“控制工程基礎”教學改革與實踐

王蕊

摘要：“控制工程基礎”是機電類專業重要的基礎課程。在分析課程特點和教學現狀的基礎上，結合自身教學體會，提出教學改革的目標和具體的教學改革措施。教學實踐證明，改革取得了一定的成效，可以更好地提高學生學習的積極性和工程實踐能力，為提高教學質量提供了新思路。

關鍵詞：“控制工程基礎”；教學改革；MATLAB；工程實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）28-0120-02

一、引言

“控制工程基礎”課程是機電類專業學生的一門重要學科基礎課。課程在大三第一學期開設，是學生最先學習的控制類基礎課程，在整個課程體系中起著承上啟下的重要作用。該課程學時少，一般只安排40或48學時，內容抽象，理論性較強，內容比較抽象，涉及數學、物理、電工、機械等大一、大二所學的多門學科知識。學生要通過對“控制工程基礎”這門課程的學習綜合運用所學的上述知識，建立系統的概念，學會系統分析和設計的方法，為將來解決控制工程的實際問題打下基礎[1]。由于此課程的性質，導致教師難教，學生難學，學生對控制理論知識難以理解和吸收，學習的主動性不高且不重視，更不用提用所學知識去分析和解決工程實際問題了，從而嚴重影響了教學質量，難以滿足應用型人才的培養目標。因此，對《控制工程基礎》課程進行適當的教學改革，對于提高教學質量和學習效率，幫助學生建立完整的知識體系鏈具有重要的意義。

二、教學目標

作為應用型本科院校，根據專業定位和學生的實際情況，《控制工程基礎》課程教學要夯實基礎知識，增加實踐環節，突出應用性和工程性，實現“內容實用、效果好”的教學改革目標。因為該課程涉及多學科的知識，教學內容要進行優化和整合，對教學過程中遇到的其他學科的知識隨時補充，做到與課程內容恰當融合，但只要求學生聽懂和會應用，不做重點講解。

三、教學改革措施

1.舉實例，教學要理論聯系實際。《控制工程基礎》研究的是從工程實際中抽象出來的控制系統的共性問題，所包含的信息量大，更新和發展得比較快，具有一定的深度和難度。學生因缺乏對實際控制系統的感性認識，感到學習的內容比較抽象，不容易理解，影響學習效果，所以在教學過程中要重視理論和實際相結合。例如，講第一章緒論部分時，可以從工農業生產、交通運輸、國防建設和航空航天多個領域列舉實例說明自動控制技術應用廣泛；講反饋控制時，可以結合生產過程的實例，如加熱爐恒溫自動控制系統、液壓板控制系統、水箱液位自動控制系統，講透工作原理，讓學生直觀地了解控制在實際中的明確應用，這樣教學內容更加豐富、生動，學生學習目的明確，很感興趣，學習積極性很高，從而促進教學效果。

2.抓主線，運用知識導圖理清思路。《控制工程基礎》主要是圍繞系統及其輸入、輸出三者之間的動態關系來講的[2]，知識結構分為系統建模、系統分析和系統校正三大部分。其中，系統分析是核心，主要有時域法、頻域法和圖示法，這些方法從不同的角度分析同一個系統。學習中整體把握知識體系，抓住課程主線，該課程的體系邏輯關系就會顯得很清晰。為此，將該課程的相關知識制成了圖1所示的知識導圖，在學習每章內容前展示給學生，使他們對課程的知識結構有清晰的認識，按照“總體—局部—總體”的結構，做到前后知識的融會貫通，避免知識點的零散。

3.簡化推導，MATLAB引入課堂教學。MATLAB是美國MathWorks公司于1982年開發的大型高性能的數值計算和可視化數學軟件，它集科學計算、編程、可視化的用戶界面于一身，帶有強大的特殊功能的工具箱，被廣泛地應用于科學計算、控制系統、信號處理等領域的分析、仿真和設計中[3]。

《控制工程基礎》課程數學公式推導多，繪圖量大，難以在有限的課時內進行內容的擴展，因此將MATLAB軟件引入課堂教學，尤其是MATLAB中含有豐富的專門用于控制系統分析和設計的函數，可以簡化公式的推導，減少空洞的理論講解，增強教學的直觀性和生動性，學生更容易理解和掌握，實用性更強。例如，在系統時域分析部分介紹二階系統在欠阻尼狀態的性能指標時，可以利用MATLAB提供的LTI Viewer圖形界面工具快速繪出控制系統G（s）=（其中，阻尼比為0.6，無阻尼固有圓頻率為4rad/s）的時域分析曲線。

>>num=[16]；den=[1 4.8 16]；

>>sys=tf（num，den）； %輸入系統的數學模型

>>ltiview %啟用LTI Viewer

啟用LTI Viewer后，單擊“File”菜單，選擇“Import”選項，彈出輸入系統數據對話框，將系統模型sys導入到LTI Viewer，繪出系統的單位階躍響應，LTI Viewer現場菜單具有豐富的系統分析功能，選擇【Characteristics】可對不同類型的響應曲線標出特征值，如標出峰值時間、超調量、上升時間、調節時間等，可以直接利用MATLAB對系統時間響應曲線進行分析，很方便、快捷，可使學生加深對理論的理解，增強理論的可信性，對系統分析和繪圖不再畏懼，可以起到事半功倍的教學效果。

4.實踐環節注重應用能力的培養。《控制工程基礎》課程具有較強的應用性和實踐性，實踐環節是對課堂理論教學的補充和深化，使學生將所學的理論知識靈活應用到工程實際中，培養解決實際問題和創新的能力[4]，符合應用型人才的培養目標。

傳統的課內實驗以驗證型實驗為主，讓學生按實驗指導書搭建電路模擬典型環節（或系統）進行響應測試，研究參數變化對環節（或系統）性能的影響，并與MATLAB仿真結果比較，弱化了學生的參與性和動手能力。教學改革后，除了常規的驗證型實驗外，新增3學時的設計型和綜合型實驗，實驗室提供一些機械系統和電氣系統元部件，讓學生利用MATLAB開放式環境，自主設計控制模型和算法，再借助實驗設備進行系統搭建和測試，強化MATLAB仿真與具體物理系統的聯系，培養學生系統分析和設計能力。同時，鼓勵學生積極參與“大學生創新創業訓練計劃項目”、“學生研究計劃”（簡稱SRP）等科研項目和科技創新比賽，將所學的理論知識轉化為實際工程應用。這些項目融合了控制工程中的數學建模、時域分析和PID校正等知識，學生在“做中學”，培養其創新和實踐應用能力。另外，項目教學也對教師的業務水平提出了更高的要求，要具有較強的工程實踐經驗，才能更好地處理和解決遇到的新問題。

5.課程考核手段的多元化。為了使課程成績能科學、合理地反映學生的學習過程和效果，轉變學生考前“臨時抱佛腳”的應試心理，將課程考核分為平時成績、實驗報告、期中考試、期末考試等多個方面。其中，平時成績占總分的10%，包括出勤率、回答問題、作業完成情況等，反映了學生平時的學習態度；實驗成績占總分的10%，根據實驗考勤、實驗表現、實驗報告數據處理情況和實驗設計的合理性、創新性等方面評定；期中考試成績占總分的20%，檢驗學生平時學習的成效；期末考試成績占總分的60%，試題以主觀分析應用型題目為主，考核學生對控制理論的掌握和綜合應用能力。

四、總結

隨著自動控制技術的快速發展和廣泛應用，《控制工程基礎》課程的教學改革也要與時俱進，適應當今社會對人才培養的新要求。通過積極引入先進的理論知識和教學方法，結合豐富的實例，充實并深化教學內容，注重對學生工程實踐能力的培養，才能切實提高教學質量。

參考文獻：

[1]王芳.“機械控制工程基礎”課程教學改革探討[J].西安航空技術高等專科學校學報，2008，26（5）：76-77，80.

[2]董玉紅，徐莉萍.機械控制工程基礎[M].第2版.北京：機械工業出版社，2013.

[3]薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2006.

[4]袁明新，王琪，洪磊，張鵬，申燚.機械控制工程中案例化教學的改革及實踐[J].當代教育理論與實踐，2012，4（5）：137-139.