新工科背景下案例式教学改革探讨——以控制工程基础课程为例

季 晨 张 兵 程广贵 张忠强 丁建宁

（江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212000）

0 引言

在我国高质量发展的时代背景下，智能制造、云计算、人工智能以及机器人等新兴技术用于传统工科专业的升级改造，以培养符合新兴产业和新经济需要的以及具备实践和创新能力的高素质复合型新工科人才[1]。控制工程基础课程是机械专业课程体系中一门重要的专业基础课，其目的是培养学生运用理论知识解决实际控制问题的能力。然而当前课程发展面临两大难题：一是课程以经典控制理论为主要内容，通过课程的学习可以掌握被控对象的分析方法，但如何解决实际控制问题的课程内容较少，因而如何培养学生的实践能力是教学改革亟须考虑的问题；二是本科生培养大纲将课程学时进一步压缩，如何在有限的课程学时内完成理论和实践知识的讲授和结合，也是教学改革又一亟须考虑的问题。案例式教学是对传统讲授教学方法的有效补充，通过生动和实际的案例，促进学生理解枯燥的控制理论知识并培养学生应用控制理论解决实际问题的能力。

1 案例式教学改革举措

1.1 增加工程案例，贯穿课程始终

控制工程基础课程以经典控制理论为基础，围绕控制系统“稳、准、快”的三大性能要求，由物理系统的建模方法、控制系统时域分析法、频域响应分析法以及线性系统校正等课程内容组成[2]。课程内容间层层递进且前后互相联系，而且课程内容具有较多推导公式，理论性较强。因此对于在课堂内没有跟上进度，或者数学基础较差的学生而言，容易产生消极学习的心理，从而产生厌倦学习的情况。

爱因斯坦曾说：“兴趣是最好的教师。”提高学生的学习兴趣对于课程的教学效果是至关重要的。因此从实践出发，结合每章节内容，除了教学例题以外，可以适当增加工程案例，贯穿课程始终，系统地教学生应用每章学习的内容，解决实际问题中的系统建模、性能分析以及控制律设计等问题。以机械电子工程专业为例，此专业涵盖了机械工程、电力电子、单片机原理、计算机原理课程等核心基础课程[3]，因此学生的基础知识扎实，知识面广泛，在大三上学期开设控制工程基础课程时，已经具备解决综合性问题的能力和基础，适合使用案例式教学方法。

以往的课程案例常以电阻—电容—电感电路系统和质量弹簧阻尼机械系统为控制对象，这类系统在实际中过于抽象，不够直观，很难提起学生的兴趣。然而直流电机在日常生活比较常见，所以能够较快地引导学生进入课程的教学内容中。在课程的第一章中介绍直流无刷电机的系统组成，指导学生绘制出系统的原理框图。在第二章中介绍了系统的建模方法以及适量的练习之后，介绍直流无刷电机的模型推导过程，写出系统的微分方程并绘制出系统的框图，同时根据实际情况，简单介绍系统的外部干扰项，为第三章系统稳态误差分析做铺垫。在第三章中结合一阶和二阶系统性能指标、系统代数判据、系统稳态误差，通过仿真分析、介绍直流无刷电机系统的特性，以及不同控制框架对于电机位置控制性能的影响，并引入时域分析的局限性。在第五章中结合频率响应曲线，利用奈奎斯特图和伯德图，分析电机位置控制系统的频域性能，同时引导学生对照时域分析方法，综合分析时域和频域间的优缺点。最后，将无人机和机械臂作为电机的典型应用场合，综合给定电机使用的需求参数，引导学生以大作业或者课程项目的形式，完成系统的控制校正环节设计和分析。

通过直流无刷电机位置控制的案例式教学，将课程内容前后穿插，贯穿始终。在完成案例项目的同时，引导学生回顾学过的知识并思考还欠缺哪些知识，做到自主回顾和自主预习，提高学生的学习积极性和对工程实践的兴趣。

1.2 延展课堂内容，完善线上资源

由于课程学时有限，在短短的课堂时间内做到每个知识点的拓展较为困难。因此将课堂内容延展到课外是必然的选择。以往课堂内容结束后，学生需要完成课后作业，通过习题巩固课堂知识。案例式教学方法可以调动学生自主学习的积极性，学生需要利用数值分析软件MATLAB/Simulink、动力学仿真软件ADAMS以及开放式虚拟仿真环境软件OpenRAVE等工具，完成课程案例分析以及课程项目。

课堂内引入了直流无刷电机并将其作为教学案例，贯穿了控制工程基础课程理论知识的学习过程，然而电机仅是被控对象的执行部件，除了课堂学习中的案例以外，增加以工业机器人运动控制仿真项目作为工程实例，以此增进学生对制造装备控制进行了解，同时锻炼学生综合应用各类工具对装备的分析、建模和控制。课外项目主要包含三个阶段，第一阶段为感性认识，掌握工业机器人机械系统、硬件系统以及控制系统的构成；第二阶段为理性认识，掌握工业机器人运动学和动力学建模方法，学习机器人仿真工具MATLAB和ADAMS，建立联合仿真模型；第三阶段为深入深化，对建立的联合仿真模型，利用先进的控制方法和分析手段，学习如何系统地设计工业机器人的控制器以及分析方法，并思考机器人针对不同应用环境时控制可能存在的问题以及解决办法。

由于所需工具、软件具有专业性，所以除了课程内容的建设以外，还应该完善线上软件或者工具的使用教程，帮助学生快速入门，如利用雨课堂的课程管理功能、网盘功能、建立课程网站等。利用现代化的手段，建立课程的知识图谱，降低学生课外学习的门槛。

1.3 激发学生兴趣，锻炼工程经验

除了加深课程理论知识的理解，还应该强化学生的实践能力，通过实践环节激发学生兴趣，锻炼学生工程经验。因此案例式教学需要有完善的实训平台作为强有力支撑，如电机控制平台、机器人平台以及无人机平台等。从课程建设的角度出发，培养学生的工程经验可以从两方面着手：一方面通过课程的实验环节，让学生在实验中验证仿真和分析的正确性，感性和理性地认识控制系统的各个方面，另一方面以赛促教，鼓励学生参加大学生创业、创新大赛以及机器人综合类等全国性比赛，在比赛中综合训练工程能力，综合运用所学的电工学、单片机以及控制理论，培养工程思维和实践能力，激发学生对课程学习的兴趣，做到“学有所长，学有所用”。学生毕业走入社会时，能够利用所学知识服务社会，做一名优秀的机电工程师。

2 结语

面临“后疫情时代”的到来，我国经济和科技的发展面临着前所未有的挑战，高素质复合型的新工科人才能够为社会发展提供坚实的支撑，所以新工科背景下的课程建设显得格外重要。从控制工程基础课程的实际情况和要解决的课程问题出发，探讨了案例式教学的三个举措，通过增加电机控制案例贯穿课程内容，通过建设线上教学资源延展课堂内容，通过建设实验环节和鼓励学生参加全国大赛，激发学生的学习兴趣。案例式教学是讲授式教学的补充，通过案例讲解和实践，可以巩固课程理论知识，提高学生的实践经验，培养学生解决工程问题的意识和能力。