“能源與動力工程控制基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探討

楊繼斌

摘 要 “能源與動力工程控制基礎(chǔ)”是面向能源與動力工程學(xué)科的一門關(guān)于控制工程理論的課程。本文結(jié)合筆者自身教學(xué)實踐和學(xué)生學(xué)科背景，通過分析筆者學(xué)校現(xiàn)有教學(xué)現(xiàn)狀和新型冠狀病毒肺炎疫情下的線上教學(xué)情況，提出了“以學(xué)生為中心”的混合教學(xué)、工程案例驅(qū)動教學(xué)以及以應(yīng)用為目標(biāo)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)改革方案，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 能源與動力工程 控制理論 教學(xué)改革 以學(xué)生為中心

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2020.07.065

Abstract "The Control Foundation of Energy and Power Engineering" is a course about control engineering theory for the Energy and Power Engineering. In this paper， based on the author's own teaching practice and student's subject background， the school's teaching situation and online teaching situation under the COVID-19 are analyzed. Furthermore， a student-centered based teaching reform is proposed to improve students' learning initiative and teaching quality， which combines mixed teaching， case driven teaching and application-oriented teaching method.

Keywords energy and power engineering; control theory; teaching reform; student-centered

0 引言

隨著車輛運(yùn)載動力、航空動力、船用動力等先進(jìn)運(yùn)載動力裝置的電動化和智能化發(fā)展，在新工科背景下，學(xué)科的交叉更加鮮明，能源與動力工程（先進(jìn)運(yùn)載動力方向）專業(yè)的課程教學(xué)方法和內(nèi)容亟需改進(jìn)。[1-2]其中，“能源與動力工程控制基礎(chǔ)”是筆者學(xué)校針對能源與動力工程（先進(jìn)運(yùn)載動力方向）專業(yè)大三學(xué)生開設(shè)的一門以經(jīng)典控制理論作為基礎(chǔ)內(nèi)容，闡述控制工程的基本理論、基本方法和基本內(nèi)容的一門學(xué)科基礎(chǔ)選修課程。課程的主要教學(xué)任務(wù)是通過對經(jīng)典控制理論知識的學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)工程應(yīng)用能力為主線，培養(yǎng)學(xué)生對控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計能力，結(jié)合后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，為將來在能源與動力工程中解決一些實際問題打下一定的基礎(chǔ)。本文對筆者學(xué)校該課程的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并結(jié)合學(xué)生的學(xué)科背景提出進(jìn)一步的改進(jìn)措施。

1 現(xiàn)有教學(xué)現(xiàn)狀及分析

我校能源與動力工程專業(yè)（先進(jìn)運(yùn)載動力）學(xué)生的基本培養(yǎng)目標(biāo)是掌握本專業(yè)相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換及有效利用的基本理論和技術(shù)，以及先進(jìn)運(yùn)載動力裝置原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計、測試、控制、燃料、燃燒與排放等方面的知識，具有綜合工程實踐經(jīng)驗，解決工程問題的能力和組織管理能力，畢業(yè)后能從事車輛運(yùn)載動力、航空動力、船用動力等先進(jìn)運(yùn)載動力裝置的研發(fā)、制造、應(yīng)用以及營銷管理等相關(guān)工作。在此學(xué)科背景下，“能源與動力工程控制基礎(chǔ)”課程面向能源與動力工程（先進(jìn)運(yùn)載動力）學(xué)科方向，學(xué)習(xí)控制理論的知識體系，以拓寬學(xué)生的學(xué)科基礎(chǔ)知識面。該課程在本校目前設(shè)定2個學(xué)分，32個學(xué)時，其中24個理論學(xué)時，8個上機(jī)學(xué)時。課程的學(xué)時設(shè)定與同學(xué)院車輛工程專業(yè)的控制工程理論課程相同，但側(cè)重點(diǎn)有所不同。關(guān)于控制工程理論的課程具有理論性強(qiáng)、概念抽象、涉及的基礎(chǔ)知識點(diǎn)多（如高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、信號處理等）等特點(diǎn)。[2-4]課程2018-2019學(xué)年選課26人，2019-2020學(xué)年選課63人，選修的學(xué)生人數(shù)在增加。

1.1 課程理論教學(xué)現(xiàn)狀

課程理論教學(xué)內(nèi)容從三個部分展開，分別是基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)、分析方法和工程應(yīng)用，在基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)部分學(xué)習(xí)控制論的基本概念和控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在分析方法部分學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的時域分析、頻域分析和穩(wěn)定性分析，在工程應(yīng)用部分學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的校正設(shè)計方法。課程理論教學(xué)重點(diǎn)學(xué)習(xí)前兩個部分，第三部分屬于了解內(nèi)容，由于課程學(xué)時安排有限，該部分的介紹不夠深入。課堂教學(xué)主要采用“板書+PPT”的教師講授形式，師生的交流方式主要以面對面的課堂互動、課間答疑和課后答疑為主。

1.2 上機(jī)教學(xué)現(xiàn)狀

課程應(yīng)用MATLAB/Simulink軟件，開設(shè)8個學(xué)時的上機(jī)課程，主要通過MATLAB計算機(jī)軟件實現(xiàn)控制理論知識的應(yīng)用教學(xué)。上機(jī)內(nèi)容包括MATLAB在控制系統(tǒng)模型建立和仿真中的應(yīng)用、MATLAB環(huán)境下典型系統(tǒng)的時域響應(yīng)分析和頻域分析，通過MATLAB/Simulink繪制時域響應(yīng)曲線、奈奎斯特圖和bode圖等，并進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1.3 新冠肺炎疫情期間線上教學(xué)情況分析

在2020年春季新型冠狀病毒肺炎疫情期間，國內(nèi)各高校被迫開展線上教學(xué)，筆者對承擔(dān)的針對車輛工程的一門控制理論課程進(jìn)行線上理論教學(xué)，根據(jù)教研組討論及學(xué)生的反饋，采用“慕課異步SPOC+慕課堂+騰訊直播課堂”的教學(xué)方式開展線上理論教學(xué)，完成后對教學(xué)班的學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查（35人填寫），部分調(diào)查結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，對完全線上教學(xué)的不滿意程度比例達(dá)到了約22.86%，從問卷中分析，其中一部分原因是在家中學(xué)習(xí)條件的限制;疫情后有約37.14%的學(xué)生傾向于線下和線上的混合教學(xué);有約68.57%的學(xué)生選擇應(yīng)以線下教學(xué)設(shè)計為主，只有約2.86%的學(xué)生選擇以線上教學(xué)設(shè)計為主。另外，筆者統(tǒng)計了學(xué)生更愿意與老師的交流方式，有約42.86%的學(xué)生選擇“面對面交流+網(wǎng)上交流”的方式。

2 課程教學(xué)改革方案

根據(jù)上述分析，結(jié)合筆者的教學(xué)實踐及學(xué)生學(xué)科背景，“以學(xué)生為中心”的目標(biāo)，從以下幾個方面提出改進(jìn)措施。

2.1 線上線下混合教學(xué)模式的應(yīng)用

通過此次疫情期間的線上教學(xué)，教師和學(xué)生深刻體驗了線上教學(xué)的優(yōu)勢和不足。如何有效利用線上和線下教學(xué)的優(yōu)勢，進(jìn)行混合式教學(xué)給教師帶來了挑戰(zhàn)。[5]根據(jù)本門課程的特點(diǎn)，在線上，教師通過線上教學(xué)平臺（如慕課、雨課堂等）提前做好線上理論教學(xué)課程（視頻+課件+思考與討論），學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)基本知識點(diǎn)，同時通過線上課程討論區(qū)和通訊平臺（如QQ、微信等），提供學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師的線上交流平臺;在線下課堂上，教師深入講解課程的難點(diǎn)和更多的工程案例，也有更多的時間進(jìn)行討論學(xué)習(xí)，加強(qiáng)學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師線下面對面的交流;此外，在過程評價上，為充分體現(xiàn)學(xué)生在線上線下學(xué)習(xí)的主動性、積極性以及思考問題和交的流能力，形成“線下評價為主、線上評價為參考”的評價方案，再加上最后的理論課考試和實驗報告，形成最終成績。通過上述方案，教師在教學(xué)過程中做好引導(dǎo)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，充分體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式。

2.2 工程案例驅(qū)動的教學(xué)模式

案例教學(xué)法是高校教學(xué)中常用的教學(xué)方式，該課程的理論性強(qiáng)、難以理解，且是選修課程，教學(xué)中應(yīng)密切結(jié)合學(xué)科背景，增加與學(xué)科背景相關(guān)的工程案例，激發(fā)學(xué)生的興趣，體現(xiàn)學(xué)習(xí)該課程的“有用性”，同時，讓學(xué)生更好的理解課程的知識點(diǎn)。如筆者將以新能源車輛先進(jìn)運(yùn)載動力裝置相關(guān)的內(nèi)容為工程案例，驅(qū)動該課程的教學(xué)。如在控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型知識的學(xué)習(xí)中，可由簡單例題到復(fù)雜工程案例的教學(xué)，對于機(jī)械系統(tǒng)建模，由簡單的m-k-c系統(tǒng)到用于車輛系統(tǒng)仿真的車輛動力學(xué)模型，如圖2（a）所示;對于電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由簡單的R-L-C電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)到車載質(zhì)子交換膜燃料電池等效電路模型，如圖2（b）所示。

2.3 以應(yīng)用為目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容改革

該課程開設(shè)在大三年級，近兩年越來越多的學(xué)生選修了該課程，開課后學(xué)生跟老師交流希望學(xué)會控制系統(tǒng)的設(shè)計。這是因為越來越多的學(xué)生參加了科研、大學(xué)生創(chuàng)新、競賽等，實際應(yīng)用的需求在增加，這也是選修課的魅力，選修課不只是修學(xué)分，學(xué)生應(yīng)根據(jù)自己的需要和興趣選修課程。故教學(xué)內(nèi)容中除了上述重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容外應(yīng)將控制系統(tǒng)校正設(shè)計作為一個重點(diǎn)來學(xué)習(xí)，適當(dāng)調(diào)整課程理論學(xué)時和上機(jī)學(xué)時，增加一部分理論課時和實踐學(xué)時。同時，因為大三學(xué)生已基本熟悉了MATLAB操作環(huán)境，可適當(dāng)減少上機(jī)學(xué)時。另外，筆者正在進(jìn)行基于模型設(shè)計的新能源車輛混合動力系統(tǒng)開發(fā)，后期將可應(yīng)用于實踐教學(xué)，通過演示、操作等手段讓學(xué)生在實踐中了解控制系統(tǒng)的設(shè)計，學(xué)習(xí)控制論在能源與動力工程學(xué)科的應(yīng)用。通過以應(yīng)用為目標(biāo)的教學(xué)改革，讓學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力，幫助和鼓勵學(xué)生積極參與科研、競賽等應(yīng)用探索。

3 結(jié)語

本文結(jié)合自身在控制工程理論課程的教學(xué)實踐，通過分析課程的教學(xué)現(xiàn)狀及疫情期間的線上教學(xué)情況，并結(jié)合能源與動力工程（先進(jìn)運(yùn)載動力方向）專業(yè)學(xué)科背景?！耙詫W(xué)生為中心”，在教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容方面提出了“能源與動力工程控制基礎(chǔ)”課程的改革措施，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和實踐能力，并提高教學(xué)質(zhì)量。

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