“控制工程基礎”課程教學模式與方法的改革研究

趙 月 王萬雷 楊靜萍 周世寬 高天一 龍飛飛 邵 強 張江燕

（大連民族大學機械系 遼寧大連 116600）

“控制工程基礎”課程是機械類本科專業的基礎課之一，是控制理論在機械工程領域中運用的一門工程學科，以機電系統為主要研究對象，主要講解了經典控制理論的相關問題，對培養學生理論思維和處理工程問題的能力具有重要作用[1]。該課程在教學過程中存在理論性強、內容多、概念抽象、涉及知識面廣、學時分配少等情況。在授課過程中，教師主要采用了傳統的教學模式，重視對基本原理和方法進行講授，缺少分析與工程應用。學生在學習過程中都是被動地接收知識點。這就導致學生學習的主動性和學習興趣都不高，學習效果也難以保證。因此，對本課程的教學模式與方法進行改革，從而提升學生的課堂學習效率、增強學生對該課程的學習主動性和興趣，是非常有必要的。

為了提高學生學習的主動性和學習興趣，保證學生的課堂學習效率和效果，將學生培養成全面型人才，本文針對“控制工程基礎”課程的教學模式和方法進行了研究，將翻轉課堂教學模式和仿真技術有機結合起來，改變了授課方式，以便能加深學生對課程內容的理解。

一、基于翻轉課堂的“控制工程基礎”教學模式改革

翻轉課程(The Flipped Classroom)，也稱“顛倒課堂”，最初是由美國的創始者Jonathan Bergmann 和Aaron Sams提出[2]的，是指重新調整課堂內外的時間，將學習的決定權從教師轉移給學生。在這種教學模式下，學生上課之前可以根據教師發布的資源完成知識獲取的過程。對于課堂內的寶貴時間，學生能夠通過討論、教師講解等形式獲得對知識更深層次的理解。教師不再占用課堂的時間來講授信息，也就能有更多的時間與每個學生交流。翻轉課堂的目標是為了讓學生通過實踐獲得更真實、更主動的學習。

（一）課前環節

“控制工程基礎”課程涉及到控制系統的數學模型、時間響應分析、頻率特性分析、穩定性和系統校正等相關知識。授課教師要根據教學內容進行教學設計，在課前抽取和總結比較重要的知識點，并制作成短視頻，大約在10～15min左右，以確保學生能夠集中精力完成對知識點的學習。在課堂學習前，教師將視頻及其它輔助學習資料發布到學生群中，要求學生在課前必須進行觀看和學習。

（二）課堂環節

學生借助教師在課前發布的短視頻和學習資料已經學習了主要知識點。課堂環節中主要進行學生提出疑問、學生小組討論、教師講解、師生互動等環節。

在課堂開始后，教師可先讓學生提出自己在課前通過學習仍然無法明白的疑問。之后，教師通過總結，將學生的問題進行梳理。然后，學生小組針對這些問題進行討論，嘗試通過學生間的合作來解答疑問。接著，教師再對教學內容的重點做系統講解，并結合視頻進行詳細的分析。針對學生提出的疑問，教師要答疑解惑，爭取使學生能理解透徹。在課堂上，教師要充分利用師生互動環節，在小組討論、教師講解等環節中積極調動學生的學習熱情，提升其參與度。

（三）課后環節

在課程結束后，教師應根據本節課的教學效果進行教學反思，總結課前和課堂上出現的問題及應對措施。學生要按照要求完成作業任務。這樣才能對教學內容做進一步的鞏固和理解。教師要根據學生上交的作業進行評判，并對學生的學習情況進行追蹤，以便進一步改進教學。

二、基于MATLAB/Simulink仿真技術的教學方法改革

MATLAB是一種通用科技計算、圖形交互系統和程序語言，主要包括MATLAB/Simulink兩大部分，涉及多個領域[3]。MATLAB可以解決控制系統中復雜的數學運算與處理。控制理論中涉及的系統數學模型、模型之間的轉換、控制系統的分析與校正等教學內容都可在MATLAB中實現[4]。

由于“控制工程基礎”課程概念較多、數學基礎較強、內容抽象，教師只做理論講解是很難達到預期效果的，對涉及到的較復雜的數學計算也難以更好的演示。學生的學習難度較大。因此，本文將MATLAB/Simulink仿真技術與課程內容結合起來，在教學過程中利用MATLAB解決學生學習過程中出現的復雜計算問題，并可通過仿真直觀地看到運算結果或系統運行結果圖，利用Simulink圖形化仿真環境構建系統結構框圖，對系統進行數學模型、動態性能分析、校正等研究。

例如，繪制系統的Nyquist曲線，已知系統傳遞函數為式(1)。

教師若采用傳統教學方法，計算過程復雜，對數學基礎差的學生來講會比較困難。針對部分教學內容，教師要要求學生理解Nyquist圖繪制的一般步驟，掌握低階系統Nyquist圖的繪制方法。對高階系統的Nyquist圖，教師可直接利用MATLAB軟件來解決。MATLAB運行過程及Nyquist圖分別如圖1、2所示。

圖1 MATLAB運行過程

圖2 MATLAB繪制Nyquist圖

另外，在實驗教學中，教師也可引入MATLAB/Simulink仿真技術，加強對實驗的設計，以便能直觀地看到運行結果，從而增強學生的主觀能動性，加強學生對課程知識點的掌握和理解。

三、結束語

本文對“控制工程基礎”課程教學模式與方法的改革做了探討。我們利用翻轉課堂和MATLAB/Simulink仿真技術對課程進行了改革，將教學模式由以教師為主體轉變為以學生為主體，以便能提升學生的學習自主性，提升教學效果，培養學生解決實際工程問題的能力。