“控制工程基础”教学改革与实践

王蕊

摘要：“控制工程基础”是机电类专业重要的基础课程。在分析课程特点和教学现状的基础上，结合自身教学体会，提出教学改革的目标和具体的教学改革措施。教学实践证明，改革取得了一定的成效，可以更好地提高学生学习的积极性和工程实践能力，为提高教学质量提供了新思路。

关键词：“控制工程基础”；教学改革；MATLAB；工程实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）28-0120-02

一、引言

“控制工程基础”课程是机电类专业学生的一门重要学科基础课。课程在大三第一学期开设，是学生最先学习的控制类基础课程，在整个课程体系中起着承上启下的重要作用。该课程学时少，一般只安排40或48学时，内容抽象，理论性较强，内容比较抽象，涉及数学、物理、电工、机械等大一、大二所学的多门学科知识。学生要通过对“控制工程基础”这门课程的学习综合运用所学的上述知识，建立系统的概念，学会系统分析和设计的方法，为将来解决控制工程的实际问题打下基础[1]。由于此课程的性质，导致教师难教，学生难学，学生对控制理论知识难以理解和吸收，学习的主动性不高且不重视，更不用提用所学知识去分析和解决工程实际问题了，从而严重影响了教学质量，难以满足应用型人才的培养目标。因此，对《控制工程基础》课程进行适当的教学改革，对于提高教学质量和学习效率，帮助学生建立完整的知识体系链具有重要的意义。

二、教学目标

作为应用型本科院校，根据专业定位和学生的实际情况，《控制工程基础》课程教学要夯实基础知识，增加实践环节，突出应用性和工程性，实现“内容实用、效果好”的教学改革目标。因为该课程涉及多学科的知识，教学内容要进行优化和整合，对教学过程中遇到的其他学科的知识随时补充，做到与课程内容恰当融合，但只要求学生听懂和会应用，不做重点讲解。

三、教学改革措施

1.举实例，教学要理论联系实际。《控制工程基础》研究的是从工程实际中抽象出来的控制系统的共性问题，所包含的信息量大，更新和发展得比较快，具有一定的深度和难度。学生因缺乏对实际控制系统的感性认识，感到学习的内容比较抽象，不容易理解，影响学习效果，所以在教学过程中要重视理论和实际相结合。例如，讲第一章绪论部分时，可以从工农业生产、交通运输、国防建设和航空航天多个领域列举实例说明自动控制技术应用广泛；讲反馈控制时，可以结合生产过程的实例，如加热炉恒温自动控制系统、液压板控制系统、水箱液位自動控制系统，讲透工作原理，让学生直观地了解控制在实际中的明确应用，这样教学内容更加丰富、生动，学生学习目的明确，很感兴趣，学习积极性很高，从而促进教学效果。

2.抓主线，运用知识导图理清思路。《控制工程基础》主要是围绕系统及其输入、输出三者之间的动态关系来讲的[2]，知识结构分为系统建模、系统分析和系统校正三大部分。其中，系统分析是核心，主要有时域法、频域法和图示法，这些方法从不同的角度分析同一个系统。学习中整体把握知识体系，抓住课程主线，该课程的体系逻辑关系就会显得很清晰。为此，将该课程的相关知识制成了图1所示的知识导图，在学习每章内容前展示给学生，使他们对课程的知识结构有清晰的认识，按照“总体—局部—总体”的结构，做到前后知识的融会贯通，避免知识点的零散。

3.简化推导，MATLAB引入课堂教学。MATLAB是美国MathWorks公司于1982年开发的大型高性能的数值计算和可视化数学软件，它集科学计算、编程、可视化的用户界面于一身，带有强大的特殊功能的工具箱，被广泛地应用于科学计算、控制系统、信号处理等领域的分析、仿真和设计中[3]。

《控制工程基础》课程数学公式推导多，绘图量大，难以在有限的课时内进行内容的扩展，因此将MATLAB软件引入课堂教学，尤其是MATLAB中含有丰富的专门用于控制系统分析和设计的函数，可以简化公式的推导，减少空洞的理论讲解，增强教学的直观性和生动性，学生更容易理解和掌握，实用性更强。例如，在系统时域分析部分介绍二阶系统在欠阻尼状态的性能指标时，可以利用MATLAB提供的LTI Viewer图形界面工具快速绘出控制系统G（s）=（其中，阻尼比为0.6，无阻尼固有圆频率为4rad/s）的时域分析曲线。

>>num=[16]；den=[1 4.8 16]；

>>sys=tf（num，den）； %输入系统的数学模型

>>ltiview %启用LTI Viewer

启用LTI Viewer后，单击“File”菜单，选择“Import”选项，弹出输入系统数据对话框，将系统模型sys导入到LTI Viewer，绘出系统的单位阶跃响应，LTI Viewer现场菜单具有丰富的系统分析功能，选择【Characteristics】可对不同类型的响应曲线标出特征值，如标出峰值时间、超调量、上升时间、调节时间等，可以直接利用MATLAB对系统时间响应曲线进行分析，很方便、快捷，可使学生加深对理论的理解，增强理论的可信性，对系统分析和绘图不再畏惧，可以起到事半功倍的教学效果。

4.实践环节注重应用能力的培养。《控制工程基础》课程具有较强的应用性和实践性，实践环节是对课堂理论教学的补充和深化，使学生将所学的理论知识灵活应用到工程实际中，培养解决实际问题和创新的能力[4]，符合应用型人才的培养目标。

传统的课内实验以验证型实验为主，让学生按实验指导书搭建电路模拟典型环节（或系统）进行响应测试，研究参数变化对环节（或系统）性能的影响，并与MATLAB仿真结果比较，弱化了学生的参与性和动手能力。教学改革后，除了常规的验证型实验外，新增3学时的设计型和综合型实验，实验室提供一些机械系统和电气系统元部件，让学生利用MATLAB开放式环境，自主设计控制模型和算法，再借助实验设备进行系统搭建和测试，强化MATLAB仿真与具体物理系统的联系，培养学生系统分析和设计能力。同时，鼓励学生积极参与“大学生创新创业训练计划项目”、“学生研究计划”（简称SRP）等科研项目和科技创新比赛，将所学的理论知识转化为实际工程应用。这些项目融合了控制工程中的数学建模、时域分析和PID校正等知识，学生在“做中学”，培养其创新和实践应用能力。另外，项目教学也对教师的业务水平提出了更高的要求，要具有较强的工程实践经验，才能更好地处理和解决遇到的新问题。

5.课程考核手段的多元化。为了使课程成绩能科学、合理地反映学生的学习过程和效果，转变学生考前“临时抱佛脚”的应试心理，将课程考核分为平时成绩、实验报告、期中考试、期末考试等多个方面。其中，平时成绩占总分的10%，包括出勤率、回答问题、作业完成情况等，反映了学生平时的学习态度；实验成绩占总分的10%，根据实验考勤、实验表现、实验报告数据处理情况和实验设计的合理性、创新性等方面评定；期中考试成绩占总分的20%，检验学生平时学习的成效；期末考试成绩占总分的60%，试题以主观分析应用型题目为主，考核学生对控制理论的掌握和综合应用能力。

四、总结

随着自动控制技术的快速发展和广泛应用，《控制工程基础》课程的教学改革也要与时俱进，适应当今社会对人才培养的新要求。通过积极引入先进的理论知识和教学方法，结合丰富的实例，充实并深化教学内容，注重对学生工程实践能力的培养，才能切实提高教学质量。

参考文献：

[1]王芳.“机械控制工程基础”课程教学改革探讨[J].西安航空技术高等专科学校学报，2008，26（5）：76-77，80.

[2]董玉红，徐莉萍.机械控制工程基础[M].第2版.北京：机械工业出版社，2013.

[3]薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2006.

[4]袁明新，王琪，洪磊，张鹏，申燚.机械控制工程中案例化教学的改革及实践[J].当代教育理论与实践，2012，4（5）：137-139.