機械類本科生《控制工程基礎》課程中美教學情況對比及啟示

楊建華　劉后廣

摘要：《控制工程基礎》是機械類本科生的重要專業基礎課，其內容多、難度大。以中國礦業大學和美國密歇根大學（安娜堡）機械類本科生的授課為例，主要進行課程設置、教材選取、教學大綱、授課方式、實驗課、課外教學資源、作業情況、考核方式等方面的對比和分析，并給出教學啟發及改革建議，本建議對其他工科專業基礎課的教學改革也有一定參考價值。

關鍵詞：本科生教育；工科專業基礎課；中美；比較研究

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0038-03

高校工科專業基礎課是本科教學的重點內容，以多門先修基礎課為前提，因此對本科生難度較大，但專業基礎課是銜接基礎課和專業課的橋梁，其重要性不言而喻。以機械類專業《控制工程基礎》課程為例，先修課程包含《高等數學》、《工程力學》、《電工技術與電子技術》、《機械原理》等，其又是機電系統設計所有相關專業課的先修課程。本課程內容多且抽象難懂，本科生對本課程的知識掌握情況不理想，更難以做到學以致用。因此，有必要借鑒國外著名大學的先進教學經驗，對該課程的教學方法進行改革，提高教學效果，并對其他課程的教學改革提供一定參考價值。

中國礦業大學是我國典型的工科院校，密歇根大學（安娜堡）是世界著名的工科院校，《控制工程基礎》是工科本科生的重要專業基礎課，對這兩所學校的《控制工程基礎》課程教學進行對比和分析，具有一定的典型性和代表性。

一、課程內容對比

為描述的簡潔性，以下論述中將中國礦業大學簡稱為礦大，密歇根大學（安娜堡）簡稱為密大。

1.課程設置對比。礦大針對機械類本科生在大三上學期開設本門課程，課程名稱為《控制工程基礎》，總共48學時，3學分，其中講課42學時，實驗6學時。密大針對機械類本科生在大三下學期開設本門課程，課程名稱為《Modeling，Analysis，and Control of Dynamic Systems》，總共56學時，4學分，不含實驗課。就學時來講，密大本門課程的學時設置多于礦大。

2.教材對比。礦大教學大綱中給出了5本參考書[1-5]，上課使用的教材為清華大學董景新教授等編著的教材[1]，該書為16開本，437頁。密大教學大綱中給出了4本參考書[6-9]，上課使用的是羅德島大學William J.Palm III教授編著的教材[8]，該書為16開本，900頁。礦大使用的教材和密大使用的教材，分別為在中國和美國使用較為廣泛的教材。密大使用的教材，其內容明顯多于礦大使用的教材。值得一提的是，我國學生上課均有紙質版教材，密大學生上課均無教材，一般是授課教師講課，學生全程記筆記。美國大學生一般全額助學貸款，高額學費及昂貴的教材是美國學生不買教材的主要原因。礦大講課及考核主要以指定教材內容為主，補充的課外內容較少。密大授課除指定教材內容外，補充課外講義較多，補充的講義是教學大綱中規定的內容，在考核范圍內。

3.教學內容對比。密大教學大綱相比礦大教學大綱增加的內容包括：特征方程的根與方程解以及穩定性關系的系統講解，此部分內容相當于礦大機械振動基礎大綱中的第二章內容，放在此處銜接較好；對直流增益（DC gain）講解較多，礦大講解較少；增加了相空間法用于二階系統的分析，礦大大綱中為非授課內容；對于拉氏反變換求方程的解，密大都考慮非零初值問題求解，礦大教材中除個別例題外，在方程求解及后續穩定性問題研究中都默認為零初值求解；以麥克風為例，增加了機械系統和電學系統結合的專題講解；增加了使用Matlab求解問題的要求。密大教學大綱相比于礦大教學大綱減少的內容包括：密大教學大綱中不包含方塊圖的化簡問題，礦大教學大綱中此部分為重點內容；控制系統的穩定性判據中，密大教學大綱中不包含幾何判據；密大教學大綱中不包含系統穩定誤差分析；密大教學大綱中不包含根軌跡法進行系統分析；礦大教學大綱和密大教學大綱中共同的重點內容包括：動力學建模問題，傳遞函數，拉氏變化與拉氏反變換及其應用，系統方塊圖的建立，時域響應分析，頻域響應分析，穩定性分析，PID控制等。

4.實驗課。礦大安排3次實驗課，由學生動手操作。密大本門課程無操作性實驗課，要求學生能夠熟練使用Matlab解決相關問題建模及分析，我校所使用教材上也有Matlab的相關內容，但不要求學生學習和掌握該部分內容。

二、授課及考核方式對比

1.授課方式對比。礦大采用小班授課，授課班級大概60人左右，授課方式采用多媒體教學，上課以PPT演示為主，輔助以板書。密大在階梯教室采用大班授課，授課班級大概100人左右，授課方式以板書為主，輔助以多媒體。任課教師在平板電腦上板書，通過投影儀進行投影。礦大課堂討論環節稍少，且互動不夠積極。密大教學過程中教學討論環節較多，可以是學生之間相互討論、師生討論、學生和助教討論，其中助教起著很大的作用。礦大本門課程的任課教師平行上課，密大本門課程的任課教師上課時間不平行，可自由選擇時間，這既為學生到不同的授課班級聽課提供了可能，也方便不同授課教師之間相互交流和學習授課技巧。

2.課外教學資源對比。礦大課外教學資源較少，主要是來自愛課程網站的公共精品課程資源。資料共享平臺建設效果不佳，大部分情況下由學生們在考試前自己搜集一些相關的課外資料。密大的課外教學資源較多，學生在教務系統中可以查看本門課程的相關信息，下載作業答案，共享課程各種電子資源，還可以進行課程相關問題的討論。礦大的答疑一般安排在上課前后的時間和期末考試之前集中答疑。密大的答疑主要由助教協助進行，每周有固定的答疑時間和地點。

3.作業情況對比。礦大的作業一般由任課教師布置教材課后題，批改完后，根據課堂時間安排隨堂講解。不可否認，學生在作業方面存在彼此抄襲和抄襲參考答案的情況。密大布置作業次數為10次，包括教材課后題和課外其他題目。作業答案由教師將作業答案放到教務系統，學生自行下載查看。學生在做作業過程中，可以向任課教師請教，可以向助教請教，也可以同學間相互討論，但是絕不能相互抄襲，也不能抄襲以前學生的作業，每位同學必須根據理解寫出自己的答案。造成國內部分學生抄襲作業和國外學生獨立完成作業的本質原因：一是國內學生的自覺性比國外學生差，二是國內對作業沒有統一的考核標準，在國外抄襲作業沒有平時成績，會造成學生本門課程不及格，學生不會也不敢以身試法。國外對待作業的做法，有利于教師節省上課時間，教授更多的知識，能夠進一步增強學生的自主學習能力，增加學生上課收益。

4.考核方式對比。礦大的考核方式分為平時作業成績（10%），期中測驗（15%），實驗報告（15%），期末成績（60%）。其中，期中測驗部分一般安排為1學時（50分鐘）的隨堂考試，期末考試（100分鐘）在課程結束后兩周內進行，均采用正規試卷。密大的考核方式分為平時作業成績（15%），期中考試1（25%），期中考試2（25%），期末成績（35%）。期中考試1和期中考試2各2小時，均為正規考試。期末考試分為2次，每次2小時，一般兩次期末考試之間會間隔1天。期末考試安排在結課后的下一周進行。密大在以上考試之外，根據課程進展，還會安排若干次隨堂測試，一般是下課前20分鐘發題給學生做，下課時要求學生上交題目，既可以作為平時成績的參考，又可以了解學生對知識的掌握情況。

三、對工科專業基礎課教學的啟示

1.對《控制工程基礎》教學改革的啟示。保留本校課程教學中的優點，吸取密大教學中的可取之處：（1）教材建設，教材建設與教學內容優化一直是高校教學改革的重要方向。考慮到實際情況，不宜引入英文教材作為授課教材，可以將英文教材作為學生的課外讀物，以及教師備課的參考書。參考密大教材，引進一些優秀的例題，比如礦大使用的教材中關于動力學機電系統結合的例子。密大使用的教材中，多次出現機電系統的動力學模型，比如麥克風、振動傳感器等就是同時包含機械系統和電學系統的例子；密大教材還可以為礦大的期末試題庫更新提供參考。（2）教學內容改革，教學內容可稍作調整，對于大綱中難度過大的內容，比如穩定性幾何判據可不做或少做介紹，增加其他基礎內容的介紹，比如相空間法的介紹等。鑒于Matlab軟件的重要性，該軟件在《控制工程基礎》教學中的應用得到了越來越多高校的重視。該軟件簡單易學，無需安排學時講解該軟件，可由學生課下自學，如有條件，也可以開設Matlab相關的選修課。建議安排兩次Matlab上機，由任課教師給予輔導，并布置上機報告或增加Matlab求解本門課程的作業。一方面提高學生的實用能力，另一方面提高學生的學習興趣。（3）教學資源建設，建設更加豐富的課外教學資源，除使用網上的公共精品課程外，還應根據實際情況建設獨立的網絡教學資源，并進一步提高學院本科教學資源交流平臺的利用效果。在學院條件暫不允許的情況下，可以建設課程教學資源QQ群，提高師生資源共享，以及課外交流互動。提高助教在教學過程中的作用，除批改作業外，助教可參與指導課堂討論，參與課外教學資源建設，負責定時答疑和網絡答疑等。（4）授課及考核方式改革，講課中加強板書環節，尤其是一些重要公式的推導，板書環節能讓學生能更好地跟上講課思路。采用非平行式上課，為學生到不同授課班級聽課提供可能，也方便授課教師之間的授課經驗交流，有助于青年教師教學能力提升。統一作業題目，方便不同班級的學生交流，也方便課外教學資源平臺的建設。加強學生自覺性培養并制定平時作業的考核標準，從本質上杜絕學生抄襲作業，讓學生能夠主動思考，養成主動學習習慣，更好地理解和掌握課程內容。加強過程考核，提高考核過程的正規化和標準化，增加課堂隨堂測試，增加期中考試的次數，提高期中考試的成績比例等。

2.對其他工科專業基礎課教學改革的啟示。在其他的工科專業基礎課教學方面，也可以參考《控制工程基礎》的以上幾方面教學啟示并結合實際情況進行改革。引入國外優秀教材資源作為課外參考書，用于擴大學生們的知識面和更新試題庫；引入本門課程的相關軟件介紹，或者開設相關軟件應用的選修課，提高學生們的學習興趣和應用能力；建設更加豐富的課外教學資源和交流平臺，將學生的單獨學習，變為互動式學習；改革考核方式，加重過程考核，使考試成績更加反映學生的真實水平。

四、結束語

本研究以中國礦業大學和密歇根大學（安娜堡）機械類本科生專業基礎課《控制工程基礎》的教學情況為例，詳細對比了中美在專業基礎課方面教學的不同特點。在此基礎上，對國內機械類本科生專業基礎課《控制工程基礎》的教學改革提出了幾個明確的方向，同時對工科類其他專業基礎課的改革也提出了具有一定參考價值的建議。

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