《控制工程基礎》課程達成度評價研究與實踐

吳至境 郝勇

摘要：在工程教育專業認證快速發展的背景下，針對工程教育認證的基本理念，本文以機械電子工程專業的核心課程——《控制工程基礎》課程為例，分析了課程內容及主要教學環節對應支撐畢業要求的具體指標點，同時闡述了課程達成度評價的實施過程。教學實踐相關的數據驗證了學生通過課程學習后能力的達成度，并指出課程教學過程中存在的問題及進一步改進的措施。本文相關研究方法可進一步應用于機械電子工程專業其他課程，評價結果可有效支撐工程教育專業認證的持續改進工作。

關鍵詞：工程教育專業認證;課程達成度;畢業指標;《控制工程基礎》

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）20-0120-04

一、前言

工程教育認證是國際通行的工程教育質量保證制度，也是實現工程教育和工程師資格的國際互認的重要基礎。自從2013年獲得《華盛頓協議》認可后，我國的工程教育正積極推進“五位一體”的高等教育評估制度，其中包括自我評估、院校評估、專業認證、國際評估和狀態數據的常態評測[1，2]。在我國，開展工程教育認證強調以下三個基本理念：（1）強調以學生為本，面向全體學生。（2）強調以學生為中心，以學生學習產出為導向，對照畢業生核心能力、素質要求，評價專業教育的有效性。（3）強調合格評價與質量持續改進[3]。目前國內各個高校都在積極探索和構建以培養目標為導向、畢業要求為目標、課程體系為支撐的畢業要求達成度評價體系。其中對專業核心課程達成度評價體系的完善直接影響著工程教育專業認證結果[4]。

《控制工程基礎》是機械電子工程本科專業的主干核心課程，主要研究以機械工程為對象的控制問題，研究機械工程領域中廣義系統的動力學問題，包括系統本身的動態特性，系統及其與輸入、輸出三者之間的動態關系。通過本課程的學習，可以使學生能夠正確理解和運用本課程的基本概念和理論，掌握控制的基本理論和基本技能以及一套較完整的分析，設計控制系統的方法，為其他專業基礎課及專業課的學習打下必要的基礎。同時，也為以后從事機械電子工程的實際工作和科研奠定一定的理論基礎[5]。本文從一位專業任課教師的角度出發，以《控制工程基礎》課程為案例，討論了工程教育專業認證中如何建立課程達成度評價體系，并通過對一個典型教學班級課程達成度數據的分析，驗證了學生通過課程學習后能力的達成度，同時指出了課程教學過程中存在的問題及進一步改進的措施。

二、課程內容及主要教學環節對畢業要求的具體支撐

《控制工程基礎》是機械電子工程本科專業的主干核心課程，在學科體系中起承上啟下的作用，是后續專業課程的基礎[6]。在確定了課程所支撐的畢業指標點后，需要撰寫基于達成度的課程教學大綱，確定課程教學目標分為知識目標和能力目標，共9個教學目標。分別為：

1.知識目標。目標1：了解機械工程控制論的基本含義和研究對象;掌握廣義系統動力學方程的含義;了解系統、廣義系統的概念及廣義系統的幾種分類方法;了解系統動態模型和靜態模型之間關系;掌握反饋的含義，學會分析動態系統內信息流動的過程，掌握系統或過程中存在的反饋。目標2：了解數學模型的基本概念，會列寫系統微分方程;掌握傳遞函數的概念、特點，會求傳遞函數的零點、極點及放大系數;能夠根據系統微分方程繪制系統傳遞函數方框圖，并實現簡化，從而求出系統傳遞函數。目標3：了解時間響應及其組成，典型輸入信號;掌握一階及二階系統定義及單位脈沖響應、單位階躍響應和單位斜坡響應。熟悉系統穩定性與特征根實部的關系，了解系統的輸入、結構的參數以及干擾對系統偏差的影響。掌握頻率特性的定義和代數表示法以及與傳遞函數、單位脈沖響應函數和微分方程之間的相互關系;掌握頻率特性和頻率響應的求法;掌握頻率特性的Nyquist圖和Bode圖的組成原理熟悉典型環節的Nyquist圖和Bode圖的特點及其繪制，掌握一般系統的Nyquist圖和Bode圖的特點和繪制。目標4：了解系統穩定性的定義、系統穩定的條件;掌握Routh判據的必要條件和充要條件，學會應用Routh判據判定系統是否穩定，對于不穩定系統，能夠指出系統包含不穩定特征根的個數;掌握Nyquist判據;理解Nyquist圖和Bode圖之間的關系;掌握Bode判據;理解系統相對穩定性的概念，會求相位裕度和幅值裕度，并能夠在Nyquist圖和Bode圖上加以表示。目標5：了解系統時域性能指標、頻域性能指標和綜合性能指標的概念;了解頻域性能指標與時域性能指標的關系;了解系統校正的基本概念。掌握增益校正的特點;熟練掌握相位超前校正裝置、相位滯后校正裝置和相位滯后——超前校正裝置的模型、頻率特性及有關量的概念、求法及意義;掌握各種校正裝置（如PID校正）的設計方法;熟練掌握各種校正的特點。目標6：掌握MATLAB這個軟件的使用，學會基本運算與繪圖及數據處理;掌握用MATLAB來做控制系統的模擬與仿真;熟悉計算機輔助時域、頻域分析仿真和穩定性研究和系統校正的方法。目標7：熟悉針對具體機電控制系統（如倒立擺系統）進行分析研究的方法，掌握對倒立擺系統進行穩定性控制的方法。

2.能力目標。目標8：具備應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，分析軌道交通、機電一體化等領域機電控制系統相關復雜工程問題并獲得有效結論的能力;具備針對復雜機電控制問題制定解決方案，設計滿足特定需求系統的能力。目標9：具備能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜機電控制系統問題進行研究的能力;具備能夠針對復雜機電控制系統問題，開發、選擇與使用適當的技術、資源、現代工具和信息技術工具，對其進行預測與模擬的能力。

在工程教育基本理念的指引下，對《控制工程基礎》課程的培養目標和知識體系進行了系統深入研究，設計了以學生為本，面向全體學生的專業知識、能力和素質培養指標體系，并制定了各項指標點的實施措施。所設計的指標點涵蓋了工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、研究和使用現代工具等多個方面。課程目標、畢業要求、教學內容和權重對應關系如表1所示。每個畢業要求二級指標點需要由幾門具體課程去支撐，同一門課程也可以支撐多個二級指標點。對于支撐同一個畢業要求二級指標點下的各門課程，需要分配一個權重系數，并且所有課程的權重系數之和為1[4，7]。由表1可知，《控制工程基礎》課程對支撐畢業要求二級指標點1.3、2.1、2.2、3.3、4.2、4.3、5.2的權重分別為0.2、0.2、0.2、0.1、0.1、0.1和0.1。對于不同的畢業要求指標點，由不同的課程目標和教學內容進行支撐，其考核環節及所占權重也是不同的。

三、達成度評價方法設計和計算

抽取具有統計意義的平時成績記錄冊（包括考勤記錄、作業記錄、實驗記錄、閱讀設計報告記錄）和試卷樣本，每個班級的好、中、差成績分布基本符合正態分布。這里抽取一個教學班級，該教學班級共有學生62名，根據原始教學數據計算出各個考核環節這62名學生的平均得分，以此作為計算課程達成度的數據來源。

期末考試采用閉卷考試方式進行，設計了3種題型：單項選擇題（30分）、計算題（30分）、綜合應用題（40分）。內容涵蓋了教學大綱規定的各個章節。根據期末考試試題出題情況確定各個畢業要求二級指標點的支撐分值，再根據試卷得分記錄，計算不同指標點的考生平均得分。根據表1，只有畢業要求二級指標點1.3，2.1，2.2需要期末考試考核環節支撐。這里以一個教學學期期末考試為例，計算出的期末考試試題支撐各畢業要求二級指標點的分值如表2所示。

達成度計算結果如表3所示。根據工程教育認證評價機制的規定，指標點評價值必須達到達成度目標值的70%即為合格[9]。

由表3可知，每個指標點的達成度評價值都超過了達成目標值的70%，表明評價合格。指標點2.1，2.2的評價值明顯低于指標點1.3，說明學生學習過程中對基本知識點能夠掌握，但是缺乏靈活運用的能力，解決復雜機電工程問題的能力有待加強。指標點5.2的評價值高于4.2，4.3，說明學生能靈活運用現代工具對復雜工程問題進行分析和建模，但是設計研究方面的能力還有待加強。

四、持續改進

根據對本課程各指標點達成度的技術與分析，提出以下改進措施：

1.提高學生對復雜工程問題開展數學建模和綜合設計的能力。在教學方面，重點講授對特定機電系統進行數學建模和控制系統設計的綜合分析方法。使得學生不僅掌握控制工程的基本知識點，而且能掌握靈活運用知識點去解決相關工程問題的能力。

2.進一步細化平時成績登記冊。針對每個畢業要求二級指標點，細化對應的考勤記錄、課后作業記錄、實驗記錄和設計報告記錄，使其能一一對應每個二級指標點，以更好地反映學生學習情況。

3.從考核效果看，學生主動參與教學實踐環節的時間偏少，對研究和解決復雜工程問題的能力不足。今后在教學中要多注重理論聯系實際，適當增加案例教學示例，多舉例，多練習，加強與學生的互動，適當增加課外教學環節。

五、結語

課程達成度評價是一個比較客觀、公正反映專業建設質量的量化指標。在畢業要求達成度框架下，本文針對《控制工程基礎》課程構建了課程達成度評價體系，闡述了課程達成度評價實施過程，并通過實踐教學相關數據驗證了學生通過課程學習后能力達成度，最后分析了課程教學過程匯總存在的問題并提出了進一步改進的措施。但是本課程達成度評價體系仍然存在一定的不足，如指標點支撐分數劃分過細，二級指標點過多等。另外，如果有些課程不適合進行量化計算，或缺乏課后作業、設計報告和實驗等環節等，則需根據不同課程設計不同的達成度評價體系。

參考文獻：

[1]王孫禺，趙自強，雷環.中國工程教育認證制度的構建與完善——國際實質等效的認證制度建設十年回望[J].高等工程教育研究，2014，（5）.

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[4]楊兆，付百學，李涵武.課程支撐畢業要求指標點達成度評價研究[J].黑龍江工程學院學報，2018，（1）.

[5]董景新，趙長德，郭美鳳.控制工程基礎[M].第4版.北京：清華大學出版社，2015：11，12.

[6]艾超，陳立娟，孔祥東，姚靜.控制工程基礎課程教學模式的改革與實踐[J].教學研究，2015，（4）.

[7]張建樹，郭瑞麗.工程教育認證背景下課程達成度的評價改革[J].高教論壇，2016，（6）.

[8]陳愛萍，周娟，付琳.通信原理課程達成度評價初探[J].科技展望，2017，（26）.

[9]張國強，陳峻，王昊，胡曉健.工程教育認證背景下“交通控制與管理”課程達成度評價研究與實踐[J].東南大學學報：哲學社會科學版，2017，19（增刊）.