專業(yè)認(rèn)證背景下的機(jī)械控制理論課程建設(shè)

張濤 牛金星 李恒燦 申杰

摘要：工程教育專業(yè)認(rèn)證是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)，機(jī)械控制理論課程對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)工程教育能力的提升具有重要作用。文章主要探索在工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，針對(duì)測(cè)控專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的要求，對(duì)機(jī)械控制理論的課程教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化和完善。為了提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，從教學(xué)理念體系、教學(xué)內(nèi)容方法和教學(xué)實(shí)踐三方面進(jìn)行研究，為高校控制類課程教學(xué)提供了思路。

關(guān)鍵詞：機(jī)械控制理論；工程教育專業(yè)認(rèn)證；測(cè)控技術(shù)與儀器；課程建設(shè)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）47-0066-02

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保證制度，是針對(duì)高等教育機(jī)構(gòu)，由專業(yè)性認(rèn)證機(jī)構(gòu)開設(shè)的職業(yè)性專業(yè)教育實(shí)施的專門性認(rèn)證，為相關(guān)人才進(jìn)入專門職業(yè)界從業(yè)的預(yù)備教育提供質(zhì)量保證[1]。《華盛頓協(xié)議》是普遍認(rèn)可的本科工程教育專業(yè)國際互認(rèn)協(xié)議，是工科畢業(yè)生職業(yè)能力國際公認(rèn)的權(quán)威要求[2]。我國在2013年6月正式加入了《華盛頓協(xié)議》，從而將我國工程教育水準(zhǔn)與國際工程教育水準(zhǔn)進(jìn)一步推近，提高了我國高等工程教育的教學(xué)質(zhì)量。因此，工程教育專業(yè)認(rèn)證是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)，對(duì)我國的高等院校本科教育具有極大的意義。

“機(jī)械控制理論”是機(jī)械學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、材料成型及控制工程、交通運(yùn)輸、測(cè)控技術(shù)與儀器四個(gè)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)也是機(jī)械學(xué)院進(jìn)行專業(yè)認(rèn)證的專業(yè)-測(cè)控技術(shù)與儀器的專業(yè)主干課程[3]。課程圍繞自動(dòng)控制理論與技術(shù)的基本概念、基本理論與分析方法展開，闡述了經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的基本理論和方法，控制系統(tǒng)中信號(hào)的傳遞、反饋控制、動(dòng)態(tài)特性與綜合的分析研究方法等內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)，具有理論性和實(shí)踐性相結(jié)合的特色。然而，截至到目前，課程都是采用課本教學(xué)、少量驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和書面考試的形式進(jìn)行授課，教學(xué)形式單一枯燥，不易調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，多數(shù)學(xué)生只是為了考試能夠通過而學(xué)習(xí)，完全違背了課程開設(shè)的初衷。為了適應(yīng)專業(yè)認(rèn)證的要求，對(duì)機(jī)械控制理論進(jìn)行深入的教學(xué)研究和課程設(shè)計(jì)是十分必要的。

一、教學(xué)過程中存在的問題

傳統(tǒng)的機(jī)械控制理論教學(xué)中側(cè)重理論知識(shí)的介紹，存在很多問題：（1）基本理論的講授在整個(gè)課程中占有較大比重，從模型建立到時(shí)域頻域分析需要學(xué)習(xí)很多理論，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)前沿應(yīng)用知識(shí)接觸太少；（2）數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)和證明造成學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生畏難情緒，不利于激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的興趣和積極性；（3）學(xué)生對(duì)機(jī)械控制理論缺少直觀上的了解，即使掌握控制算法的原理，也不易和實(shí)際效果相聯(lián)系。面對(duì)教學(xué)中存在的普遍問題，在教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)的主觀能動(dòng)性，緩解學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)時(shí)的抵觸情緒成為教師必須思考的問題和改善的現(xiàn)象。

二、機(jī)械控制理論的教學(xué)改革設(shè)想

1.教學(xué)理念和教學(xué)體系的改革。我國現(xiàn)有教育體系中工程教育和工程實(shí)際脫鉤比較嚴(yán)重，教育多以課本為主。而工程教育專業(yè)認(rèn)證以學(xué)生和用人單位對(duì)學(xué)校或?qū)I(yè)所提供服務(wù)的滿意度來作為認(rèn)證的重要指標(biāo)。如果想接軌國際工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，教師在傳授控制理論基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，更要使學(xué)生具備運(yùn)用所學(xué)控制知識(shí)來改善機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化能力。

教師在教學(xué)過程中，除了講授課本理論知識(shí)，應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和探索鉆研的主動(dòng)性，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)到實(shí)踐當(dāng)中去檢驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。教師也要不斷強(qiáng)化自身素質(zhì)，增強(qiáng)知識(shí)儲(chǔ)備、改進(jìn)教學(xué)觀念。

工程教育專業(yè)認(rèn)證要求課程教學(xué)內(nèi)容的整合與優(yōu)化要符合工程型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，教師在講課過程中適當(dāng)減少對(duì)教材中過于理論性知識(shí)點(diǎn)的探究，尤其是減少對(duì)于一些純理論性公式的推導(dǎo)，著重培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、制造的實(shí)踐能力，培養(yǎng)良好的大工程觀。

2.教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的優(yōu)化改進(jìn)。機(jī)械控制理論在測(cè)控專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中占有64個(gè)學(xué)時(shí)，其中包括8個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在剩下不多的學(xué)時(shí)包括了經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩部分，要讓所有理論推導(dǎo)和計(jì)算面面俱到，又要介紹工程應(yīng)用是不現(xiàn)實(shí)的，所以需要對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行刪減，對(duì)于內(nèi)容陳舊、過時(shí)或?qū)嵱脙r(jià)值不大的知識(shí)點(diǎn)則少講，增加和重復(fù)理論結(jié)合實(shí)際的內(nèi)容。例如根軌跡，在實(shí)際應(yīng)用中很少見，而系統(tǒng)分析中時(shí)域和頻域占了較多課時(shí)，所以在講授時(shí)就刪掉根軌跡這一章。再有時(shí)域分析只講一階和二階分析，高階系統(tǒng)就不再講了。而在現(xiàn)代控制理論中主要講狀態(tài)空間表達(dá)式以及能控能觀性。在系統(tǒng)建模這一節(jié)，除了介紹幾乎所有教材都有的彈簧阻尼系統(tǒng)和電阻-電容-電感系統(tǒng)之外，適當(dāng)增加了一些復(fù)雜電路，如放大電路和慣性電路的分析。學(xué)生可以將枯燥的理論與測(cè)控專業(yè)常用的電路、單片機(jī)結(jié)合起來，真正明白了控制理論是如何應(yīng)用到解決工程問題的，增加了學(xué)生的積極性。

機(jī)械控制理論課程教學(xué)采用“多媒體+板書+課后”的方法。首先由于課程中有大量的數(shù)學(xué)計(jì)算和推導(dǎo)，必須采用板書講解，一些重要公式的推導(dǎo)需要學(xué)生理解，學(xué)生在老師書寫板書的時(shí)候也能跟上講課的思路；其次采用多媒體技術(shù)放映PPT和視頻，在緒論里通過觀看實(shí)際案例，了解控制系統(tǒng)的發(fā)展，使學(xué)生對(duì)課程產(chǎn)生興趣，最后是課下輔導(dǎo)，即利用課余時(shí)間對(duì)學(xué)生進(jìn)行課后習(xí)題的輔導(dǎo)和課上內(nèi)容的查漏補(bǔ)缺，提高學(xué)生的整體成績。例如在講解利用梅遜公式求解傳遞函數(shù)的時(shí)候，對(duì)于公式：G（s）=，要重點(diǎn)說明每個(gè)參數(shù)的含義，尤其是互不接觸回路。為了讓學(xué)生能夠加深感性認(rèn)識(shí)，使用多媒體標(biāo)記出不同前向通道和不同反饋回路，用不同顏色顯示可以讓學(xué)生理解接觸的概念。其次使用板書寫出系統(tǒng)特征式和前向通道的余因子，這樣就完成了課堂講授。對(duì)于學(xué)生課下練習(xí)，可以布置一些復(fù)雜電路控制系統(tǒng)求解傳遞函數(shù)，讓學(xué)生把學(xué)過的電路知識(shí)結(jié)合進(jìn)來，提高學(xué)生的綜合分析能力。

3.教學(xué)實(shí)踐的探索和研究。工程教育專業(yè)認(rèn)證重在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，所以在注重理論知識(shí)教學(xué)，拓展學(xué)生的專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，還要高度重視實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論教學(xué)與工程應(yīng)用的相互對(duì)接，通過實(shí)踐訓(xùn)練提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。根據(jù)現(xiàn)有條件，機(jī)械控制理論教學(xué)實(shí)踐分為三大類：（1）課堂實(shí)驗(yàn)。包括4個(gè)實(shí)驗(yàn)，前3個(gè)實(shí)驗(yàn)使用THKKL-1型控制理論電子模擬實(shí)驗(yàn)箱搭接模擬電路，然后利用UTD2000示波器進(jìn)行典型環(huán)節(jié)一階二階時(shí)域響應(yīng)和頻域響應(yīng)曲線的顯示，第4個(gè)實(shí)驗(yàn)是固高倒立擺創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟硬件的連接，通過電腦上的上位機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)倒立擺的功能。實(shí)驗(yàn)既有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的認(rèn)識(shí)，又有創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力。（2）大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目比賽。除了在課堂上的學(xué)習(xí)，經(jīng)常組織參加大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和科研訓(xùn)練項(xiàng)目，積極參加全國大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能汽車競(jìng)賽、全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽等學(xué)生競(jìng)賽項(xiàng)目，并屢獲佳績。這些都為學(xué)生深入了解控制理論及應(yīng)用提供了學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。（3）畢業(yè)設(shè)計(jì)。機(jī)械控制理論是理論性很強(qiáng)的課程，光靠課堂和實(shí)驗(yàn)是不夠的，14周的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)較長的學(xué)習(xí)時(shí)間，測(cè)控專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)主要分為三大類：嵌入式設(shè)計(jì)、機(jī)器人控制和圖像視覺處理。畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，指導(dǎo)教師制定任務(wù)書、總體方案和進(jìn)度安排，對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中的思路和錯(cuò)誤加以引導(dǎo)，學(xué)生自己負(fù)責(zé)修改。設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行畢業(yè)答辯，實(shí)行末位淘汰，重點(diǎn)考察學(xué)生實(shí)際分析問題的能力和處理問題的能力，從而培養(yǎng)學(xué)生工程動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

在工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，機(jī)械控制理論課程必須堅(jiān)持理論與實(shí)踐充分結(jié)合，培養(yǎng)面向現(xiàn)代社會(huì)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)所需的復(fù)合應(yīng)用型人才。文章從教學(xué)理念體系、教學(xué)內(nèi)容方法和教學(xué)實(shí)踐三方面提出了測(cè)控專業(yè)機(jī)械控制理論課程的教學(xué)改革設(shè)想。實(shí)踐證明，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性被極大地調(diào)動(dòng)起來，綜合創(chuàng)新實(shí)踐能力得到了提高。

參考文獻(xiàn)：

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