“能源与动力工程控制基础”课程教学改革探讨

杨继斌

摘 要 “能源与动力工程控制基础”是面向能源与动力工程学科的一门关于控制工程理论的课程。本文结合笔者自身教学实践和学生学科背景，通过分析笔者学校现有教学现状和新型冠状病毒肺炎疫情下的线上教学情况，提出了“以学生为中心”的混合教学、工程案例驱动教学以及以应用为目标教学相结合的教学改革方案，以提高学生学习的主动性和教学质量。

关键词 能源与动力工程 控制理论 教学改革 以学生为中心

中图分类号：G424                                       文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2020.07.065

Abstract "The Control Foundation of Energy and Power Engineering" is a course about control engineering theory for the Energy and Power Engineering. In this paper， based on the author's own teaching practice and student's subject background， the school's teaching situation and online teaching situation under the COVID-19 are analyzed. Furthermore， a student-centered based teaching reform is proposed to improve students' learning initiative and teaching quality， which combines mixed teaching， case driven teaching and application-oriented teaching method.

Keywords energy and power engineering; control theory; teaching reform; student-centered

0 引言

隨着车辆运载动力、航空动力、船用动力等先进运载动力装置的电动化和智能化发展，在新工科背景下，学科的交叉更加鲜明，能源与动力工程（先进运载动力方向）专业的课程教学方法和内容亟需改进。[1-2]其中，“能源与动力工程控制基础”是笔者学校针对能源与动力工程（先进运载动力方向）专业大三学生开设的一门以经典控制理论作为基础内容，阐述控制工程的基本理论、基本方法和基本内容的一门学科基础选修课程。课程的主要教学任务是通过对经典控制理论知识的学习，以培养工程应用能力为主线，培养学生对控制系统的分析和设计能力，结合后续专业课程的学习，为将来在能源与动力工程中解决一些实际问题打下一定的基础。本文对笔者学校该课程的教学现状进行分析，并结合学生的学科背景提出进一步的改进措施。

1 现有教学现状及分析

我校能源与动力工程专业（先进运载动力）学生的基本培养目标是掌握本专业相关的能量转换及有效利用的基本理论和技术，以及先进运载动力装置原理、结构、设计、测试、控制、燃料、燃烧与排放等方面的知识，具有综合工程实践经验，解决工程问题的能力和组织管理能力，毕业后能从事车辆运载动力、航空动力、船用动力等先进运载动力装置的研发、制造、应用以及营销管理等相关工作。在此学科背景下，“能源与动力工程控制基础”课程面向能源与动力工程（先进运载动力）学科方向，学习控制理论的知识体系，以拓宽学生的学科基础知识面。该课程在本校目前设定2个学分，32个学时，其中24个理论学时，8个上机学时。课程的学时设定与同学院车辆工程专业的控制工程理论课程相同，但侧重点有所不同。关于控制工程理论的课程具有理论性强、概念抽象、涉及的基础知识点多（如高等数学、复变函数、信号处理等）等特点。[2-4]课程2018-2019学年选课26人，2019-2020学年选课63人，选修的学生人数在增加。

1.1 课程理论教学现状

课程理论教学内容从三个部分展开，分别是基础知识学习、分析方法和工程应用，在基础知识学习部分学习控制论的基本概念和控制系统的数学模型，在分析方法部分学习控制系统的时域分析、频域分析和稳定性分析，在工程应用部分学习控制系统的校正设计方法。课程理论教学重点学习前两个部分，第三部分属于了解内容，由于课程学时安排有限，该部分的介绍不够深入。课堂教学主要采用“板书+PPT”的教师讲授形式，师生的交流方式主要以面对面的课堂互动、课间答疑和课后答疑为主。

1.2 上机教学现状

课程应用MATLAB/Simulink软件，开设8个学时的上机课程，主要通过MATLAB计算机软件实现控制理论知识的应用教学。上机内容包括MATLAB在控制系统模型建立和仿真中的应用、MATLAB环境下典型系统的时域响应分析和频域分析，通过MATLAB/Simulink绘制时域响应曲线、奈奎斯特图和bode图等，并进行系统分析。

1.3 新冠肺炎疫情期间线上教学情况分析

在2020年春季新型冠状病毒肺炎疫情期间，国内各高校被迫开展线上教学，笔者对承担的针对车辆工程的一门控制理论课程进行线上理论教学，根据教研组讨论及学生的反馈，采用“慕课异步SPOC+慕课堂+腾讯直播课堂”的教学方式开展线上理论教学，完成后对教学班的学生进行了问卷调查（35人填写），部分调查结果如图1所示。由图1可知，对完全线上教学的不满意程度比例达到了约22.86%，从问卷中分析，其中一部分原因是在家中学习条件的限制;疫情后有约37.14%的学生倾向于线下和线上的混合教学;有约68.57%的学生选择应以线下教学设计为主，只有约2.86%的学生选择以线上教学设计为主。另外，笔者统计了学生更愿意与老师的交流方式，有约42.86%的学生选择“面对面交流+网上交流”的方式。

2 课程教学改革方案

根据上述分析，结合笔者的教学实践及学生学科背景，“以学生为中心”的目标，从以下几个方面提出改进措施。

2.1 线上线下混合教学模式的应用

通过此次疫情期间的线上教学，教师和学生深刻体验了线上教学的优势和不足。如何有效利用线上和线下教学的优势，进行混合式教学给教师带来了挑战。[5]根据本门课程的特点，在线上，教师通过线上教学平台（如慕课、雨课堂等）提前做好线上理论教学课程（视频+课件+思考与讨论），学生进行自主学习基本知识点，同时通过线上课程讨论区和通讯平台（如QQ、微信等），提供学生与学生、学生与教师的线上交流平台;在线下课堂上，教师深入讲解课程的难点和更多的工程案例，也有更多的时间进行讨论学习，加强学生与学生、学生与教师线下面对面的交流;此外，在过程评价上，为充分体现学生在线上线下学习的主动性、积极性以及思考问题和交的流能力，形成“线下评价为主、线上评价为参考”的评价方案，再加上最后的理论课考试和实验报告，形成最终成绩。通过上述方案，教师在教学过程中做好引导，调动学生学习的主动性和积极性，充分体现“以学生为中心”的教学模式。

2.2 工程案例驱动的教學模式

案例教学法是高校教学中常用的教学方式，该课程的理论性强、难以理解，且是选修课程，教学中应密切结合学科背景，增加与学科背景相关的工程案例，激发学生的兴趣，体现学习该课程的“有用性”，同时，让学生更好的理解课程的知识点。如笔者将以新能源车辆先进运载动力装置相关的内容为工程案例，驱动该课程的教学。如在控制系统数学模型知识的学习中，可由简单例题到复杂工程案例的教学，对于机械系统建模，由简单的m-k-c系统到用于车辆系统仿真的车辆动力学模型，如图2（a）所示;对于电网络系统，由简单的R-L-C电网络系统到车载质子交换膜燃料电池等效电路模型，如图2（b）所示。

2.3 以应用为目标的教学内容改革

该课程开设在大三年级，近两年越来越多的学生选修了该课程，开课后学生跟老师交流希望学会控制系统的设计。这是因为越来越多的学生参加了科研、大学生创新、竞赛等，实际应用的需求在增加，这也是选修课的魅力，选修课不只是修学分，学生应根据自己的需要和兴趣选修课程。故教学内容中除了上述重点学习内容外应将控制系统校正设计作为一个重点来学习，适当调整课程理论学时和上机学时，增加一部分理论课时和实践学时。同时，因为大三学生已基本熟悉了MATLAB操作环境，可适当减少上机学时。另外，笔者正在进行基于模型设计的新能源车辆混合动力系统开发，后期将可应用于实践教学，通过演示、操作等手段让学生在实践中了解控制系统的设计，学习控制论在能源与动力工程学科的应用。通过以应用为目标的教学改革，让学生主动参与学习，培养学生的实践和创新能力，帮助和鼓励学生积极参与科研、竞赛等应用探索。

3 结语

本文结合自身在控制工程理论课程的教学实践，通过分析课程的教学现状及疫情期间的线上教学情况，并结合能源与动力工程（先进运载动力方向）专业学科背景。“以学生为中心”，在教学模式和教学内容方面提出了“能源与动力工程控制基础”课程的改革措施，以提高学生学习的主动性和实践能力，并提高教学质量。

参考文献

[1] 王晓墨，陈刚，成晓北.新工科背景下能源动力类专业建设探索与实践——以华中科技大学能源与动力工程专业为例[J].高等工程教育研究，2019（S1）：9-10，19.

[2] 田飞，施刚，施卫东，等.能源与动力工程控制基础现代化教学一体化探讨[J].教育教学论坛，2018（43）：88-89.

[3] 袁明新，王琪，洪磊，等.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.

[4] 吴炳胜，荀杰.机电工程控制基础[M].北京：冶金工业出版社，2011.

[5] 苗宇，蒋大明，刘泽.“自动控制原理”混合式教学实践[J].电气电子教学学报，2020.42（1）：82-86，90.