應(yīng)用型本科“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革與實踐

摘 要 傳統(tǒng)教學(xué)方法存在以下的缺陷：理論與工程實際應(yīng)用結(jié)合不緊密，無法更好地培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力，未能體現(xiàn)桂林信息科技學(xué)院培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的辦學(xué)目標與宗旨。為了解決以上問題，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習、解決問題，以及終身學(xué)習的能力，文章首先詮釋了應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標，介紹了“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)現(xiàn)狀，然后提出課程教學(xué)改革與實踐的路徑與主要舉措：優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)、改進教學(xué)方法、跨學(xué)科深度融合教學(xué)等，最后總結(jié)了實施教學(xué)改革后，學(xué)生學(xué)習的變化以及教師需要繼續(xù)改進的方面。

關(guān)鍵詞 應(yīng)用型本科；控制工程；教學(xué)改革；教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.21.043

Teaching Reform and Practice of the "Fundamentals of Control Engineering" Course in Applied Undergraduate Education

Abstract The traditional teaching methods have the following shortcomings： the combination of theory and practical engineering application is not closely integrated， which cannot better cultivate students' practical and hands-on abilities， and fails to reflect the educational goals and objectives of Guilin University of Information Science and Technology in cultivating high-quality applied talents. In order to address the above issues and cultivate students' abilities for self-directed learning， problem-solving， and lifelong learning， the article first explains the goals of cultivating applied talents， introduces the current teaching status of the "Fundamentals of Control Engineering" course， and then proposes the path and main measures for curriculum teaching reform and practice： optimizing network resource construction， improving teaching methods， interdisciplinary deep integration teaching， etc. Finally， it summarizes the changes in students' learning after implementing teaching reform and the areas that teachers need to continue to improve.

Keywords applied undergraduate program; control engineering; teaching reform; instructional design

2014年3月，中國教育部改革方向已明確，全國1200所普通本科高等院校，將有600所逐步向應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)轉(zhuǎn)變。這為桂林信息科技學(xué)院開展教學(xué)改革與實踐指明了方向[1]。桂林信息科技學(xué)院辦學(xué)定位為“知原理，懂技術(shù)，善操作，會應(yīng)用”的應(yīng)用技術(shù)型本科院校。應(yīng)用技術(shù)型本科（以下簡稱應(yīng)用型本科）區(qū)別于學(xué)術(shù)型本科，更強調(diào)動手能力與創(chuàng)新能力，其課程設(shè)計注重學(xué)生自學(xué)、創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)，目的是培養(yǎng)本科生的實踐能力和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生的就業(yè)競爭力[2]。學(xué)院需要從課程體系構(gòu)建入手，強化教學(xué)改革與實踐工作，例如，優(yōu)化課程網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)、教學(xué)模式更多樣化、與不同課程深度融合教學(xué)，堅持以學(xué)生為本的理念，構(gòu)建更加完善的課程體系，為學(xué)生就業(yè)和地方行業(yè)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)[3]。

1 “控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“控制工程基礎(chǔ)”為機電工程學(xué)院部分專業(yè)，如，電氣工程及其自動化、智能制造、新能源等專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，受眾面廣。目前該課程的理論課時為40課時，主要講解經(jīng)典控制理論的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，例如RLC二階振蕩環(huán)節(jié)、RC一階慣性環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、時域瞬態(tài)響應(yīng)分析，分析延遲時間、上升時間、峰值時間，控制系統(tǒng)的頻率特性等。學(xué)院使用的教材為2022年清華大學(xué)出版的《控制工程基礎(chǔ)（第5版）》，其第8章為根軌跡法，為了適應(yīng)學(xué)校的教學(xué)定位，團隊教師重新梳理了教學(xué)內(nèi)容和授課順序。首先從定性上描述自動控制的基本概念，了解什么是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性以及快速性。其次定量分析，建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。然后具體到分析方法，比如時域分析、頻率分析，將原本的第8章根軌跡放到線性系統(tǒng)分析方法中，最后是校正環(huán)節(jié)。學(xué)術(shù)型本科“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)，重點強調(diào)數(shù)學(xué)能力的應(yīng)用，即建立數(shù)學(xué)模型，對數(shù)學(xué)模型進行求解[4]。應(yīng)用型本科，該門課主要培養(yǎng)學(xué)生分析工程實例，利用理論知識分析解決工程實際問題的能力。該課程理論性強，對高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、電路等知識要求高，同時還需一定的Matlab編程以及Simulink仿真能力。若采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，教師缺乏與學(xué)生的課外交流溝通，忽略學(xué)生的學(xué)習體驗，學(xué)生學(xué)習動力欠缺，教師教學(xué)重理論，缺少工程應(yīng)用，一定程度上與學(xué)生的就業(yè)方向相偏離。

2 課程教學(xué)改革與實踐路徑

“控制工程基礎(chǔ)”在堅持立德樹人的基礎(chǔ)上，以O(shè)BE教學(xué)理念為導(dǎo)向，培養(yǎng)機電工程應(yīng)用型人才，使學(xué)生達到知識、能力和素質(zhì)三個目標。知識上，掌握時域分析、頻率域分析、控制系統(tǒng)的綜合和校正等。真正會運用控制思想對機電產(chǎn)品進行控制系統(tǒng)設(shè)計中的軟、硬件設(shè)計、例如與單片機結(jié)合，對恒溫箱進行溫度控制，與PLC中結(jié)合，對AI人工智能等前沿科技進階探索。能力上，分別是綜合分析與實踐應(yīng)用能力。在綜合分析能力上具備獨立分析自動化控制項目的可行性方案論證、具體實現(xiàn)方法的綜合分析設(shè)計能力。在實踐應(yīng)用能力上具備機械結(jié)構(gòu)、軟件調(diào)試、自動化控制等工業(yè)系統(tǒng)化項目的具體實施能力，面向企業(yè)，達到工程應(yīng)用型人才標準。素質(zhì)上，通過教學(xué)改革與實踐，形成自主學(xué)習、探究學(xué)習與終身學(xué)習的專業(yè)能力。課程改革與實踐包含以下幾個方面。

2.1 重新梳理課程內(nèi)容，優(yōu)化課程網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)

根據(jù)電氣專業(yè)課程教學(xué)大綱的要求，課程的最終任務(wù)目標是培養(yǎng)具有探究能力、設(shè)計能力、動手實踐能力、創(chuàng)新思維的復(fù)合型、應(yīng)用型人才。為此，教師團隊首先以O(shè)BE為導(dǎo)向，結(jié)合理論，融入仿真、動畫，打造了線上豐富的教學(xué)資源。含原創(chuàng)課件、微課、動畫等，同時分享網(wǎng)絡(luò)優(yōu)秀資源，擴大學(xué)生課外閱讀認知，激發(fā)學(xué)生學(xué)習動力，培養(yǎng)專業(yè)興趣。通過線上拋出的具體項目案例為驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生課外自學(xué)探究，加強課外實踐能力的養(yǎng)成。線下教學(xué)則引入現(xiàn)代仿真教學(xué)軟件，根據(jù)本課程重難點，結(jié)合學(xué)科前沿動態(tài)設(shè)計創(chuàng)新課題，學(xué)生分組討論方案，并在課堂通過現(xiàn)場搭建電路、設(shè)計程序、設(shè)置故障、驗證方案正確性等方式，打造工程設(shè)計情境，教師全程管控指導(dǎo)，使學(xué)生能夠積極參與其中，實現(xiàn)師生互動、生生互動的良好氛圍?；贠BE理念的線上案例名稱為自適應(yīng)定速巡航系統(tǒng)設(shè)計，涉及的課程有“控制工程基礎(chǔ)”“C語言程序設(shè)計”“單片機原理與接口技術(shù)”，具體章節(jié)內(nèi)容分別為：“控制工程基礎(chǔ)”第7章系統(tǒng)的誤差分析和校正，“C語言程序設(shè)計”第4章和第5章賦值、循環(huán)、判斷等語句，“單片機原理與接口技術(shù)”第6章定時器中斷、PWM、時間計時。在線上仿真過程中可清楚看到定速過程中有誤差，盡可能使誤差趨于無窮小，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的工程素養(yǎng)。學(xué)生在線下練習儀表風扇的穩(wěn)速控制，教師在第三課堂指導(dǎo)學(xué)生制作該系統(tǒng)實物。

2.2 改進教學(xué)方法和手段，采用多元化的教學(xué)模式，做好每一節(jié)課的教學(xué)設(shè)計

傳統(tǒng)教師上完課就離開課堂，課余時間教師無法及時輔導(dǎo)答疑，授課以書本理論知識為主，缺乏理論與工程應(yīng)用實際相結(jié)合，教師未能設(shè)身處地地與學(xué)生換位思考，使師生之間的溝通漸行漸遠。課題組精選教學(xué)方法，目前團隊教師多采用項目案例式教學(xué)以便理論聯(lián)系實際；探究式教學(xué)以便啟發(fā)學(xué)生思維；對比式教學(xué)以便學(xué)生前后融會貫通；線上線下混合式教學(xué)以便緊密師生聯(lián)系。教學(xué)設(shè)計應(yīng)該以學(xué)生為中心，圍繞著學(xué)生的需求、興趣和能力展開。圖1為控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)設(shè)計總體思路，首先，前課回顧，課堂前3到8分鐘，教師回顧上節(jié)課重難點知識，為后續(xù)講解奠定堅實基礎(chǔ)，其次，以實際的工程問題的結(jié)果為導(dǎo)向，提出本節(jié)課的問題，激發(fā)同學(xué)們的興趣，最后，實際解決工程問題，在解決工程問題同時做到新知識的鞏固、總結(jié)。

為提高學(xué)生課堂參與度，圍繞教學(xué)設(shè)計展開教學(xué)過程。教學(xué)過程遵循以下原則。課堂整體分為課前、課中、課后。課前，以解決問題即OBE理念為邏輯主線，對課堂進行整體設(shè)計；針對重點知識設(shè)計線上練習環(huán)節(jié)以及課堂檢測環(huán)節(jié)，需要當堂檢查學(xué)生的學(xué)習效果，計入平時成績，輔助提高到課率。課中，須重視隨堂練習環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)既能幫助學(xué)生以最佳的心態(tài)進入新的學(xué)習情境，又有利于學(xué)生“溫故而知新”，系統(tǒng)地理解知識，掌握新知識，實現(xiàn)舉一反三；線上測驗環(huán)節(jié)，充分利用教室的硬件與網(wǎng)絡(luò)資源條件，通過學(xué)練結(jié)合，讓學(xué)生對課堂講授知識及時鞏固輸出；隨時觀察學(xué)生學(xué)習狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)有理解困難或是課堂出“小差”情況，即興設(shè)計互動環(huán)節(jié)，例如通過隨機點名回答問題或是網(wǎng)絡(luò)彈幕答題方式來提高學(xué)生的注意力。課后，圍繞大學(xué)生的學(xué)科比賽，例如大學(xué)生工程訓(xùn)練大賽，數(shù)學(xué)建模大賽，電子設(shè)計大賽等，來設(shè)計工程應(yīng)用創(chuàng)新示例，如何在有限的40課時內(nèi)將學(xué)科比賽以及工程應(yīng)用納入教學(xué)設(shè)計？課程組在選修課課程活動實施方案中找到了解決方法。課程組教師同時承擔了學(xué)院選修課，32課時“Matlab程序設(shè)計與應(yīng)用”課程彌補了理論課上實踐性少的不足，在教學(xué)設(shè)計上，利用選修課，教師在第二課堂、第三課堂指導(dǎo)學(xué)生實踐和比賽，達到以賽促學(xué)，賽教融合，培養(yǎng)更多具有工程思維的應(yīng)用型人才。

2.3 與不同學(xué)科課程深度融合教學(xué)

專業(yè)課程之間知識點有交叉和重復(fù)是一個普遍存在的問題，這不僅限于某一學(xué)科或?qū)I(yè)，而是在多個學(xué)科和專業(yè)中都有所體現(xiàn)。而傳統(tǒng)的“孤立式”教學(xué)方式，教師只顧“單打獨斗”，未注重課程之間知識的聯(lián)系，不利于學(xué)生對知識體系的系統(tǒng)性把握[5]。

自動控制三要素中，快速性和準確性是工業(yè)機器人控制中的核心問題。以單軸機器人的位置控制為例，來進行詳細的教學(xué)融合與設(shè)計。首先教師布置預(yù)習任務(wù)，學(xué)生自主查閱機器人運動軌跡方面的基本知識，預(yù)先規(guī)劃好機器人的行走路線。其次，根據(jù)“控制工程基礎(chǔ)”第2章數(shù)學(xué)模型的建立，建立機器人數(shù)學(xué)模型，推倒其傳遞函數(shù)表達式。包含直流電機、減速器以及機器人的單桿，利用Simulink建立仿真模型。最后，根據(jù)“控制工程基礎(chǔ)”第6章內(nèi)容綜合與校正，設(shè)計PID控制器。詳細介紹PID控制原理、特性以及優(yōu)缺點，利用仿真效果來進行直觀的綜合評價，此過程體現(xiàn)了控制系統(tǒng)三大特性，即穩(wěn)定、準確、快速。通過數(shù)字融合與實踐，讓學(xué)生在了解機器人的同時，掌握控制工程相應(yīng)的知識點，從而促進學(xué)生對專業(yè)知識的系統(tǒng)性理解。

2.4 課程成績評定強調(diào)過程控制

控制工程基礎(chǔ)課程實施教學(xué)改革后，強化了過程控制，成績的評定采用考核和過程控制相結(jié)合，增加了對學(xué)生線上學(xué)習過程管理和評定比例，平時成績比例比改革前有所提高，由原本的30%，提高到50%。線上教學(xué)強調(diào)了作業(yè)環(huán)節(jié)、在線學(xué)習時長，以及討論環(huán)節(jié)等。對于參與線上討論學(xué)習和線上教學(xué)評價的學(xué)生，將根據(jù)其參與程度和貢獻給予相應(yīng)的評分?？己朔绞街鸩綇膫鹘y(tǒng)的筆試轉(zhuǎn)向結(jié)合仿真軟件進行的機試和筆試，并簡化煩瑣的計算環(huán)節(jié)。對于概念、名詞的理解，學(xué)生通過線上題庫完成考核，系統(tǒng)自動給出客觀題目的評分。在課程評價的標準上，定向追蹤到大四學(xué)生的畢設(shè)作品中，注重學(xué)習的最終效果。

3 教學(xué)改革總結(jié)

通過線上線下混合式教學(xué)、項目式教學(xué)以及學(xué)與練結(jié)合等創(chuàng)新教學(xué)方式，并引入學(xué)科比賽，“控制工程基礎(chǔ)”課程取得了較好的教學(xué)效果，教學(xué)質(zhì)量得到進一步提高。理論學(xué)習上，學(xué)生對基本知識點的掌握有了很大的進步，從線上單元的作業(yè)情況來看，平均良好率為38%，比教學(xué)改革前，提高了13個百分點，對于一些難點內(nèi)容，例如，控制系統(tǒng)的綜合與校正、系統(tǒng)奈奎斯特穩(wěn)定性判斷的掌握都有了不同程度的提高。實踐方面，學(xué)生通過使用Matlab，簡化了煩瑣的數(shù)學(xué)計算，能自主繪制系統(tǒng)的極坐標圖，并通過圖形判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。從學(xué)習時長上看，根據(jù)線上線下學(xué)習時間統(tǒng)計，課程改革前，學(xué)生平均學(xué)習時長為19個小時，課程改革后，學(xué)生平均時長增加了4.7個小時。學(xué)生實現(xiàn)了從被動學(xué)習到自主學(xué)習的轉(zhuǎn)變。但在教學(xué)實施過程中也存在一些問題，如，工業(yè)自動化中的工程實例涉及的知識面廣，不適合目前學(xué)生的知識水平；教師在講解時引入的工程實例，無法引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，這些問題需要在之后的課堂教學(xué)中通過不斷改革與實踐加以解決。

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