新工科背景下控制工程基礎課程教學改革與探索

董金波 趙汗青 李大勇

摘? 要：在新工科背景下，學生工程實踐能力的培養顯得尤為重要，控制工程基礎作為機械類專業的一門必修課程，在人才培養體系中具有十分重要的作用。本文分析了控制工程基礎課程教學中存在的問題，從教材選擇、教學內容和方式安排、翻轉課堂教學方式、虛擬仿真實驗平臺建設等方面提出了教學改革措施，從而調動學生學習的積極性和主動性，提高學生分析和解決實際工程問題的能力。

關鍵詞：新工科? 控制工程基礎? 實踐能力? 教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0207-03

Teaching Reform and Exploration of Control Engineering Foundation Course under the Background of New Engineering

DONG Jinbo? ZHAO Hanqing? LI Dayong

（ Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin， Heilongjiang Province， 150022? China ）

Abstract： Under the background of new engineering， the cultivation of students' engineering practice ability is particularly important. As a compulsory course of Mechanical specialty， Control Engineering Foundation course plays a very important role in the talent training system. This paper analyzes the problems existing in the teaching of Control Engineering Foundation course， and puts forward teaching reform measures from the aspects of textbook selection， teaching content and mode arrangement， flipped classroom teaching mode and the construction of virtual simulation experiment platform， so as to mobilize students' learning enthusiasm and initiative and improve students' ability to analyze and solve practical engineering problems.

Key Words： new engineering; Control Engineering Foundation; Practical ability; Teaching reform

“新工科”與傳統工科有明顯區別，隨著時代的發展“新工科”的發展更具有時代感，“新工科”的專業性及實踐性會更強，能夠為社會帶來更大的價值。在新工科背景下，企業對學生的理論聯系實際及工程實踐能力提出了更高的要求?？刂乒こ袒A作為機械類專業的必修課程，主要應用自動控制理論的原理和方法對工程系統進行分析和設計。隨著現代科技的發展，控制技術已經與機械工程學科融為一體，并在機械及自動化領域中起著越來越重要的作用，控制工程基礎所涉及的基本理論和方法已經成為學生分析和解決實際工程問題的有效手段，為學生進行后續課程的學習及從事控制相關領域的工作奠定了理論基礎[1-2]。

1? 控制工程基礎教學中存在的主要問題

1.1 課程學時少，學生對課程認識不夠

隨著科技的不斷進步及計算機技術的發展，控制理論的多學科交叉應用也日益增多?？刂乒こ袒A作為機械類專業的一門重要專業基礎課，在整個課程設置中起到承上啟下的作用，該課程以高等數學、大學物理以及電工學等學科知識為基礎，同時也是后續課程測試技術、機電一體化、液壓伺服控制系統等學習的理論基礎，然而在該課程教學過程中，理論學時卻被一再壓縮，以機械電子工程專業方向為例，理論學時為40學時，根據教學大綱的要求要完成緒論、控制系統的數學模型（時域微分方程數學模型和復數域傳遞函數數學模型）、控制系統的時域分析、控制系統的頻域分析、控制系統的穩定性分析及控制系統的校正等內容的學習。如此繁多的理論教學內容，在有限的理論學時內顯得十分緊張，教師很難全面系統地對課程內容進行講解，從而導致學生對抽象教學內容理解不夠深入，不了解這門課的教學目的和實際應用，降低了學習的積極性[3]。

1.2 教學方式單一，學生缺少積極性

傳統的課堂以教師講授為主，同時隨著現代教學技術的發展，課堂上PPT使用的比例越來越高，雖然節省了板書的時間，加快了教學的進度，彌補了理論學時的不足，但PPT播放內容過多，導致很多理論內容一閃而過，學生一節課下來沒有充足的時間記筆記和理解所學內容，對抽象的教學內容毫無頭緒，從而導致課堂氣氛不夠活躍，造成學生學習興趣降低，甚至有一些聽不懂的學生開始在課堂上睡覺或玩手機，大大降低了課堂的學習效果。

1.3 實驗教學內容少，不利于培養創造性

實驗是理論教學的重要補充，二者相輔相成，不可分割。通過實驗環節可以加強學生對理論教學內容的理解，鍛煉學生實際動手能力及分析解決實際工程問題的能力。目前控制工程基礎的實驗為6個學時，3個實驗，分別是慣性環節時域特性模擬實驗、二階系統時域特性模擬實驗和二階系統頻率特性模擬實驗，由于實驗設備不足，一般采用3人一組的方式，這會導致一部分缺乏主動性的學生沒有動手機會，同時由于實驗均為驗證性，不利于培養學生的創造性。

由于控制工程基礎課程理論內容抽象，前后章節內容邏輯性強，同時課程的理論及實驗學時嚴重不足，導致學生對所學知識的掌握只停留在一些概念的表面上，不知如何應用，因此如何在有限的授課時間內提高學生的學習效果已經成為一個亟待解決的實際問題。

2? 控制工程基礎教學改革措施

2.1 選擇適合本校教學實際情況的教材

教材是課程理論學習的一個重要工具，是學生課前預習及課后復習的重要參考資料，因此教材的選擇就顯得尤為重要。好的教材應該知識結構安排合理，難易程度適當，重點突出，詳略得當[4]。由于大部分學生的高等數學基礎較差，即便學過《復變函數與積分變換》，但很多學生仍然認為拉普拉斯變換內容難度很高，而后面的傳遞函數和時域分析部分的內容又必須用到拉普拉斯變換相關知識，因此在選擇教材時應帶有這部分內容，同時教材每章應該配有較多的結合工程實例方面的例題，由于MATLAB軟件在控制工程基礎的學習中起到很大的促進作用。在相應的章節應該有這部分內容的介紹及相關實例，便于學生理解理論知識及現代計算機仿真軟件的使用，這樣才能夠把理論知識和實際應用聯系起來，提高學生學習的積極性。

2.2 合理安排教學內容和教學方式

重視緒論內容的講解，列舉大量控制工程基礎在日常生產及生活中應用的實例，通過圖片及視頻資料等形式，讓學生了解這門課的重要性及作用，激發學生的學習熱情。在其他章節講解時要遵循由淺入深的原則，突出基礎和核心內容，舍棄涉及復雜公式的相關理論的推導及證明過程，重視基本理論的應用。結合大量工程應用案例，采用啟發式教學，改變傳統學生被動聽課的局面，讓學生積極參加課堂討論，提高學生學習的主動性。合理規劃課堂上板書和PPT使用的比例，重點的理論內容通過板書推導來講解，從而加深學生的理解，圖表、涉及工程實例的視頻通過PPT播放，增加其直觀、生動的效果。通過恰當的教學設計， 使傳統的板書教學和現代的教學手段有機結合，揚長避短，提升學生的課堂學習效果。

2.3 采用翻轉課堂的教學方式

在傳統教學中，教師占主導地位，學生需被動接受相關知識，但這種方式不利于培養學生的主動思考及創新思維能力，目前先進的翻轉課堂教學模式更注重于學生創造思維能力的培養[5-6]。

翻轉課堂教學模式的實施包含課堂和課外兩部分。課堂環節包括學生小組討論和講解兩部分。首先學生根據課前學習難點、疑點內容以PPT的形式進行任務匯報，然后進行師生互動環節，教師對學生存在的疑點進行解答和討論，從而深化課前學習內容，加深學生對于知識點的理解，同時教師將各組成員完成的任務質量計入平時成績中，以提高學生學習的主動性。在課堂內容講解時教師根據學生討論時對內容的掌握情況調整難易知識點的分配時間，結合實際工程案例，做到有的放矢。翻轉課堂課外環節需要建立一個網絡學習平臺，包括學習資源模塊、交流學習模塊、知識測驗模塊及提升模塊等幾個部分。學習資源模塊包括教師根據整理的知識點錄制的微視頻、知識點的例題、PPT課件等，便于學生課前預習及課后復習。在交流學習模塊中，學生3～5人作為一個小組，學生可以在此進行課前內容討論，同時各個小組互評，形成積極的學習氛圍。教師可根據學生提出的問題進行解答，是師生互動的學習平臺。知識測驗模塊通過一些代表性的練習題進行測驗，平臺自動統計答題分數，從而便于教師總結學生課前預習及課后學習效果。提升模塊中學生需要主動完成一些工程案例建模，分析等，為學生以后的工程應用奠定了基礎。

2.4 加強虛擬仿真實驗平臺建設

由于實驗學時少，同時實驗設備不足，不能全面覆蓋學生所學習的理論內容，在這種情況下，虛擬仿真實驗平臺的建設就顯得十分必要。可以通過MATLAB軟件、LabVIEW軟件及組態軟件設計和開發一些基礎及綜合實驗，滿足學生對理論知識點的驗證、工程案例綜合設計問題的分析等。對于基本的知識點如根據零極點求解傳遞函數、繪制Bode圖及Nyquist圖等可直接由MATLAB軟件中的M語言來完成，對于復雜一些的綜合問題，比如二階系統的時域分析以及結合PID校正問題，借助MATLAB中的Simulink模塊進行仿真更為方便。為了增加演示的直觀效果，還可將Simulink和LabVIEW或Simulink和組態軟件建立聯合仿真平臺，學生可以從仿真平臺的界面直觀地看到控制系統的實時仿真動畫效果，從而加深理論內容的理解，通過虛擬儀器LabVIEW、組態軟件和MATLAB構成的虛擬仿真實驗平臺，學生可以根據仿真平臺自主開發和設計綜合實驗，可以反復多次進行操作，彌補了實驗及設備不足，節約了實驗設備投入資金，通過虛擬仿真實驗有利于鞏固加深學生所學理論知識，同時也可以激發學生的創新思維，提高學生分析及解決實際問題的能力。

2.5 課程考核方式的多樣化

基于新工科理念的人才培養目標，學生應該具有較強的工程實踐能力，傳統的以試卷為主的考核方式已經不能滿足人才培養的要求，因此，課程的考核方式必須多樣化。考核由平時成績的30%和期末成績的70%兩部分成績組成，平時成績由閱讀報告、課堂討論、作業和實驗組成，通過閱讀報告考察學生對控制工程的前沿發展，以及在社會生產生活方面的具體應用的了解，實驗在傳統實驗的基礎上增加了虛擬仿真實驗，考察學生對現代仿真軟件的使用能力，在期末考試中，采用開卷的方式，減少了客觀題及概念題的比例，增加了主觀分析題的比例。通過考核方式的改變提高了學生學習的主動性及理論聯系實際的能力，較好地實現了課程的教學目標。

3? 結語

控制工程基礎作為機械類學科的必修課程，對學生后續課程的學習及工程實踐能力的培養具有十分重要的作用。針對該課程在教學中遇到的問題，提出了課程教學改革的一些措施，從而激發了學生的學習興趣和主動性，提高了工程實踐能力，對新工科背景下人才培養質量的提高有重要意義。

參考文獻

[1] 邵強，葛平淑，張江燕，等.《控制工程基礎》課程的教學改革與探索[J].高教學刊，2017（3）：116-117.

[2] 燕必希，祝連慶，郭陽寬，等.工程教育專業認證引領下的控制工程課程實驗改革[J].實驗技術與管理，2016，33（8）：195-198.

[3] 龐曉旭，韓建海，邱明，等.基于多樣化教學的控制工程基礎教學改革探討[J].中國教育技術裝備，2018 （12）：89-90.

[4] 黃文怡，劉天祥，李寶玉，等.機械控制工程基礎課程的教學模式改革與研究[J].黑龍江教育：理論與實踐，2016（12）：62-63.

[5] 陳立愛，雷經發，孫虹，等.新形勢下《控制工程基礎》教學模式改革探討[J].教育現代化，2019（1）：40-42.

[6] 代偉，黃罡，郝秀娟，等.虛擬過程控制實驗教學系統與翻轉課堂設計[J].實驗室研究與探索，2019，38 （2）：144-148.