應用型本科“控制工程基礎”課程教學改革與實踐

摘 要 傳統教學方法存在以下的缺陷：理論與工程實際應用結合不緊密，無法更好地培養學生的實踐動手能力，未能體現桂林信息科技學院培養高素質應用型人才的辦學目標與宗旨。為了解決以上問題，培養學生自主學習、解決問題，以及終身學習的能力，文章首先詮釋了應用型人才培養的目標，介紹了“控制工程基礎”課程教學現狀，然后提出課程教學改革與實踐的路徑與主要舉措：優化網絡資源建設、改進教學方法、跨學科深度融合教學等，最后總結了實施教學改革后，學生學習的變化以及教師需要繼續改進的方面。

關鍵詞 應用型本科；控制工程；教學改革；教學設計

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.21.043

Teaching Reform and Practice of the "Fundamentals of Control Engineering" Course in Applied Undergraduate Education

Abstract The traditional teaching methods have the following shortcomings： the combination of theory and practical engineering application is not closely integrated， which cannot better cultivate students' practical and hands-on abilities， and fails to reflect the educational goals and objectives of Guilin University of Information Science and Technology in cultivating high-quality applied talents. In order to address the above issues and cultivate students' abilities for self-directed learning， problem-solving， and lifelong learning， the article first explains the goals of cultivating applied talents， introduces the current teaching status of the "Fundamentals of Control Engineering" course， and then proposes the path and main measures for curriculum teaching reform and practice： optimizing network resource construction， improving teaching methods， interdisciplinary deep integration teaching， etc. Finally， it summarizes the changes in students' learning after implementing teaching reform and the areas that teachers need to continue to improve.

Keywords applied undergraduate program; control engineering; teaching reform; instructional design

2014年3月，中國教育部改革方向已明確，全國1200所普通本科高等院校，將有600所逐步向應用技術型大學轉變。這為桂林信息科技學院開展教學改革與實踐指明了方向[1]。桂林信息科技學院辦學定位為“知原理，懂技術，善操作，會應用”的應用技術型本科院校。應用技術型本科（以下簡稱應用型本科）區別于學術型本科，更強調動手能力與創新能力，其課程設計注重學生自學、創新與創業能力培養，目的是培養本科生的實踐能力和創新精神，提高學生的就業競爭力[2]。學院需要從課程體系構建入手，強化教學改革與實踐工作，例如，優化課程網絡資源建設、教學模式更多樣化、與不同課程深度融合教學，堅持以學生為本的理念，構建更加完善的課程體系，為學生就業和地方行業發展奠定良好的基礎[3]。

1 “控制工程基礎”課程教學現狀

“控制工程基礎”為機電工程學院部分專業，如，電氣工程及其自動化、智能制造、新能源等專業學生的專業基礎課，受眾面廣。目前該課程的理論課時為40課時，主要講解經典控制理論的動態數學模型，例如RLC二階振蕩環節、RC一階慣性環節、微分環節、時域瞬態響應分析，分析延遲時間、上升時間、峰值時間，控制系統的頻率特性等。學院使用的教材為2022年清華大學出版的《控制工程基礎（第5版）》，其第8章為根軌跡法，為了適應學校的教學定位，團隊教師重新梳理了教學內容和授課順序。首先從定性上描述自動控制的基本概念，了解什么是控制系統的穩定性、準確性以及快速性。其次定量分析，建立控制系統數學模型。然后具體到分析方法，比如時域分析、頻率分析，將原本的第8章根軌跡放到線性系統分析方法中，最后是校正環節。學術型本科“控制工程基礎”課程教學，重點強調數學能力的應用，即建立數學模型，對數學模型進行求解[4]。應用型本科，該門課主要培養學生分析工程實例，利用理論知識分析解決工程實際問題的能力。該課程理論性強，對高等數學、線性代數、電路等知識要求高，同時還需一定的Matlab編程以及Simulink仿真能力。若采用傳統的教學模式，教師缺乏與學生的課外交流溝通，忽略學生的學習體驗，學生學習動力欠缺，教師教學重理論，缺少工程應用，一定程度上與學生的就業方向相偏離。

2 課程教學改革與實踐路徑

“控制工程基礎”在堅持立德樹人的基礎上，以OBE教學理念為導向，培養機電工程應用型人才，使學生達到知識、能力和素質三個目標。知識上，掌握時域分析、頻率域分析、控制系統的綜合和校正等。真正會運用控制思想對機電產品進行控制系統設計中的軟、硬件設計、例如與單片機結合，對恒溫箱進行溫度控制，與PLC中結合，對AI人工智能等前沿科技進階探索。能力上，分別是綜合分析與實踐應用能力。在綜合分析能力上具備獨立分析自動化控制項目的可行性方案論證、具體實現方法的綜合分析設計能力。在實踐應用能力上具備機械結構、軟件調試、自動化控制等工業系統化項目的具體實施能力，面向企業，達到工程應用型人才標準。素質上，通過教學改革與實踐，形成自主學習、探究學習與終身學習的專業能力。課程改革與實踐包含以下幾個方面。

2.1 重新梳理課程內容，優化課程網絡資源建設

根據電氣專業課程教學大綱的要求，課程的最終任務目標是培養具有探究能力、設計能力、動手實踐能力、創新思維的復合型、應用型人才。為此，教師團隊首先以OBE為導向，結合理論，融入仿真、動畫，打造了線上豐富的教學資源。含原創課件、微課、動畫等，同時分享網絡優秀資源，擴大學生課外閱讀認知，激發學生學習動力，培養專業興趣。通過線上拋出的具體項目案例為驅動，引導學生課外自學探究，加強課外實踐能力的養成。線下教學則引入現代仿真教學軟件，根據本課程重難點，結合學科前沿動態設計創新課題，學生分組討論方案，并在課堂通過現場搭建電路、設計程序、設置故障、驗證方案正確性等方式，打造工程設計情境，教師全程管控指導，使學生能夠積極參與其中，實現師生互動、生生互動的良好氛圍。基于OBE理念的線上案例名稱為自適應定速巡航系統設計，涉及的課程有“控制工程基礎”“C語言程序設計”“單片機原理與接口技術”，具體章節內容分別為：“控制工程基礎”第7章系統的誤差分析和校正，“C語言程序設計”第4章和第5章賦值、循環、判斷等語句，“單片機原理與接口技術”第6章定時器中斷、PWM、時間計時。在線上仿真過程中可清楚看到定速過程中有誤差，盡可能使誤差趨于無窮小，培養學生精益求精的工程素養。學生在線下練習儀表風扇的穩速控制，教師在第三課堂指導學生制作該系統實物。

2.2 改進教學方法和手段，采用多元化的教學模式，做好每一節課的教學設計

傳統教師上完課就離開課堂，課余時間教師無法及時輔導答疑，授課以書本理論知識為主，缺乏理論與工程應用實際相結合，教師未能設身處地地與學生換位思考，使師生之間的溝通漸行漸遠。課題組精選教學方法，目前團隊教師多采用項目案例式教學以便理論聯系實際；探究式教學以便啟發學生思維；對比式教學以便學生前后融會貫通；線上線下混合式教學以便緊密師生聯系。教學設計應該以學生為中心，圍繞著學生的需求、興趣和能力展開。圖1為控制工程基礎課程教學設計總體思路，首先，前課回顧，課堂前3到8分鐘，教師回顧上節課重難點知識，為后續講解奠定堅實基礎，其次，以實際的工程問題的結果為導向，提出本節課的問題，激發同學們的興趣，最后，實際解決工程問題，在解決工程問題同時做到新知識的鞏固、總結。

為提高學生課堂參與度，圍繞教學設計展開教學過程。教學過程遵循以下原則。課堂整體分為課前、課中、課后。課前，以解決問題即OBE理念為邏輯主線，對課堂進行整體設計；針對重點知識設計線上練習環節以及課堂檢測環節，需要當堂檢查學生的學習效果，計入平時成績，輔助提高到課率。課中，須重視隨堂練習環節，該環節既能幫助學生以最佳的心態進入新的學習情境，又有利于學生“溫故而知新”，系統地理解知識，掌握新知識，實現舉一反三；線上測驗環節，充分利用教室的硬件與網絡資源條件，通過學練結合，讓學生對課堂講授知識及時鞏固輸出；隨時觀察學生學習狀態，發現有理解困難或是課堂出“小差”情況，即興設計互動環節，例如通過隨機點名回答問題或是網絡彈幕答題方式來提高學生的注意力。課后，圍繞大學生的學科比賽，例如大學生工程訓練大賽，數學建模大賽，電子設計大賽等，來設計工程應用創新示例，如何在有限的40課時內將學科比賽以及工程應用納入教學設計？課程組在選修課課程活動實施方案中找到了解決方法。課程組教師同時承擔了學院選修課，32課時“Matlab程序設計與應用”課程彌補了理論課上實踐性少的不足，在教學設計上，利用選修課，教師在第二課堂、第三課堂指導學生實踐和比賽，達到以賽促學，賽教融合，培養更多具有工程思維的應用型人才。

2.3 與不同學科課程深度融合教學

專業課程之間知識點有交叉和重復是一個普遍存在的問題，這不僅限于某一學科或專業，而是在多個學科和專業中都有所體現。而傳統的“孤立式”教學方式，教師只顧“單打獨斗”，未注重課程之間知識的聯系，不利于學生對知識體系的系統性把握[5]。

自動控制三要素中，快速性和準確性是工業機器人控制中的核心問題。以單軸機器人的位置控制為例，來進行詳細的教學融合與設計。首先教師布置預習任務，學生自主查閱機器人運動軌跡方面的基本知識，預先規劃好機器人的行走路線。其次，根據“控制工程基礎”第2章數學模型的建立，建立機器人數學模型，推倒其傳遞函數表達式。包含直流電機、減速器以及機器人的單桿，利用Simulink建立仿真模型。最后，根據“控制工程基礎”第6章內容綜合與校正，設計PID控制器。詳細介紹PID控制原理、特性以及優缺點，利用仿真效果來進行直觀的綜合評價，此過程體現了控制系統三大特性，即穩定、準確、快速。通過數字融合與實踐，讓學生在了解機器人的同時，掌握控制工程相應的知識點，從而促進學生對專業知識的系統性理解。

2.4 課程成績評定強調過程控制

控制工程基礎課程實施教學改革后，強化了過程控制，成績的評定采用考核和過程控制相結合，增加了對學生線上學習過程管理和評定比例，平時成績比例比改革前有所提高，由原本的30%，提高到50%。線上教學強調了作業環節、在線學習時長，以及討論環節等。對于參與線上討論學習和線上教學評價的學生，將根據其參與程度和貢獻給予相應的評分。考核方式逐步從傳統的筆試轉向結合仿真軟件進行的機試和筆試，并簡化煩瑣的計算環節。對于概念、名詞的理解，學生通過線上題庫完成考核，系統自動給出客觀題目的評分。在課程評價的標準上，定向追蹤到大四學生的畢設作品中，注重學習的最終效果。

3 教學改革總結

通過線上線下混合式教學、項目式教學以及學與練結合等創新教學方式，并引入學科比賽，“控制工程基礎”課程取得了較好的教學效果，教學質量得到進一步提高。理論學習上，學生對基本知識點的掌握有了很大的進步，從線上單元的作業情況來看，平均良好率為38%，比教學改革前，提高了13個百分點，對于一些難點內容，例如，控制系統的綜合與校正、系統奈奎斯特穩定性判斷的掌握都有了不同程度的提高。實踐方面，學生通過使用Matlab，簡化了煩瑣的數學計算，能自主繪制系統的極坐標圖，并通過圖形判斷系統的穩定性和可靠性。從學習時長上看，根據線上線下學習時間統計，課程改革前，學生平均學習時長為19個小時，課程改革后，學生平均時長增加了4.7個小時。學生實現了從被動學習到自主學習的轉變。但在教學實施過程中也存在一些問題，如，工業自動化中的工程實例涉及的知識面廣，不適合目前學生的知識水平；教師在講解時引入的工程實例，無法引導學生獨立思考，這些問題需要在之后的課堂教學中通過不斷改革與實踐加以解決。

參考文獻

[1] 邱媛媛，賀少鵬，鳳超，等.基于OBE理念應用型本科院校“控制工程理論”課程的教學改革[J].南方農機，2023，54（21）：184-187.

[2] 陳晶.應用型本科“控制工程基礎”課程的教學改革與實踐探究[J].科學咨詢（教育科研），2023（9）：111-113.

[3] 黃國富，王棉棉，胡鵬，等.地方應用型本科院校水污染控制工程課程教學改革探討——以濰坊科技學院為例[J].廣東化工，2021，48（13）：297-298.

[4] 齊銘，王琛，王栓強，等.應用型本科院校材料工程基礎教學改革探討——以西安航空學院為例[J].教育教學論壇，2020（35）：153-155.

[5] 王瑞芳，張姣.“自動控制原理”課程多元混合式教學模式探索與實踐[J].裝備制造技術，2023（9）：114-118.