基于工程教育專業(yè)認(rèn)證理念“控制工程”一流本科課程建設(shè)研究

鄭雪飛，陳文波，李必文，柏興旺，林旺陽

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

“控制工程”是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，是機(jī)械工程技術(shù)人員具備合理知識(shí)結(jié)構(gòu)的一門必修課程，本課程授課對(duì)象為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)三年級(jí)本科生，通過課程學(xué)習(xí)，掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、基礎(chǔ)理論和基本方法，了解各種系統(tǒng)分析方法的局限性。

南華大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)是南華大學(xué)的優(yōu)勢(shì)特色專業(yè)，2002年成為“湖南省重點(diǎn)專業(yè)”，2019年通過了工程教育專業(yè)認(rèn)證。通過深入學(xué)習(xí)工程教育專業(yè)認(rèn)證“以學(xué)生為中心、以成果產(chǎn)出為導(dǎo)向OBE（Outcome-BasedEducation）、持續(xù)改進(jìn)”的基本理念，該課程內(nèi)容不斷優(yōu)化，學(xué)生實(shí)踐能力和科研素養(yǎng)不斷提升，向培養(yǎng)機(jī)械類優(yōu)秀工程師和科學(xué)家的總目標(biāo)邁進(jìn)。

1 以學(xué)生為中心，明確教學(xué)目標(biāo)

通過理論和實(shí)踐學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)地分析和設(shè)計(jì)各種自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力及工程實(shí)踐能力。

知識(shí)目標(biāo)：（1）掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、基礎(chǔ)理論和基本方法。（2）能夠利用基礎(chǔ)物理、理論力學(xué)、電工電子學(xué)等課程的基本原理建立控制數(shù)學(xué)模型以描述實(shí)際的機(jī)械系統(tǒng)，并結(jié)合相關(guān)的知識(shí)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解以分析機(jī)械系統(tǒng)的控制性能；

能力目標(biāo)：能夠識(shí)別和判斷出復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的基本組成環(huán)節(jié)和關(guān)鍵參數(shù)；能夠制定滿足環(huán)境保護(hù)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展要求的機(jī)電自控系統(tǒng)；

素質(zhì)目標(biāo)：通過在機(jī)械工程控制領(lǐng)域持續(xù)自主的學(xué)習(xí)，以解決學(xué)習(xí)和工作中不斷遇到的新的控制問題。

德育目標(biāo)：增強(qiáng)民族自信和自豪感；培養(yǎng)學(xué)生在自動(dòng)化生產(chǎn)方面的科技創(chuàng)新意識(shí)。

2 基于工程教育專業(yè)認(rèn)證理念教學(xué)改革

教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化。

夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)包括：（1）自動(dòng)控制系統(tǒng)的負(fù)反饋工作機(jī)制；（2）自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模及模型求解；（3）自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。通過該課程的學(xué)習(xí)能夠基于控制原理的知識(shí)，采用科學(xué)方法對(duì)系統(tǒng)中的各組成機(jī)械零件、結(jié)構(gòu)、裝置等，制定控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行相關(guān)信號(hào)的采集和測(cè)量。后期教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生夯實(shí)復(fù)變函數(shù)與微積分的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。通過課堂練習(xí)、課后作業(yè)，加強(qiáng)訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生提升對(duì)基礎(chǔ)理論的理解層次，掌握基本概念知識(shí)。構(gòu)建項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，引導(dǎo)學(xué)生將基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐結(jié)合起來，提高解決工程實(shí)際問題的能力。加強(qiáng)先導(dǎo)課程如理論力學(xué)以及電工電子技術(shù)的課前復(fù)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生攻克薄弱環(huán)節(jié)、解決學(xué)習(xí)困難。

將新技術(shù)內(nèi)容貫穿教學(xué)中，拉近學(xué)生與學(xué)科發(fā)展前沿、實(shí)際工程應(yīng)用的距離。增加先進(jìn)生產(chǎn)與技術(shù)、汽車制造、機(jī)器人技術(shù)，智能家電控制系統(tǒng)等實(shí)例，應(yīng)用于教學(xué)中來，以滿足企業(yè)對(duì)于智能制造、自動(dòng)化生產(chǎn)方面的人才需求。

加強(qiáng)校企合作，優(yōu)化課程內(nèi)容。將汽車制造、機(jī)器人技術(shù)、智能家電等有關(guān)控制理論的最新技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中來，多運(yùn)用相關(guān)的實(shí)際機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行舉例和分析，授課講解的時(shí)候，在原來的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生做好知識(shí)的遷移轉(zhuǎn)化，將理論知識(shí)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相結(jié)合，并且將實(shí)際案例上傳至學(xué)習(xí)通，通過網(wǎng)絡(luò)課程對(duì)案例進(jìn)行討論與分析，逐步加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際機(jī)電控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模能力。拉近學(xué)生與學(xué)科發(fā)展前沿、實(shí)際工程應(yīng)用的距離。

圖1 案例圖

圖2 案例圖

以工程項(xiàng)目中的復(fù)雜機(jī)電控制系統(tǒng)為例，開展任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的教學(xué)機(jī)制，建立系統(tǒng)的三維仿真模型，運(yùn)用時(shí)域分析、頻域分析等多種分析方法，演示系統(tǒng)工作原理，針對(duì)實(shí)際工程問題，開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)理論教育與實(shí)踐教育的協(xié)同。充分利用學(xué)制時(shí)限，激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、實(shí)際分析問題能力和創(chuàng)新能力。

3 教學(xué)方法的持續(xù)改進(jìn)

通過課程目標(biāo)達(dá)成度分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、基礎(chǔ)理論理解偏弱，尤其體現(xiàn)在系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模及模型求解的能力較為欠缺，主要是因?yàn)樯婕案叩葦?shù)學(xué)和理論力學(xué)以及電工電子技術(shù)等課程內(nèi)容，這些先導(dǎo)課程中相關(guān)定律和公式在沒有復(fù)習(xí)的情況下，導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模能力不足；此外個(gè)別同學(xué)，大一、大二時(shí)基礎(chǔ)科目落后比較多，也導(dǎo)致成績(jī)較差，期望值較低。針對(duì)以上問題主要進(jìn)行如下改革：

（1）引入線上線下混合式教學(xué)，對(duì)重點(diǎn)章節(jié)的基本概念，通過討論板塊進(jìn)行發(fā)布，針對(duì)基本概念和原理利用線上方式。線上和線下的教學(xué)實(shí)施情況如圖3。

圖3

圖4 機(jī)械17級(jí)PBL任務(wù)內(nèi)容圖

圖5 小組討論圖

圖6 MATLAB的機(jī)電控制系統(tǒng)仿真圖

（2）借助超星學(xué)習(xí)通，課前發(fā)布教材導(dǎo)學(xué)，學(xué)習(xí)教材相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，觀看教學(xué)視頻，完成相應(yīng)的測(cè)試，檢測(cè)教學(xué)效果，并且針對(duì)測(cè)試情況，對(duì)薄弱知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行深度講授。

（3）對(duì)落后比較多的學(xué)生加強(qiáng)輔導(dǎo)；課后再通過問卷調(diào)查等線上方法，不定期對(duì)學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)摸底調(diào)查，了解學(xué)生遇到的學(xué)習(xí)困難和薄弱環(huán)節(jié)，記錄學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握程度，量化評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)能力的達(dá)成度。課堂教學(xué)方式持續(xù)改進(jìn)，加大啟發(fā)式教學(xué)、討論法、案例分析等方法的運(yùn)用力度，多運(yùn)用開展任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的教學(xué)機(jī)制，逐步提升其運(yùn)用基礎(chǔ)理論和方法解決實(shí)際工程問題的能力。

（4）PBL任務(wù)綜合項(xiàng)目：對(duì)課程重點(diǎn)內(nèi)容實(shí)施基于PBL任務(wù)式教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，變被動(dòng)為主

（5）基于MATLAB的機(jī)電控制系統(tǒng)仿真，在控制工程教學(xué)中進(jìn)一步推廣，將更多典型工程項(xiàng)目和科研項(xiàng)目中的實(shí)際機(jī)電控制系統(tǒng)引入仿真教學(xué)，針對(duì)實(shí)際工程問題，開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)理論教育與實(shí)踐教育的協(xié)同。

①將實(shí)際工程中部分機(jī)電系統(tǒng)抽象為系統(tǒng)模型，要求學(xué)生利用典型信號(hào)作為輸入，通過研究出系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)，進(jìn)而對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)，培養(yǎng)學(xué)生利用控制工程的知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力。

②培養(yǎng)學(xué)生通過MATLAB軟件，繪制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)曲線，分析響應(yīng)特點(diǎn)，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和拓展知識(shí)能力。

③要求學(xué)生通過對(duì)系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)，了解相關(guān)問題的解決方法，在學(xué)習(xí)中逐步培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)的交叉融合，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的全面提升。

4 課程成績(jī)?cè)u(píng)定方式的改革

課程考核貫穿于整個(gè)教學(xué)過程，形式多樣，包括隨堂測(cè)驗(yàn)、線上學(xué)習(xí)、章節(jié)自測(cè)、PBL任務(wù)綜合項(xiàng)目、閉卷考試等。將過程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合。成績(jī)主要組成：課程音視頻（10%），章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)（5%），討論（5%），作業(yè)（25%）期末考試（40%），課程互動(dòng)（5%），分組任務(wù)（PBL）（10%），依照這些指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)定。

5 結(jié)語

通過工程教育專業(yè)認(rèn)證“以學(xué)生為中心、以成果產(chǎn)出為導(dǎo)向OBE（Outcome-Based Education）、持續(xù)改進(jìn)”的基本理念，并且將此理念應(yīng)用于控制工程課程的一流本科課程建設(shè)中，在教學(xué)實(shí)施過程中不斷聽取專家和學(xué)生意見，改進(jìn)和優(yōu)化，以達(dá)到對(duì)理論與實(shí)踐、教學(xué)與科研、線上與線下的“三個(gè)結(jié)合”，課程改革成效顯著，學(xué)生實(shí)踐能力和科研素養(yǎng)不斷提升，向培養(yǎng)機(jī)械類優(yōu)秀工程師和科學(xué)家的總目標(biāo)邁進(jìn)。