应用技术型本科高校控制工程基础课程教学改革研究

陈国彬 臧勇 葛海浪 杨会

【摘 要】根据应用技术型本科院校机电工程专业的培养目标，我们针对控制工程基础课程进行了教学模式及方法改革的探索研究。在详细分析该课程教学现状与存在问题的基础上，提出了一系列改革措施，包括调整学时分配、改变课堂管理模式、增加数字仿真以及引入综合性实例项目。这些措施完善了机电专业中应用技术型本科高校的教育方法和教学模式，能够培养出具有扎实专业技术基础、综合工程系统能力和良好团队协作能力的当代应用型人才。

【关键词】应用技术型；机电工程；微助教；Matlab仿真；实践项目

中图分类号： G712；TH-39 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）24-0071-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.034

【Abstract】According to the training objective of electromechanical engineering in technology- applied undergraduate universities， we have carried out an exploration and research on the reform of teaching mode and method in the course of control engineering fundamental. On the basis of detailed analysis of the teaching status and existing problems， a series of reform measures are proposed， including adjusting the allocation of class hours， changing the classroom management mode， adding digital simulation and introducing comprehensive example projects. These measures have improved the education method and teaching mode of technology-applied undergraduate universities in electromechanical specialty， and can cultivate modern applied talents with solid professional technical foundation， the ability of comprehensive system design and teamwork.

【Key words】Applied Technology；Electrical and Mechanical Engineering；Micro Teachermate；Matlab Simulation； Practical projects

0 引言

應用技术型本科教育是新时代高等教育结构调整阶段中的一种新型的教育类型，以本科教育为主，面向区域经济社会，以学科为依托，以应用技术型专业教育为基础，以社会人才需求为导向，培养高层次应用技术型人才[1-2]。相比于传统的本科教育，应用技术型本科教育更加注重学生实践能力及知识应用方面的培养。因此，应用技术型本科教育也应该在传统本科教育的教学模式与教学方法的基础上针对其自身特有的教育培养目标进行不断的进行改革创新，从而不断完善应用技术型本科教育的教育方法和教学模式。

控制工程基础是机械设计制造及其自动化（机电一体化）专业的一门专业基础课。另外，在机械类各专业的教学计划中，也是一门理论性较强的技术基础课。它是进行控制系统动态特性分析的基础，在整个专业知识结构框架中起着承前启后的作用，它紧密联系和应用先行课程的知识，并为后续课程的学习打下理论基础[3-4]。控制工程基础课程所研究的问题带有普遍性，对工程实践具有重要的指导意义，有利于帮助学生树立“系统”的概念，为学习后续课程、从事工程技术工作、进行科学研究、开拓新的领域，打下坚实的基础。

控制工程基础课程的主要具有理论抽象、知识面广以及工程实践性强等特点[5]，同时在应用技术型本科高校中，应用传统本科高校的教学方法和教学模式无法满足应用型人才的培养需求。因此，针对该问题本文首先对当前控制工程基础课程在应用技术型本科高校“宿迁学院”中的教学现状以及教学问题进行分析；其次，针对这些问题提出教学改革思路及具体实施措施，为提高教学质量、提升学生实践创新能力、科研能力以及就业竞争力提供一定的参考。

1 课程教学现状及存在问题

控制工程基础是以物理学为理论基础、以高等数学为分析手段、以自动控制应用为实践目标的一门具有实践性、综合性以及学科交叉性的专业基础课。该课程的主要教学任务是通过各个教学环节，运用各种教学手段和方法，使学生掌握系统动态特性数学模型的建立和研究方法，并学会应用这些研究方法对已知系统的稳定性、快速性和准确性问题进行分析，以及进行控制系统的设计。当前，该课程仍在应用传统的教学模式和方法，因此在教学过程中仍存在一些问题。

1.1 学生基础薄弱

控制工程基础课程是在本科三年级时开始的一门专业基础课，它的要求学生对前两年所学的包括高等数学、复变函数、大学物理以及电子技术在内的几门课程具有扎实学习基础，从而能够综合运用所学的知识来分析和解决实际工业控制问题。但由于上述这些课程本身具有较大的学习难度，另外控制工程基础课程与这些课程学习的时间间隔较长，因此又更加提高的本门课程的学习难度。

1.2 学生学习兴趣不高

针对应用型本科教育要求，本课程当前学时为48学时，其中包括40学时的理论课以及8学时的实验课。由于本门课程的特点是理论性强，其理论学时中主要以物理建模、数学分析、公式推导以及定理证明等内容为主，因此利用单纯的讲解方式势必会令学生感觉枯燥乏味，难以对该门课程提起学习兴趣，从而降低学习效果。

1.3 课程教学和考核模式单一

当前该课程的教学模式主要包括课堂教学以及实验，而考核成绩主要由闭卷笔试成绩以及学生平时表现成绩构成。在这样的教考模式中，学生的实践环节只有通过短短的8学时实验进行，很难提高学生对自动控制系统的实践创新能力以及对系统的整体分析能力。另外，实验内容只针对理论学习中单一的知识点进行实验验证，缺少综合性、设计性、创新性和研究性题目进行实践学习。因此，该教考模式下培养出的学生无法满足应用技术型本科教育的培养需求。

2 课程教学改革思路及具体实施措施

针对我校当前机械设计制造及其自动化专业控制工程基础课程的教学现状以及存在的问题，并结合应用型本科高校的教学实践要求，我们主要以下四个方面进行教学改革。

2.1 调整学时分配

当前控制工程基础的课堂教学内容主要有五部分共有40学时，对于这些内容的课时分配为：控制系统的基本概念2学时，数学模型10学时，时域分析法10学时，频率响应法14学时，控制系统的设计及校正4学时。为了让学生能够更加容易地理解本课程的知识内容，我们增加了2学时的知识回顾课程，重点针对本门课涉及到的基础知识进行二次讲授，包括微积分原理、拉普拉斯变换、力学基本原理以及电子电路知识等。另外，为了让学生加深对课程整体的认识同时提高学生的实践能力，我们将理论课时压缩至32个，将剩下的理论课时与实验课时一起用于完成一项应用实例项目的设计分析。

2.2 改变课堂管理模式

传统的课堂管理需要教师对学生进行考勤提问，该工作会令本来已经压缩的课堂教学时间更加紧张。因此，为了提高课堂管理效率，我们引入一款课堂互动轻应用工具“微助教”进行辅助管理。在上课之前，教师通过微助教网站创建云端智慧课堂，该课堂支持考勤管理、题库管理、学习评价、作业批阅、学生分组、成绩导出等功能[6]。课中，教师利用手机微信、电脑浏览器，通过微助教与学生进行高效率的全员互动；学生只需通过手机关注“微助教”微信公众号，进行签到、答题和讨论；微助教可即时统计学生的互动参与情况，并将結果呈现在大屏幕上，使学生的参与效果一目了然，便于教师根据实时反馈的学生学习状态评估教学效果，并根据在线学习数据及时调整教学的进度与节奏。该软件能够为教师带来“控制感”，给学生带来“参与感”，给教育管理者带来“安全感”。不仅能够提高课堂管理效率，同时还能提高学生学习兴趣。

2.3 增加数字仿真

在本课程教学内容中，系统的时域、频率特性以及PID校正设计都需要针对不同输入信号以及不同系统参数下的输出特性进行分析。当前对这些内容的教学方式都是通过幻灯片以及板书的形式进行，从学生理解的角度来说该方法不够直观。为了让学生能够更加直观的掌握该部分的内容，我们在课堂教学中引入MATLAB数字仿真软件，该软件是当今广泛为人们采用的控制系统数字仿真软件[6-7]。在上课之前，教师利用MATLAB软件中的Simulink工具箱进行系统建模；在课堂讲授过程中，可以通过改变系统模型中输入信号以及结构参数实时得到系统的时间域响应曲线、频域奈奎斯特曲线以及波特图等关键图表，能够让学生直接看到影响结果，从而加深学生对该部分知识内容的认识。

2.4 引入综合性实例项目

实践教学是直接关系到学生高技能培养目标实现的重要环节，是推进教学改革的重要组成部分。我们利用压缩理论课时后剩余的16学时进行综合性实例项目，例如伺服电机的PID控制策略。在项目实施之前，需要对学生培训相关的技术内容，指导学生主动查阅相关资料，安排机电控制实验室为学生提供实验台、电机等实际的物理系统。在项目实施过程中，指导学生对系统建立数学模型，利用MATLAB软件进行时域、频域仿真分析，并设计相应电机控制电路对电机进行PID控制，最后将仿真结果与实际控制结果进行对比验证。其整个设计过程，能够令学生加深对课程整体性的把握，同时能够提高学生的实践动手能力。

3 结语

根据应用技术型本科院校机电工程专业的培养目标，本文针对控制工程基础课程进行了教学模式及方法改革的探索研究。我们首先以当前该课程的特点与教学现状为基础进行分析研究，总结出当前该课程在教学过程中主要有课程理论性强、学生基础薄弱、学习兴趣低以及缺乏实践环节等问题。其次，针对这些问题我们提出了一系列改革措施，包括调整学时分配、改变课堂管理模式、增加数字仿真以及引入综合性实例项目。这些措施改善了现有“控制工程基础”课程教学占主导的现状，以“做中学”的形式培养学生创造能力及解决实际问题的能力，进而培养出具有扎实专业技术基础、综合工程系统能力和良好团队协作能力的当代应用型人才。

【参考文献】

[1]刘晓，申屠丽群.应用技术型本科教育：内涵、特征与趋向[J].江苏高教，2015（04）：64-66.

[2]李硕豪，耿乐乐.应用技术型本科人才培养规格论理[J].职业技术教育，2017，38（22）：26-31.

[3]李辉，姜一波，鄢煜力，叶凡，段鹏飞，夏璇.应用型本科“控制工程基础”教学改革与实践[J].常州工学院学报，2018，31（02）：93-96.

[4]张磊，王树臣，张建化.应用型本科“控制工程基础”课程的教学改革与实践研究[J].高教学刊，2016（09）：127-128.

[5]邹方利，肖莉.应用型工科院校《控制工程基础》课程教学方法探析[J].教育教学论坛，2014（36）：48-49.

[6]谭志虎，胡迪青，田媛，许炜.微助教对高校大班课堂互动教学的重构[J].现代教育技术，2018，28（01）：107-113.

[7]张建化，王树臣，陈跃.MATLAB软件在《控制工程基础》课程教学中的应用研究[J].软件导刊，2015，14（12）：202-205.

[8]杨秀萍，郭悦虹，王收军.Matlab仿真在《控制工程基础》教学中的应用[J].制造业自动化，2011，33（07）：58-60.