Short-course在控制工程基礎課程教學實踐中的研究與應用

靳偉 張學軍 李雪蓮 宋玲 鄢金山 于蒙杰

摘? 要：控制工程基礎是高等學校機械工程及其自動化專業的必須課程，該課程要求學生具有扎實的綜合理論知識和較強的實踐動手能力。在應用型本科高校轉型發展的過程中，對培養學生能力提出了更高要求。通過對Short-course教學實踐模式的研究，結合新疆農業大學機電學院的實際情況，探索Short-course教學實踐實施方案、實踐過程控制、學習效果考核等內容，更新學生學習模式、豐富教學內容、優化教學實踐體系，培養適應區域經濟發展的復合應用型人才。

關鍵詞：Short-course;應用型;教學實踐;控制工程

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）14-0099-04

Abstract： Control Engineering is based on the institutions of higher learning must course in mechanical engineering. This course requires students to have solid comprehensive theory knowledge and strong practice ability. In the process of the transformation development of applied undergraduate colleges and universities， an advanced requirement to cultivated ability the students is raised. Through the study of the patterns of Short-course teaching practice， the paper combined with the actual situation of College of Mechanical and Electrical Engineering in Institution of Mechanical Engineers of Xinjiang Agricultural University， explored the Short-course teaching practice implementation plan， process control practice， study effect evaluation and so on， updated the students' learning mode， enriched the teaching contents， optimizing the teaching system， training the compound applied talents of the regional economic development.

Keywords： Short-course; applied; teaching practice; control engineering

當前，全球新一輪科技革命和產業變革方興未艾，在新工業革命背景下以大類學科培養、學科交叉等“跨界”培養模式必然是工程教育模式發展的方向。針對國家現代農業發展對大數據研究與應用的需求，培養學生能夠基于計算機虛擬模擬相關知識并進行合理分析、評價大數據工程實踐和復雜工程問題解決方案，應對新一輪科技革命和產業變革的挑戰勢在必行。

控制工程基礎是一門以分析和改進控制系統的性能和品質并且根據實際需要創新設計控制系統為主要內容的課程，利用MATLAB和LABVIEW等軟件工具控制大數據工程實踐和復雜工程問題。該課程以實際生產中的機械系統、電氣系統、流體系統等為基礎，對學生的綜合理論知識和實踐動手能力提出更高的要求，因此要求學生具備較強的知識轉化、生產實踐能力。Short-course教學方法主要是針對高校少學時、內容抽象或者針對某項技能開設的短期培訓課程。根據新疆農業大學機電工程學院開設的控制工程類課程，利用Short-course教學方法探討系統建模與控制策略，如數學模型中的汽車減震器控制系統、冰箱溫度控制系統、打印機打印輪控制系統等，提高學生學習熱情、豐富教學內容、提高教學效果[1，2]。

一、控制工程課程教學存在的問題

控制工程課程教學難點多、抽象、不容易理解，教師在進行課堂講授時，往往出現同一問題反復講解，費時而收效甚微，學生也往往難以把學到的知識進行相關梳理;部分學生還未養成良好的學習態度，導致傳統課堂教學往往難以使得學生對控制工程課程產生濃厚的學習興趣。目前新教育環境下控制工程基礎課程虛擬實驗教學實踐與應用研究水平較低，不能充分調動學生積極性、不能很好地彌補課堂講授的不足[3-5]。

（一）控制工程基礎內容綜合性較強、學時較少

控制工程基礎課程涉及高等數學、物理學、電工學、電子技術、工程數學等內容，是一門學科交叉性課程，其內容抽象、難以理解且學時較少。要求學生學習時具備扎實的綜合理論知識和實踐動手能力，還應該具有一定的計算機應用知識基礎。但學生目前的理論知識儲備還遠遠不夠，基礎課程知識掌握不牢固、理解運用能力較差，學時數較少、課堂講授節奏較快，導致學生學習該課程時壓力大、困難多[6-8]。農業類院校電氣工程、車輛工程、交通工程、農業機械化工程、機械工程專業的大部分學生認為該課程不是專業核心課程、學習該課程的優差不影響自己以后的深造和就業，思想認識上存在誤區，導致出現教師“教不會”、學生“學不懂”的問題[9-12]。

（二）學生學習模式較單一、積極性不高

控制工程課程教學過程效益取決于師生之間的積極性和互動性，尤其是學生的積極性是教學成敗的關鍵，提高學生自主學習、激發學習熱情對提升高校教育質量和學生發展具有重要的意義。學生大多習慣于傳統課堂教師講授為主體、學生被動灌輸知識、機械式練習鞏固，傳統教學強調灌輸知識但忽視學生自主學習能力的培養。傳統教學模式單一，教學設計內容主要從“如何教好”的視角出發，教學內容設計的重心未落在“如何學”上。回顧國際提高教育質量的征程中，提出“以學生為中心”的教學理念，試圖超越課堂與課外、教與學、師與生等二元對立關系[13，14]。目前在中國大學課堂上，學生往往依賴教師，缺乏個性化自主學習，未做到以“學習”定“教學”，沒有突出學生為主體的內涵。

（三）教學內容不夠豐富、實踐內容較少

我校屬于典型的應用型本科院校，學生的高數基礎較薄弱，尤其在復變函數章節，一成不變的教學模式很難適應學生多元化發展的需求。盡管大部分高校均開設控制工程相關實驗課程，但實驗課程學時數較少，大多數學生對實驗教學環節不夠重視，創新能力和動手能力薄弱;多數實驗為基礎實驗，只是對課本理論的重復，實驗和實際工程控制系統結合不緊密。理論知識掌握扎實的學生仍然不明白控制工程基礎這門課究竟該怎樣運用、怎樣與實際工程相結合。因此，為了提高學生綜合應用知識和動手能力，實驗課程應增加實際工程實例，必須在有限的時間內使學生掌握理論知識并且運用到實際工程中、解決具體的工程問題成為教學實踐改革的關鍵[15]。

二、基于Short-course模式強化教學實踐

（一）構建Short-course模式實踐實施方案

Short-course即為短期培訓課程，主要針對高校少學時、內容抽象或者針對某項技能開設的短期培訓課程。學生可以根據自己的愛好和特長選擇實際實踐項目，通過完成實踐項目獲得實踐技能。目前悉尼科技大學、倫敦藝術大學等學校均開設Short-course課程，內容涉及多個領域。結合我校控制工程領域，Short-course可針對實際控制工程實例類別進行實踐，如汽車減震器控制系統研究、冰箱溫度控制系統分析、打印機打印輪控制系統設計等，使學生在教師的指導下自主學習相關知識，建立系統數學模型、對系統進行時域和頻域分析以及對控制系統設計和校正等[16]。

Short-course實踐模式分為學生實施部分、教師指導和效果考核評價部分。學生對選定項目進行分析、查閱資料，學習相關知識，擬定實施方案，通過答辯后建立系統數學模型、進行時域和頻域分析、對控制系統設計和校正以及運用MATLAB和LABVIEW等軟件工具仿真分析，撰寫總結報告[17，18]。教師主要負責制定Short-course實踐實例、學生分組、控制時間和進度、指導和答疑、效果考核評價等工作，實施方案如圖1所示。

Short-course教學實踐應用于2016級機械設計制造及其自動化專業，選拔15名學生作為項目試點，學生根據興趣和特長完成自由組合為3隊、選擇項目、項目組分工等工作。學生利用課外時間完成汽車減震器控制系統研究、冰箱溫度控制系統分析、打印機打印輪控制系統設計3個項目的系統數學模型建立、時域和頻域分析、設計和校正控制系統及軟件模擬仿真工作。教師采取全過程跟蹤和指導，完成項目考核、評價、評定等級等工作。

（二）建立Short-course模式學習效果考核標準

學生學習效果考核標準和方式是評價教學效果的標尺，傳統實踐課程常采用撰寫實驗報告的形式進行考核，主要憑借實驗報告的好壞評價實踐課程分數和等級。Short-course教學實踐的宗旨是通過實踐項目的訓練，掌握使用技能。Short-course教學實踐的考核標準不能僅僅憑借實驗報告的好壞評價實踐課程分數和等級，Short-course教學實踐主要培養學生自主學習、獲取知識、解決實際工程問題的能力。參考文獻資料、結合控制工程基礎課程的特點，制定Short-course教學實踐的考核標準，如表1所示，效果評價考核貫穿于項目實施的全過程，重點是過程考核。

選拔試點班15名學生、自由組合為3組，每組學生查閱文獻資料、自主學習相關知識并對該項目進行可行性分析，進一步完善實施方案;項目在實驗室中實施，建立控制系統數學模型、對系統進行時域和頻域分析以及對控制系統設計和校正，分析項目實施過程中存在的問題，最終提出系統優化設計思路;最后開設經驗總結交流報告會，使學生在實踐過程中獲取知識和技能。

三、Short-course模式實踐教學效果剖析

（一）控制工程實例提高實驗教學效果

Short-course教學實踐更加完善實驗教學課程，使學生以實際工程實例為學習內容，主動學習，激發學習的興趣，學生縮短知識轉化、應用周期，提前適應企業控制工程項目的實施。學生在完成項目過程中，掌握了控制工程相關理論知識，提高動手能力、激發學習的熱情，逐步擺脫教師和課本的束縛，充分發揮自己的主觀能動性。運用MATLAB和LABVIEW等軟件工具仿真分析、驗證結果，更加提高學生學習的積極性。由學生撰寫的總結報告可以看出，Short-course教學實踐過程中，存在問題較多，有的問題是教學大綱上不做要求的或課本上沒有的內容。因此，該教學實踐模式可豐富實踐教學內容、充分發揮學生的主觀能動性。

（二）Short-course教學實踐模式激發學生創新能力

目前國家啟動“新理念、新結構、新模式、新質量、新體系”為標志的新工科研究與實踐項目，旨在培養具有扎實專業理論知識、較強系統分析和決策能力及創新意識的大數據工程技術人才，以應對新一輪科技革命和產業變革的挑戰，主動服務國家創新驅動發展、一帶一路等重大戰略實施。培養創新性人才是高校教學目標之一，Short-course教學實踐設置使學生進行自主學習、完成綜合性實驗項目，培養掌握處理和解決大數據復雜工程問題復合型人才。由學生的總結報告可以看出，學生在完成汽車減震器控制系統研究、冰箱溫度控制系統分析、打印機打印輪控制系統設計項目的過程中，發現控制系統中存在的“穩、準、快相互制約”問題，并提出自己的解決措施，提高學生自主創新的能力。

（三）優化實踐教學效果考核標準

在Short-course教學實踐模式應用前，課題組通過問卷調查、走訪座談方式了解學生的觀點，根據學生的特長制定考核方式和考核標準。從考核標準可以看出，學生更愿意根據自己的特長選擇項目種類和項目組的分工。Short-course教學實踐主要培養學生自主學習、獲取知識、解決實際工程問題的能力，效果評價考核貫穿于項目實施的全過程，還考核項目組分工及合作情況，重點是過程考核。因此，Short-course教學實踐考核標準能夠激發每一位學生的學習熱情、開啟學習動力的源泉，而且能夠縮短在企業的適應期，提前熟悉企業實際工程項目實施過程，增強團隊合作能力。

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