應用型本科控制工程基礎教學改革探討

邱鵬飛

【摘 要】應用型本科機械類專業培養計劃中，控制工程基礎是一門重要的專業基礎必修課。本文分析了該課程的特點，目前存在的一些問題，總結了目前各高校針對控制工程基礎課程教學改革的一些方法，最后提出了基于工程案例倒推法，引導學生通過自主學習解決問題所需要的經典控制理論知識。

【關鍵詞】應用型；控制工程基礎；工程案例

中圖分類號： TP13-4；G642 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0094-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.039

0 引言

高等教育在中國已經得到了普及，各個學校都有自身的發展定位，比如學術研究型大學、應用技術型大學。越來越多的高校將自身定位在應用型技術大學，據統計，目前全國有超過300所應用技術型大學。各地也相繼成立了很多聯盟，如61所高校成立的應用技術大學（學院）聯盟，各省（地區）也成立了省應用型高校聯盟，如四川、安徽、長三角地區、浙江、湖北等聯盟，越來越多的本科院校正在積極加入應用型本科行列。

《控制工程基礎》是機械類專業重要核心課程，而機械類專業人才培養在智能制造領域顯得尤為重要，自中國提出智能制造2025計劃，智能制造已上升到國家發展戰略，人才緊缺，各大應用型技術大學也在加快轉型升級，凸顯應用特色。如何將該課程講好，提升學生工程能力及素養成為應用型大學機械類專業的重要組成部分。

1 控制工程基礎課程的特點

目前全國高校機械類專業都開設了《控制工程基礎》或《自動控制原理》，一般作為專業必修課開設。課程要求學生掌握控制系統數學模型的建立，能夠求解系統的傳遞函數，能夠對線性系統進行時域分析、頻域分析及其軌跡描述、能夠判斷系統穩定性及非穩定系統校正。目前應用型高校普遍安排48學時或更少的32學時，學生在這么短的時間，要完成這樣具有大量計算、大量分析、邏輯性很強、前后課程關聯度很大的教學內容，實屬不易。

目前國內很多高校教師進行了《控制工程基礎》教學改革，比如大連民族大學的邵強[1]提出實踐教學方面加大實驗設計，提高實驗綜合型，采用Matlab軟件進行仿真，加強學生感官認識。

2 教學過程一些問題

（1）過多強調基礎知識。目前很多高校控制工程基礎都把現代控制理論部分刪除，也把經典控制理論中非線性系統內容刪除，仍存在課時不足的情況，剩下內容中要把系統數學模型建立，求解系統傳遞函數，進一步進行時域分析、頻域分析、穩定性分析等這些基礎知識講解清楚需要大量學時，然后繼續把根軌跡和線性系統校正刪除才勉強能夠完成該課程。授課教師（含實驗教師）對知識詳細講解，學生被動的學，被動的完成仿真實驗檢測結果，一有問題就問老師，對授課教師依賴性很強，教師難以引導學生主動學習，主動思考。

（2）過多強調解題。國內有不少的論文基于教學研究，提出更簡單、更方便或更系統的方法梳理知識，解決題目。出發點仍然在題目上，如安陽工學院宋強[2]提出應用計算機檢索法和分叉法解決梅遜公式求解復查系統，中國石油大學李春明詳細研究了系統方框圖的相加點與分支點的互換方法用以解決結構圖化簡求系統傳遞函數。老師備課也非常辛苦，特別是一些年輕老師，課前精心準備的推導過程及講解過程，課堂上講給學生，往往結果是老師滿頭大汗，學生無動于衷，能跟上老師進度的學生不多。站在學生角度，學生不知道學了這么多知識如何應用，換個參數往往就不會了。另一方面考核方式仍然以閉卷為主，需要學生去記去背大量公式，否則無法做出考題，很多學生只是機械的記住這些公式例題然后去套用，稍作改動就解不出題，造成卷面不及格率偏高多次重修后仍難以通過。

（3）實驗教學仍然以Matlab仿真為主。目前大部分實驗指導書中仿真實驗多為驗證行，可變化的參數很少，學生按照例題模板改變部分參數觀察系統輸出圖形變化，以此來驗證理論學習過程中畫出的各種結果，如根軌跡，伯德圖，奈奎斯特曲線等，學生一直處于被動學習，沒有工程意識，實驗效果不好。

3 國內外關于控制工程基礎教改的措施

（1）重視學生學習效果。南陽理工學院何一文[3]提出重視緒論學習，激發學習興趣，適當補習部分基礎理論知識，注重理解與應用，適當減少公式推演，精選工程案例，貫穿于課程教學的始終。將工程實際中簡化而來的小型系統案例雷達天線伺服控制系統貫穿于課程教學的始終，這樣便于學生理解各章節內容在該工程實例中的作用，有了具體的工程案例，可以提高學生求知欲望，進而探究解決問題的方法。廣東科技學院趙楊[4]通過貫徹主動學習教學策略，幫助學生更好地理解課程內容。上海理工大學景大雷[5]建議教師可以充分鼓勵和指導學生參加相關的機電產品創新大賽等活動，通過參加學科類競賽等相關活動讓學生檢驗自己的學習成果，培養自己利用所學知識解決實際問題的能力；另一方面還可以培養學習的積極性和主動性，增強學生學習的自信心和成就感。

（2）重視工程案例教學。重慶科技學院蘇盈盈[6]圍繞已找到的實際控制問題，反復推敲，建立符合教學時間、教學規范的案例庫。通過這些案例，學生能夠在實際問題中掌握各個知識點，快速地舉一反三，推廣理論的應用價值。南華大學鄧攀[7]將微課與“交互式教學”“范例教學”“小組合作學習”等多種教學模式相結合，進行多種教學模式試驗，并對教學效果進行評價，找出最優化的教學模式。石河子大學趙咪[8]建議教學過程中積極開展開放性實驗，加強實踐環節，提高工程應用能力。

近年來國際工程教育提出統籌構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）的CDIO工程教育模式。它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。強調工程基礎的、真實產品、真實系統的構思-設計-實現-運行（CDIO）過程。國外經典教材《自動控制原理與設計》很好的體現了這一思想，如以汽車巡航控制模型為導入，研究系統微分方程，求解系統傳遞函數。將理論和工程實際相結合，容易激起學生的學習興趣，提高課堂教學效率。

（3）重視利用微信、微課、慕課、翻轉課堂等現代化教學手段豐富教學。華北電力大學袁桂麗[8]開發了基于微信平臺的輔助教學，她認為該模式不僅能夠彌補傳統課堂教學"網絡教學的不足，打破課堂教學的時空限制和原有網絡教學的局限性，還在此基礎上豐富了教學手段，增加了學習趣味，這一輔助教學不僅僅變革了教學形式，還改變了教學理念，使灌輸式學習變革為交互式學習，同時，更加注重學生的學習質量學習體驗，它進一步推動了教育信息化的發展，完善了教學內容。東北大學王海芳[9]應用慕課嘗試對該課程進行了互聯網+的教學模式的教學改革探索。中國礦業大學李中凱[10]將雙語教學和翻轉課堂模式引入控制工程基礎的教學過程，探討教學方法并分析實踐結果。

4 教學改革的一些建議

如果能夠找到一些機械工程實際案例，最好是學生專業領域常見的案例，針對這個控制系統，先建立系統數學模型，然后在此基礎上對系統的時域分析、穩定性分析、頻域分析、誤差分析展開討論和實例分析與設計，最后對系統整體性能進行校正分析，校正后再驗證，不斷優化，最終得到一個穩定的、快速的、準確的控制系統。整個過程是逐步推進的，強調提出問題—分析問題—解決問題的思路，并在這個過程中將理論知識、實際應用緊密聯系并達到連貫。這個過程最重要的是思想理念的轉變，讓學生先做，遇到問題，然后去學習解決該問題的知識點，去尋找解決該問題的方法。簡單來講就是解決問題過程中不斷完善學科知識，真正做到學以致用。

舉個例子，以倒立擺系統作為研究對象，或者Segway代步車這類使用反饋控制系統保持直立的案例。我們都知道倒立擺是一個不穩定系統，把解決這個問題分為兩個步驟，第一步先驗證倒立擺是一個不穩定系統，我們可以先建立倒立擺的運動微分方程，對微分方程求解拉普拉斯變換，求解系統的傳遞函數，也可以通過運動微分方程建立結構圖，然后利用結構圖化簡或梅遜公式求解系統的傳遞函數。經典控制理論里面系統穩定性有三種方法，可以分組讓每組學生使用一種方法進行穩定性分析，學生通過這個過程學會了如何科學驗證倒立擺系統的不穩定性。第二步要進行校正，如何讓系統達到穩定，讓學生去尋找能夠讓系統穩定的方法，比如PID調節能夠達到理想的校正效果。

再例如多搜集一些這樣的案例，進行分類整理，挑選幾個能夠把相關知識點都用到的案例作為必修內容，留一些案例作為學生最終大作業，甚至可以以大作業的形式作為學生最終的成績。也可以鼓勵學生積極參加如機械創新大賽、機器人比賽等眾多賽事，以比賽的實物作為研究對象，如何讓該系統穩定、快速、準確的執行任務，最終寫成學習報告進行匯報交流。

5 小結

本文分析了目前應用型技術大學機械類專業控制工程基礎教學特點和現狀，通過將多個工程實際應用問題，引導學生去解決這些工程問題。以倒推的方式，解決問題需要用到什么知識點或方法再去學什么知識點或方法。培養學生工程應用意識，用真實的工程問題來檢驗學生的實踐能力和創新能力。

【參考文獻】

[1]邵強，葛平舒，等.《控制工程基礎》課程的教學改革與探索[J].高教學刊2017（03）.

[2]宋強.師會超.“控制工程基礎”課程中梅遜增益公式的應用技巧[J].安陽工學院學報，2016（03）.

[3]何一文.李珍.等.機械工程控制基礎課程建設與教學改革探索[J]南陽師范學院學報，2016（06）.

[4]趙楊.主動學習教學策略在控制工程基礎課程教學中的應用[J].大學教育，2017（07）.

[5]景大雷.機械控制工程基礎課程教學初探[J].科教導刊，2016（05）.

[6]蘇盈盈.案例式教學模式下卓越工程師人才培培養改革探索[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2017（02）.

[7]鄧攀.等.獨立學院自動控制原理課程的微課開發與應用[J].中國現代教育裝備，2017（05）.

[8]袁桂麗.王寶源等.基于微信平臺的自動控制原理輔助教學改革[J].教育教學論壇，2017（02）.

[9]王海芳，褚天爭.基于慕課的機械控制工程基礎課程改革探索[J].江蘇科技信息，2017（10）.

[10]李中凱，侯昆峰.控制工程基礎的翻轉課堂雙語教學改革實踐[J].教育教學論壇，2016（12）.