“能源與動力工程控制基礎”課程教學改革探討

楊繼斌

摘 要 “能源與動力工程控制基礎”是面向能源與動力工程學科的一門關于控制工程理論的課程。本文結合筆者自身教學實踐和學生學科背景，通過分析筆者學校現有教學現狀和新型冠狀病毒肺炎疫情下的線上教學情況，提出了“以學生為中心”的混合教學、工程案例驅動教學以及以應用為目標教學相結合的教學改革方案，以提高學生學習的主動性和教學質量。

關鍵詞 能源與動力工程 控制理論 教學改革 以學生為中心

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2020.07.065

Abstract "The Control Foundation of Energy and Power Engineering" is a course about control engineering theory for the Energy and Power Engineering. In this paper， based on the author's own teaching practice and student's subject background， the school's teaching situation and online teaching situation under the COVID-19 are analyzed. Furthermore， a student-centered based teaching reform is proposed to improve students' learning initiative and teaching quality， which combines mixed teaching， case driven teaching and application-oriented teaching method.

Keywords energy and power engineering; control theory; teaching reform; student-centered

0 引言

隨著車輛運載動力、航空動力、船用動力等先進運載動力裝置的電動化和智能化發展，在新工科背景下，學科的交叉更加鮮明，能源與動力工程（先進運載動力方向）專業的課程教學方法和內容亟需改進。[1-2]其中，“能源與動力工程控制基礎”是筆者學校針對能源與動力工程（先進運載動力方向）專業大三學生開設的一門以經典控制理論作為基礎內容，闡述控制工程的基本理論、基本方法和基本內容的一門學科基礎選修課程。課程的主要教學任務是通過對經典控制理論知識的學習，以培養工程應用能力為主線，培養學生對控制系統的分析和設計能力，結合后續專業課程的學習，為將來在能源與動力工程中解決一些實際問題打下一定的基礎。本文對筆者學校該課程的教學現狀進行分析，并結合學生的學科背景提出進一步的改進措施。

1 現有教學現狀及分析

我校能源與動力工程專業（先進運載動力）學生的基本培養目標是掌握本專業相關的能量轉換及有效利用的基本理論和技術，以及先進運載動力裝置原理、結構、設計、測試、控制、燃料、燃燒與排放等方面的知識，具有綜合工程實踐經驗，解決工程問題的能力和組織管理能力，畢業后能從事車輛運載動力、航空動力、船用動力等先進運載動力裝置的研發、制造、應用以及營銷管理等相關工作。在此學科背景下，“能源與動力工程控制基礎”課程面向能源與動力工程（先進運載動力）學科方向，學習控制理論的知識體系，以拓寬學生的學科基礎知識面。該課程在本校目前設定2個學分，32個學時，其中24個理論學時，8個上機學時。課程的學時設定與同學院車輛工程專業的控制工程理論課程相同，但側重點有所不同。關于控制工程理論的課程具有理論性強、概念抽象、涉及的基礎知識點多（如高等數學、復變函數、信號處理等）等特點。[2-4]課程2018-2019學年選課26人，2019-2020學年選課63人，選修的學生人數在增加。

1.1 課程理論教學現狀

課程理論教學內容從三個部分展開，分別是基礎知識學習、分析方法和工程應用，在基礎知識學習部分學習控制論的基本概念和控制系統的數學模型，在分析方法部分學習控制系統的時域分析、頻域分析和穩定性分析，在工程應用部分學習控制系統的校正設計方法。課程理論教學重點學習前兩個部分，第三部分屬于了解內容，由于課程學時安排有限，該部分的介紹不夠深入。課堂教學主要采用“板書+PPT”的教師講授形式，師生的交流方式主要以面對面的課堂互動、課間答疑和課后答疑為主。

1.2 上機教學現狀

課程應用MATLAB/Simulink軟件，開設8個學時的上機課程，主要通過MATLAB計算機軟件實現控制理論知識的應用教學。上機內容包括MATLAB在控制系統模型建立和仿真中的應用、MATLAB環境下典型系統的時域響應分析和頻域分析，通過MATLAB/Simulink繪制時域響應曲線、奈奎斯特圖和bode圖等，并進行系統分析。

1.3 新冠肺炎疫情期間線上教學情況分析

在2020年春季新型冠狀病毒肺炎疫情期間，國內各高校被迫開展線上教學，筆者對承擔的針對車輛工程的一門控制理論課程進行線上理論教學，根據教研組討論及學生的反饋，采用“慕課異步SPOC+慕課堂+騰訊直播課堂”的教學方式開展線上理論教學，完成后對教學班的學生進行了問卷調查（35人填寫），部分調查結果如圖1所示。由圖1可知，對完全線上教學的不滿意程度比例達到了約22.86%，從問卷中分析，其中一部分原因是在家中學習條件的限制;疫情后有約37.14%的學生傾向于線下和線上的混合教學;有約68.57%的學生選擇應以線下教學設計為主，只有約2.86%的學生選擇以線上教學設計為主。另外，筆者統計了學生更愿意與老師的交流方式，有約42.86%的學生選擇“面對面交流+網上交流”的方式。

2 課程教學改革方案

根據上述分析，結合筆者的教學實踐及學生學科背景，“以學生為中心”的目標，從以下幾個方面提出改進措施。

2.1 線上線下混合教學模式的應用

通過此次疫情期間的線上教學，教師和學生深刻體驗了線上教學的優勢和不足。如何有效利用線上和線下教學的優勢，進行混合式教學給教師帶來了挑戰。[5]根據本門課程的特點，在線上，教師通過線上教學平臺（如慕課、雨課堂等）提前做好線上理論教學課程（視頻+課件+思考與討論），學生進行自主學習基本知識點，同時通過線上課程討論區和通訊平臺（如QQ、微信等），提供學生與學生、學生與教師的線上交流平臺;在線下課堂上，教師深入講解課程的難點和更多的工程案例，也有更多的時間進行討論學習，加強學生與學生、學生與教師線下面對面的交流;此外，在過程評價上，為充分體現學生在線上線下學習的主動性、積極性以及思考問題和交的流能力，形成“線下評價為主、線上評價為參考”的評價方案，再加上最后的理論課考試和實驗報告，形成最終成績。通過上述方案，教師在教學過程中做好引導，調動學生學習的主動性和積極性，充分體現“以學生為中心”的教學模式。

2.2 工程案例驅動的教學模式

案例教學法是高校教學中常用的教學方式，該課程的理論性強、難以理解，且是選修課程，教學中應密切結合學科背景，增加與學科背景相關的工程案例，激發學生的興趣，體現學習該課程的“有用性”，同時，讓學生更好的理解課程的知識點。如筆者將以新能源車輛先進運載動力裝置相關的內容為工程案例，驅動該課程的教學。如在控制系統數學模型知識的學習中，可由簡單例題到復雜工程案例的教學，對于機械系統建模，由簡單的m-k-c系統到用于車輛系統仿真的車輛動力學模型，如圖2（a）所示;對于電網絡系統，由簡單的R-L-C電網絡系統到車載質子交換膜燃料電池等效電路模型，如圖2（b）所示。

2.3 以應用為目標的教學內容改革

該課程開設在大三年級，近兩年越來越多的學生選修了該課程，開課后學生跟老師交流希望學會控制系統的設計。這是因為越來越多的學生參加了科研、大學生創新、競賽等，實際應用的需求在增加，這也是選修課的魅力，選修課不只是修學分，學生應根據自己的需要和興趣選修課程。故教學內容中除了上述重點學習內容外應將控制系統校正設計作為一個重點來學習，適當調整課程理論學時和上機學時，增加一部分理論課時和實踐學時。同時，因為大三學生已基本熟悉了MATLAB操作環境，可適當減少上機學時。另外，筆者正在進行基于模型設計的新能源車輛混合動力系統開發，后期將可應用于實踐教學，通過演示、操作等手段讓學生在實踐中了解控制系統的設計，學習控制論在能源與動力工程學科的應用。通過以應用為目標的教學改革，讓學生主動參與學習，培養學生的實踐和創新能力，幫助和鼓勵學生積極參與科研、競賽等應用探索。

3 結語

本文結合自身在控制工程理論課程的教學實踐，通過分析課程的教學現狀及疫情期間的線上教學情況，并結合能源與動力工程（先進運載動力方向）專業學科背景。“以學生為中心”，在教學模式和教學內容方面提出了“能源與動力工程控制基礎”課程的改革措施，以提高學生學習的主動性和實踐能力，并提高教學質量。

參考文獻

[1] 王曉墨，陳剛，成曉北.新工科背景下能源動力類專業建設探索與實踐——以華中科技大學能源與動力工程專業為例[J].高等工程教育研究，2019（S1）：9-10，19.

[2] 田飛，施剛，施衛東，等.能源與動力工程控制基礎現代化教學一體化探討[J].教育教學論壇，2018（43）：88-89.

[3] 袁明新，王琪，洪磊，等.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.

[4] 吳炳勝，荀杰.機電工程控制基礎[M].北京：冶金工業出版社，2011.

[5] 苗宇，蔣大明，劉澤.“自動控制原理”混合式教學實踐[J].電氣電子教學學報，2020.42（1）：82-86，90.