(yè)精神，形成唯物主義辯證思維，加深對自我的認識，做一個內(nèi)外兼修、對社會有積極貢獻、具有家國情懷的高級人才。通過對《控制理論基礎》的教學，在潛移默化中讓學生樹立正確的中國特色社會主義堅定信念，為實現(xiàn)共產(chǎn)主義而奮斗終生。（1）通過分析控制領域的發(fā)展現(xiàn)狀，分析在國家提出“中國制造2025”的大環(huán)境下所面臨的機遇和挑戰(zhàn)，激發(fā)學生學習的動力和勇氣;（2）介紹傳遞函數(shù)的八個典型環(huán)節(jié)，分析系統(tǒng)工程中分工與合作精神，對學生進行職業(yè)道德教育，領悟工匠精神，傳遞愛崗敬業(yè)、辦事公道、奉獻社會的職業(yè)精神;（3）通過快速性、穩(wěn)定性和精確性三個性能指標之間的相互關系，揭示辯證唯物主義的矛盾論，要求分析主要矛盾和次要矛盾，要求學生具備用辯證的眼光看問題，進而闡述和諧集體、和諧社會的思想;（4）通過分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量，分析做人做事要留有余地，闡述“度”的哲學觀點，提醒學生具有謙卑的求學和處世態(tài)度;（5）分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和降低穩(wěn)態(tài)誤差的主要措施，要求承認矛盾的普遍性、客觀性，用科學把握取人之長與補己之短的關系，善于發(fā)現(xiàn)短板、分析短板、補好短板，個人和社會才能有更好的發(fā)展。

4? 結(jié)語

在新工科背景下，對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造中，針對《控制理論基礎》存在的授課形式單一、教學內(nèi)容陳舊和師資隊伍建設不足等問題，提出融入新的教學內(nèi)容、使用現(xiàn)代教學工具、合理建設師資隊伍、增加課堂教學互動、課程思政融入其中等改革措施，將《控制理論基礎》課程打造成為生動、有趣的實踐類課程。

參考文獻

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