新工科背景下案例式教學(xué)改革探討
——以控制工程基礎(chǔ)課程為例

季 晨 張 兵 程廣貴 張忠強(qiáng) 丁建寧

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

在我國(guó)高質(zhì)量發(fā)展的時(shí)代背景下，智能制造、云計(jì)算、人工智能以及機(jī)器人等新興技術(shù)用于傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造，以培養(yǎng)符合新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的以及具備實(shí)踐和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才[1]。控制工程基礎(chǔ)課程是機(jī)械專業(yè)課程體系中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其目的是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際控制問題的能力。然而當(dāng)前課程發(fā)展面臨兩大難題：一是課程以經(jīng)典控制理論為主要內(nèi)容，通過課程的學(xué)習(xí)可以掌握被控對(duì)象的分析方法，但如何解決實(shí)際控制問題的課程內(nèi)容較少，因而如何培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力是教學(xué)改革亟須考慮的問題；二是本科生培養(yǎng)大綱將課程學(xué)時(shí)進(jìn)一步壓縮，如何在有限的課程學(xué)時(shí)內(nèi)完成理論和實(shí)踐知識(shí)的講授和結(jié)合，也是教學(xué)改革又一亟須考慮的問題。案例式教學(xué)是對(duì)傳統(tǒng)講授教學(xué)方法的有效補(bǔ)充，通過生動(dòng)和實(shí)際的案例，促進(jìn)學(xué)生理解枯燥的控制理論知識(shí)并培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用控制理論解決實(shí)際問題的能力。

1 案例式教學(xué)改革舉措

1.1 增加工程案例，貫穿課程始終

控制工程基礎(chǔ)課程以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)，圍繞控制系統(tǒng)“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的三大性能要求，由物理系統(tǒng)的建模方法、控制系統(tǒng)時(shí)域分析法、頻域響應(yīng)分析法以及線性系統(tǒng)校正等課程內(nèi)容組成[2]。課程內(nèi)容間層層遞進(jìn)且前后互相聯(lián)系，而且課程內(nèi)容具有較多推導(dǎo)公式，理論性較強(qiáng)。因此對(duì)于在課堂內(nèi)沒有跟上進(jìn)度，或者數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差的學(xué)生而言，容易產(chǎn)生消極學(xué)習(xí)的心理，從而產(chǎn)生厭倦學(xué)習(xí)的情況。

愛因斯坦曾說：“興趣是最好的教師?！碧岣邔W(xué)生的學(xué)習(xí)興趣對(duì)于課程的教學(xué)效果是至關(guān)重要的。因此從實(shí)踐出發(fā)，結(jié)合每章節(jié)內(nèi)容，除了教學(xué)例題以外，可以適當(dāng)增加工程案例，貫穿課程始終，系統(tǒng)地教學(xué)生應(yīng)用每章學(xué)習(xí)的內(nèi)容，解決實(shí)際問題中的系統(tǒng)建模、性能分析以及控制律設(shè)計(jì)等問題。以機(jī)械電子工程專業(yè)為例，此專業(yè)涵蓋了機(jī)械工程、電力電子、單片機(jī)原理、計(jì)算機(jī)原理課程等核心基礎(chǔ)課程[3]，因此學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)，知識(shí)面廣泛，在大三上學(xué)期開設(shè)控制工程基礎(chǔ)課程時(shí)，已經(jīng)具備解決綜合性問題的能力和基礎(chǔ)，適合使用案例式教學(xué)方法。

以往的課程案例常以電阻—電容—電感電路系統(tǒng)和質(zhì)量彈簧阻尼機(jī)械系統(tǒng)為控制對(duì)象，這類系統(tǒng)在實(shí)際中過于抽象，不夠直觀，很難提起學(xué)生的興趣。然而直流電機(jī)在日常生活比較常見，所以能夠較快地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入課程的教學(xué)內(nèi)容中。在課程的第一章中介紹直流無刷電機(jī)的系統(tǒng)組成，指導(dǎo)學(xué)生繪制出系統(tǒng)的原理框圖。在第二章中介紹了系統(tǒng)的建模方法以及適量的練習(xí)之后，介紹直流無刷電機(jī)的模型推導(dǎo)過程，寫出系統(tǒng)的微分方程并繪制出系統(tǒng)的框圖，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，簡(jiǎn)單介紹系統(tǒng)的外部干擾項(xiàng)，為第三章系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析做鋪墊。在第三章中結(jié)合一階和二階系統(tǒng)性能指標(biāo)、系統(tǒng)代數(shù)判據(jù)、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，通過仿真分析、介紹直流無刷電機(jī)系統(tǒng)的特性，以及不同控制框架對(duì)于電機(jī)位置控制性能的影響，并引入時(shí)域分析的局限性。在第五章中結(jié)合頻率響應(yīng)曲線，利用奈奎斯特圖和伯德圖，分析電機(jī)位置控制系統(tǒng)的頻域性能，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)照時(shí)域分析方法，綜合分析時(shí)域和頻域間的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，將無人機(jī)和機(jī)械臂作為電機(jī)的典型應(yīng)用場(chǎng)合，綜合給定電機(jī)使用的需求參數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生以大作業(yè)或者課程項(xiàng)目的形式，完成系統(tǒng)的控制校正環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)和分析。

通過直流無刷電機(jī)位置控制的案例式教學(xué)，將課程內(nèi)容前后穿插，貫穿始終。在完成案例項(xiàng)目的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生回顧學(xué)過的知識(shí)并思考還欠缺哪些知識(shí)，做到自主回顧和自主預(yù)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和對(duì)工程實(shí)踐的興趣。

1.2 延展課堂內(nèi)容，完善線上資源

由于課程學(xué)時(shí)有限，在短短的課堂時(shí)間內(nèi)做到每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的拓展較為困難。因此將課堂內(nèi)容延展到課外是必然的選擇。以往課堂內(nèi)容結(jié)束后，學(xué)生需要完成課后作業(yè)，通過習(xí)題鞏固課堂知識(shí)。案例式教學(xué)方法可以調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生需要利用數(shù)值分析軟件MATLAB/Simulink、動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS以及開放式虛擬仿真環(huán)境軟件OpenRAVE等工具，完成課程案例分析以及課程項(xiàng)目。

課堂內(nèi)引入了直流無刷電機(jī)并將其作為教學(xué)案例，貫穿了控制工程基礎(chǔ)課程理論知識(shí)的學(xué)習(xí)過程，然而電機(jī)僅是被控對(duì)象的執(zhí)行部件，除了課堂學(xué)習(xí)中的案例以外，增加以工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制仿真項(xiàng)目作為工程實(shí)例，以此增進(jìn)學(xué)生對(duì)制造裝備控制進(jìn)行了解，同時(shí)鍛煉學(xué)生綜合應(yīng)用各類工具對(duì)裝備的分析、建模和控制。課外項(xiàng)目主要包含三個(gè)階段，第一階段為感性認(rèn)識(shí)，掌握工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的構(gòu)成；第二階段為理性認(rèn)識(shí)，掌握工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模方法，學(xué)習(xí)機(jī)器人仿真工具M(jìn)ATLAB和ADAMS，建立聯(lián)合仿真模型；第三階段為深入深化，對(duì)建立的聯(lián)合仿真模型，利用先進(jìn)的控制方法和分析手段，學(xué)習(xí)如何系統(tǒng)地設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的控制器以及分析方法，并思考機(jī)器人針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境時(shí)控制可能存在的問題以及解決辦法。

由于所需工具、軟件具有專業(yè)性，所以除了課程內(nèi)容的建設(shè)以外，還應(yīng)該完善線上軟件或者工具的使用教程，幫助學(xué)生快速入門，如利用雨課堂的課程管理功能、網(wǎng)盤功能、建立課程網(wǎng)站等。利用現(xiàn)代化的手段，建立課程的知識(shí)圖譜，降低學(xué)生課外學(xué)習(xí)的門檻。

1.3 激發(fā)學(xué)生興趣，鍛煉工程經(jīng)驗(yàn)

除了加深課程理論知識(shí)的理解，還應(yīng)該強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐能力，通過實(shí)踐環(huán)節(jié)激發(fā)學(xué)生興趣，鍛煉學(xué)生工程經(jīng)驗(yàn)。因此案例式教學(xué)需要有完善的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)作為強(qiáng)有力支撐，如電機(jī)控制平臺(tái)、機(jī)器人平臺(tái)以及無人機(jī)平臺(tái)等。從課程建設(shè)的角度出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生的工程經(jīng)驗(yàn)可以從兩方面著手：一方面通過課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證仿真和分析的正確性，感性和理性地認(rèn)識(shí)控制系統(tǒng)的各個(gè)方面，另一方面以賽促教，鼓勵(lì)學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)新大賽以及機(jī)器人綜合類等全國(guó)性比賽，在比賽中綜合訓(xùn)練工程能力，綜合運(yùn)用所學(xué)的電工學(xué)、單片機(jī)以及控制理論，培養(yǎng)工程思維和實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣，做到“學(xué)有所長(zhǎng)，學(xué)有所用”。學(xué)生畢業(yè)走入社會(huì)時(shí)，能夠利用所學(xué)知識(shí)服務(wù)社會(huì)，做一名優(yōu)秀的機(jī)電工程師。

2 結(jié)語

面臨“后疫情時(shí)代”的到來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，高素質(zhì)復(fù)合型的新工科人才能夠?yàn)樯鐣?huì)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的支撐，所以新工科背景下的課程建設(shè)顯得格外重要。從控制工程基礎(chǔ)課程的實(shí)際情況和要解決的課程問題出發(fā)，探討了案例式教學(xué)的三個(gè)舉措，通過增加電機(jī)控制案例貫穿課程內(nèi)容，通過建設(shè)線上教學(xué)資源延展課堂內(nèi)容，通過建設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和鼓勵(lì)學(xué)生參加全國(guó)大賽，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。案例式教學(xué)是講授式教學(xué)的補(bǔ)充，通過案例講解和實(shí)踐，可以鞏固課程理論知識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的意識(shí)和能力。