多元融合開展控制工程基礎教學改革

司娟寧 郭陽寬

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京100192）

0 引言

近年來，工程教育專業認證得到社會各界的廣泛關注。信息化時代，工程教育專業認證對高校培養應用型專業人才提出了更加嚴格的標準和要求，要將以學生為主體、以成果產出為導向、以持續不斷改進這三大教育理念貫穿人才培養全過程[1，2]。緊扣學生培養目標和畢業要求，不斷改進和探索教育模式和教學方法，增強學生的綜合素養和創新精神，提高解決復雜工程問題的能力。

控制工程基礎是一門多學科交叉融合的基礎理論課，是測控技術與儀器專業的基礎課，理論性和實踐性很強，要求學生具有扎實的數學功底和專業素養。傳統的教學模式和教學方法已經難以適應工程教育專業認證和信息化時代應用型專業人才培養的需求。因此，對控制工程基礎課程進行教學改革是新時代培養高素質、復合型人才的必然趨勢。

1 加強課堂教中的師生互動

控制工程基礎課程包含大量的理論知識和抽象概念。本課程涉及的時域分析、根軌跡、頻率特性分析中包含大量的圖解方法。板書繪圖直觀生動，但是繪圖過程煩瑣，耗費了大量課堂學時，這在一定程度上降低了教學效率和教學質量。結合多媒體教學，可以在幻燈片中顯示一階、二階系統的時域響應、根軌跡、奈氏（Nyquist）圖、或伯德（Bode）圖等，可以有效提高教學效率，但仍缺少曲線的動態繪制過程。學生在課堂上學到的僅是老師事先準備好的材料，很多情況下不能根據學生的要求現場展示不同參數對應的曲線變化，互動性和實時性較差[3]。

針對這一現狀，將MATLAB應用于控制工程基礎課程的教學過程當中，針對各章節中不同知識點演示不同問題的MATLAB編程方法和求解過程，如控制系統建模、編寫相應的仿真程序、繪制曲線等，將抽象的理論知識與具體的響應特性結合起來，幫助學生在加深對理論認識的同時掌握MATLAB編程語言。MATLAB中可以任意修改模型參數，繪制模型的仿真曲線，并且與電路仿真以及實物電路的結果進行對比分析。通過課堂的動態演示和學生的反復練習，可以充分調動學生的學習興趣，引導學生多思考、多動手、多探索、多創新，從而大大提高教學效果。

2 構建虛實結合的實踐教學模式

實踐教學與理論教學是密不可分的有機整體，二者相輔相成。在當前工程教育專業認證、一流專業建設、卓越工程師等教育背景下，要求高校在應用型專業人才培養的過程中更加重視實踐教學的重要性，要將理論與實踐緊密結合，與時俱進，不斷創新。

根據測控專業的培養目標，進一步改進和完善實驗教學內容，以Multisim和NI ELVIS III平臺為基礎，構建由基礎驗證實驗、綜合應用實驗以及創新設計實驗組成的實踐教學方案，培養善于思考、樂于動手、勤于探索的高素質應用型專業人才。

2.1 基于Multisim軟件完成控制系統的電路仿真

由于控制基礎課程實驗的實物電路通常較為復雜，學生在實驗過程中，由于對控制系統的結構和模型還不熟悉，錯誤地連線、盲目地調節電位器、電容器等，很容易造成元器件的損壞或電路損壞。如果采用Multisim進行硬件電路的仿真，提前在仿真環境中完成元器件參數的合理選擇、電路輸入輸出模型的測試，將會有效指導實物電路的搭建。如圖1所示為二階欠阻尼系統，1a為Multisim軟件的仿真電路；1b為該系統的仿真結果。

圖1 二階欠阻尼系統仿真結果

2.2 基于NI ELVIS III平臺完成實物電路搭建和參數測量

NI ELVIS III是美國國家儀器公司提出的一種面向“新工科”的創新工程教學實驗平臺（見圖2），它將儀器和嵌入式設計與網絡驅動的體驗相結合，集成了一套常用的實驗室儀器，包括模擬和數字I/O以及高性能嵌入式控制器，不僅可通過USB接口，還可使用WiFi和以太網與計算機連接，實現簡單、便捷、快速的采集、測量和顯示[4，5]。本課程組選擇NI ELVIS III數據采集平臺作為控制工程基礎實驗綜合創新平臺，配套的面包板可供學生根據系統電路圖自由搭建實物電路，在動手過程中更好地培養學生的實際動手能力。并利用平臺集成的示波器、函數發生器、數值萬用表、邏輯分析儀、波特分析儀、可變電源等模塊，測量電路各項指標參數。

圖2 虛擬儀器實驗平臺

3 構建線上線下融合的多維教學資源庫

開展線上線下融合的混合式教學是信息時代的必然選擇，有利于實現傳統課堂轉型，提高教學質量[6]。將線上教學與線下教學有機融合，充分發揮二者的互補優勢，結合本校實際情況，構建“以學生為本”的線下線上融合的多維教學資源庫。具體來說，基于學習通軟件構建教學資源庫，使學生對課程的學習不受時間、地域的限制。根據控制工程基礎課程教學大綱的要求細化知識點，有針對性地設置不同難易程度的任務點，主要形式包括視頻、文檔、測試等，覆蓋課前預習、課堂學習、課后復習等各個教學環節。考查學生對任務點的完成時間、完成程度、正確率、反復學習次數等，進行多維度綜合考評。通過學習通教學平臺進行考勤簽到、選人回答、小組討論、資料分享、收發作業等師生互動。

另外，錄制課堂教學的視頻并及時發布在線上教學平臺，方便學生能夠結合自身情況有針對性地回放和復習。此外，學習通平臺還擁有強大的網絡資源，包括圖書庫、期刊庫及精品課程等資源，方便感興趣的同學拓寬視野。在整個“教”與“學”的過程中，教師是組織者和引導者；學生是學習的主體，有效地將傳統課堂中以知識講授為主的被動式學習，轉變為由學生為中心的主動式學習模式。課堂不再是教師灌輸知識的場所，而是師生共同解決問題、教學相長的殿堂。

4 優化課程評價體系

根據專業培養目標和課程教學大綱，并結合本校學生的實際學習情況，優化和改進控制工程基礎的課程評價體系。堅持以學生為主體，以提高學生綜合素養為目標的主體思想，構建多元化、開放化的課程綜合評價體系。除了常規基礎理論的閉卷考試，更加注重過程考核。把學生的隨堂小測、課程實驗、網絡互動等納入考核。此外，從學生個人的自評、同學之間的互評以及教師的點評等多個角度入手，進一步優化控制工程基礎課程考核評價體系，從而進一步提高學生學習興趣、提高學習的積極性和主動性。

對課程教學進行深入分析，通過學生的課程達成度評價以及學生的學習反饋等方面綜合評價。對于教學過程中的短板進行深入分析和評價，堅持評價——改進——再評價的閉環模式，不斷改進和完善教學方法和手段，提高教學質量。

5 結語

隨著科學技術的迅猛發展和新時代人才培養需求的不斷變化，對傳統教學模式進行與時俱進的改革和優化是控制工程基礎課程發展的必然趨勢。本文在新工科、工程認證、卓越工程師、一流專業建設等教育背景下，提出了多元融合的控制工程基礎教學改革，對教學方法、實踐教學、教學資源構建、課程評價體系等進行改革與探索，旨在進一步提高教學質量，提高學生專業素養和綜合素質。