應用型本科“控制工程基礎”教改研究*

張春紅 ， 沈 楊 ， 李淑梅

（1.廈門工學院柔性制造裝備集成福建省高校重點實驗室，福建 廈門 361000；2.廈門工學院機械科學與電氣工程學院，福建 廈門 361000）

應用型本科應該面向當?shù)匕l(fā)展的需求，堅持以質量求生存，以效益求發(fā)展，走以質量提升為核心的內涵式發(fā)展道路[1-3]。專業(yè)課程是本科教學的主要內容，促進各專業(yè)知識與思想教育的結合，體現(xiàn)專業(yè)教學的特色至關重要。隨著信息化、智能化技術的發(fā)展，自動控制已被用于各個方面，促進人類社會向前發(fā)展，智能化是現(xiàn)代人類文明發(fā)展的趨勢。特別是在智能制造、人工智能大力發(fā)展的時代，“控制工程基礎”作為工科類專業(yè)課程，除了要讓學生掌握基本的理論，更要重視工程倫理的教育，培養(yǎng)學生的大國工匠精神，激發(fā)學生的愛國情懷、民族自豪感以及科技報國的使命擔當。

1 “控制工程基礎”課程現(xiàn)狀

“控制工程基礎”課程是機電類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課，它主要涉及經典控制理論的內容及應用?，F(xiàn)代意義上的控制，起源于維納1948年發(fā)表《控制論》。控制無形之中對現(xiàn)代科技造成了非常重大的影響。

該課程側重理論分析，主要講解控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型、時域瞬態(tài)響應分析、控制系統(tǒng)的頻率特性、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、控制系統(tǒng)的誤差分析和計算、控制系統(tǒng)的綜合與校正、根軌跡、計算機控制系統(tǒng)等[4-6]。通過系統(tǒng)學習“控制工程基礎”課程中的原理、方法及有關設計計算，學生能夠具有系統(tǒng)的一般概念，了解控制理論在工程中的應用和發(fā)展。對工程中的實際系統(tǒng)能利用控制系統(tǒng)的數(shù)學模型分析系統(tǒng)的性能，培養(yǎng)學生理論分析工程實例、應用知識分析解決工程問題的能力。

目前，廈門工學院機電專業(yè)該課程是“32學時理論課+16課時實驗課”。由于這門課理論性很強，要求學生具有較強的數(shù)學、電學、機械等相關知識，同時還需要具有MATLAB編程能力，采用傳統(tǒng)的教學模式時，學生學習過程十分吃力，對于知識的應用更是覺得困難。如何在有限的課時中讓學生掌握知識點，同時又能在課堂中將思政素材巧妙地融入課堂需要教師認真深入研究。

2 “控制工程基礎”課程建設

“控制工程基礎”課程建設目的在于培養(yǎng)學生實踐能力、學習能力、團隊協(xié)作能力等，使學生能夠主動學習、提出問題、分析問題、解決問題、掌握專業(yè)知識，課程建設包含以下幾方面。

2.1 優(yōu)化課程網絡資源建設

利用超星平臺優(yōu)化課程網絡資源建設，精心設計教案、課件、題庫等，特別是針對課程重點、難點設計制作動畫、視頻等。

1）教案設計中包含學情分析（學生知識經驗、學生學習能力、學生思想狀況）、課堂教學目標（知識目標、能力目標、價值目標）、教學知識點、思政資源（思想政治教育素材、思想政治教育元素）、教學內容、教學手段和過程以及專業(yè)知識與思政的融合。

2）精心設計制作課件，加入動畫，融入思政元素。

3）布置作業(yè)，除了讓學生掌握基本的理論之外，還需要設計一些開放性課題，一方面讓學生掌握知識點的應用，另一方面也讓學生的思想得到升華。

2.2 采用多樣化教學模式

1）采用情景教學、案例教學、小組討論等翻轉課堂教學方法，利用講授、問答、討論、案例等方式來引導學生，有針對性地將思政元素融入專業(yè)知識教學中[7]。學生利用線上資源進行預習和復習。引用案例，利用網絡資源，有些內容可以采用小組討論的方式，課前下發(fā)任務，課上討論，小組成員發(fā)言、互相點評等，引導學生積極參與、思考，同時激發(fā)學生對“控制工程基礎”課程的學習興趣，將專業(yè)知識結合具體的工程應用，把價值觀融入其中。將MATLAB及Simulink仿真軟件應用到課堂教學中，改變傳統(tǒng)的理論講解、手工繪圖的教學模式，簡化公式的推導和概念的敘述，增強教學生動性和直觀性，有利于加深學生對所學知識的理解[8]。例如，對于奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)這一知識點，利用計算機繪圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工繪制奈奎斯特圖，一方面提高圖像的精確性，另一方面降低學習難度，增加學習的趣味性，利用圖像分析穩(wěn)定性，加深學生對知識點的掌握。

2）教學過程中發(fā)揮教師的主導作用和學生積極參與的能動性。課程教學中需要增加實踐教學環(huán)節(jié)，理論教學可以采用不同的形式增加考核權重，如作業(yè)、討論、情景劇等。在教學過程中，通過課程網絡平臺上學生學習軌跡、課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)效果等大數(shù)據(jù)，密切關注學生的學習狀態(tài)，適時引導督促。

教學思路分為課前準備、課中線下教學和課后提升，分別如圖1、圖2、圖3所示。

3）優(yōu)化實踐教學。實踐教學是本課程必不可少的環(huán)節(jié)，是對理論知識的有益補充，也是提高學生興趣、主動性的方法。傳統(tǒng)的“控制工程基礎”課程的實驗都是采用試驗箱進行相應的驗證實驗，內容陳舊、單一，與工程實際脫節(jié)。同時實驗設備少，通常3～4人一組，學生得不到充分的實操機會，給了不主動學習、不積極做實驗的學生偷懶的借口。

采用虛擬仿真實驗室，學生自主性將增加，靈活性將增強，從而提高教學效果。例如穩(wěn)定性分析，學生可以自己設計系統(tǒng)，輸入傳遞函數(shù)，利用不同的方法判斷穩(wěn)定性，而且還可以對比每一種方法的優(yōu)缺點，對該知識點進一步認識?；蛘咴诓粩喔淖儌鬟f函數(shù)參數(shù)時進行仿真，對比仿真結果。再比如針對典型信號時域響應，教師僅給出實驗目的和原理，學生可以根據(jù)自己設定的系統(tǒng)采用MATLAB或者Simulink進行仿真，還可以直觀地看仿真動畫，直觀地理解實驗原理。

4）考核可以采用期末考試和項目考核結合的形式，強調過程性考核，降低期末考試的比重。項目的內容包括：①列舉工程簡單實例；②通過分析畫出系統(tǒng)方框圖；③分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性等達到綜合運用知識的能力。以學生為主體，采用引入問題、分析問題、解決問題的方式，激發(fā)學生自主學習動力，鼓勵學生討論、合作、設計研究等。4～5人為一個小組，教師將項目實踐的任務、資料下發(fā)給學生，各小組設定好題目，組員之間分工合作。學生依據(jù)任務書查閱相關資料，撰寫資料總結體會。教師向學生提出一些可能出現(xiàn)的問題或者思路方案。依據(jù)方案，學生進行相應的設備選型和設計，選擇合理的控制方法。搭建控制系統(tǒng)，然后編程實現(xiàn)相應的功能。學生根據(jù)項目題目及課程進度，按時完成資料查閱以及系統(tǒng)設計、建模、分析等工作，掌握有關工程設計文件的編寫方法等，為今后能夠獨立進行某些控制工程的開發(fā)建設及工作打下一定的基礎[9]。這一過程既鍛煉學生的實踐能力，又培育學生的團隊協(xié)作精神。

5）建立信息反饋平臺。從控制論來說，理想的狀態(tài)應該要有一個信息反饋的過程。為了達到理想的教學效果，教師采用QQ、微信、超星討論區(qū)等多種方式有效地與學生進行交流，根據(jù)學生反饋的信息及時調整教學進度和方法，教師和學生緊緊地聯(lián)系一起。

2.3 在課程中融入思政元素

2019年8 月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)了《關于深化新時代學校思想政治理論課改革創(chuàng)新的若干意見》，提出深度挖掘高校各學科門類專業(yè)課程蘊含的思想政治教育資源，解決好各類課程與思政課相互配合的問題，發(fā)揮所有課程的育人功能，構建全面覆蓋、類型豐富、層次遞進、相互支撐的課程體系，使各類課程與思政課同向同行，形成協(xié)同效應[10]。所有高校、教師及課程都需要承擔起育人的責任。為了更好地結合課程的特點，深入巧妙地挖掘思政案例，將思政元素融入課程教學中，達到潤物無聲的育人效果[11]，十分有必要挖掘“控制工程基礎”課程蘊含的思想政治教育資源[12]，部分內容如表1所示。

表1 “控制工程基礎”課程蘊含的思想政治教育資源

教師通過扮演指導者的角色，引領學習者在問題的解決過程中對學習內容進行更深層次的理解與掌握，梳理課程的知識體系，拓展學生知識面，培養(yǎng)學生自主學習、終身學習的能力。

2.4 與不同課程融合教學

機電類專業(yè)課程之間存在知識的交叉和重復，單一課程的講解造成專業(yè)技能沒有系統(tǒng)化。任課教師獨立授課、自成體系，導致學生學到的是一個個獨立的知識點，缺乏全局及聯(lián)系的觀念，從而難以勝任工作崗位。

廈門工學院機械電子專業(yè)中控制類課程如“工業(yè)機器人”“機電傳動與控制”等，是本專業(yè)的主干課程，且都是以工程機器為研究對象，依據(jù)控制工程的原理和手段進行不同方式的控制。因此，這些課程在控制工程基礎的理論、系統(tǒng)的分析方法、控制思路和方案上存在一定的相似性，在不同課程的教學中可以相互融會貫通[13]。

工業(yè)機器人是一個非常復雜的非線性控制系統(tǒng)，如何對機器人實施快速、準確控制是機器人技術中的主要問題，也是核心問題[14]。以工業(yè)機器人中單關節(jié)機器人的位置控制為例，機器人的運動設計包括運動軌跡設計、數(shù)學模型建立、選取控制方法、建立仿真模型并進行仿真。

1）首先上課前先布置任務，預先規(guī)劃好機器人行走路線，讓學生查閱相關機器人的一些基本知識。

2）建立機器人數(shù)學模型，包括機器人的單桿、直流電機和減速器的數(shù)學模型，在此基礎上利用MATLAB或Simulink建立機器人的仿真模型。

3）設計控制器，結合“控制工程基礎”課程選擇簡單的控制方法PID控制，這一部分詳細介紹PID控制原理、特性、優(yōu)缺點。利用MATLAB對機器人控制效果進行綜合評價。在這個過程中，詳細講述機器人系統(tǒng)的特性，包括系統(tǒng)的平穩(wěn)性、快速性、魯棒性等知識點。通過這樣的實施過程，學生了解了機器人，同時又掌握了相應的控制工程的課程知識點，提高了學習的興趣。

3 教學總結

“控制工程基礎”課程教學過程中通過線上線下結合、項目式教學、翻轉課堂等創(chuàng)新的教學方式，將思政元素融于專業(yè)課程之中，取得了良好的教學效果，學生實現(xiàn)了從被動接受到主動學習的轉變。但是在教學具體實施過程中也還存在一些問題：1）有些工程實例涉及的知識面很廣，不適合目前學生的知識水平。2）在講解過程中有些內容還做不到巧妙引入思政元素，或者做不到層層深入、環(huán)環(huán)相扣，引發(fā)學生深入思考。這些內容在之后的課程教學中需要不斷整理和改進。