基于工程教育专业认证理念“控制工程”一流本科课程建设研究

郑雪飞，陈文波，李必文，柏兴旺，林旺阳

（南华大学机械工程学院，湖南 衡阳 421001）

0 引言

“控制工程”是机械设计制造及自动化专业的一门重要的技术基础课，是机械工程技术人员具备合理知识结构的一门必修课程，本课程授课对象为机械设计制造及其自动化专业三年级本科生，通过课程学习，掌握自动控制系统的基本概念、基础理论和基本方法，了解各种系统分析方法的局限性。

南华大学机械设计制造及其自动化专业是南华大学的优势特色专业，2002年成为“湖南省重点专业”，2019年通过了工程教育专业认证。通过深入学习工程教育专业认证“以学生为中心、以成果产出为导向OBE（Outcome-BasedEducation）、持续改进”的基本理念，该课程内容不断优化，学生实践能力和科研素养不断提升，向培养机械类优秀工程师和科学家的总目标迈进。

1 以学生为中心，明确教学目标

通过理论和实践学习，培养学生系统地分析和设计各种自动控制系统的能力及工程实践能力。

知识目标：（1）掌握自动控制系统的基本概念、基础理论和基本方法。（2）能够利用基础物理、理论力学、电工电子学等课程的基本原理建立控制数学模型以描述实际的机械系统，并结合相关的知识对数学模型进行求解以分析机械系统的控制性能；

能力目标：能够识别和判断出复杂机械系统的基本组成环节和关键参数；能够制定满足环境保护和社会可持续发展要求的机电自控系统；

素质目标：通过在机械工程控制领域持续自主的学习，以解决学习和工作中不断遇到的新的控制问题。

德育目标：增强民族自信和自豪感；培养学生在自动化生产方面的科技创新意识。

2 基于工程教育专业认证理念教学改革

教学内容优化。

夯实基础知识包括：（1）自动控制系统的负反馈工作机制；（2）自动控制系统的数学建模及模型求解；（3）自动控制系统的分析与设计。通过该课程的学习能够基于控制原理的知识，采用科学方法对系统中的各组成机械零件、结构、装置等，制定控制系统的实验方案，进行相关信号的采集和测量。后期教学过程中，引导学生夯实复变函数与微积分的数学基础。通过课堂练习、课后作业，加强训练，引导学生提升对基础理论的理解层次，掌握基本概念知识。构建项目任务驱动机制，引导学生将基础理论与工程实践结合起来，提高解决工程实际问题的能力。加强先导课程如理论力学以及电工电子技术的课前复习，引导学生攻克薄弱环节、解决学习困难。

将新技术内容贯穿教学中，拉近学生与学科发展前沿、实际工程应用的距离。增加先进生产与技术、汽车制造、机器人技术，智能家电控制系统等实例，应用于教学中来，以满足企业对于智能制造、自动化生产方面的人才需求。

加强校企合作，优化课程内容。将汽车制造、机器人技术、智能家电等有关控制理论的最新技术应用于教学中来，多运用相关的实际机电系统进行举例和分析，授课讲解的时候，在原来的基础上引导学生做好知识的迁移转化，将理论知识与控制系统的设计相结合，并且将实际案例上传至学习通，通过网络课程对案例进行讨论与分析，逐步加强学生的实际机电控制系统的数学建模能力。拉近学生与学科发展前沿、实际工程应用的距离。

图1 案例图

图2 案例图

以工程项目中的复杂机电控制系统为例，开展任务驱动下的教学机制，建立系统的三维仿真模型，运用时域分析、频域分析等多种分析方法，演示系统工作原理，针对实际工程问题，开发系统设计的相关虚拟实验，实现理论教育与实践教育的协同。充分利用学制时限，激发学生兴趣，培养学生的实践能力、实际分析问题能力和创新能力。

3 教学方法的持续改进

通过课程目标达成度分析，发现学生对自动控制系统的基本概念、基础理论理解偏弱，尤其体现在系统数学建模及模型求解的能力较为欠缺，主要是因为涉及高等数学和理论力学以及电工电子技术等课程内容，这些先导课程中相关定律和公式在没有复习的情况下，导致系统数学建模能力不足；此外个别同学，大一、大二时基础科目落后比较多，也导致成绩较差，期望值较低。针对以上问题主要进行如下改革：

（1）引入线上线下混合式教学，对重点章节的基本概念，通过讨论板块进行发布，针对基本概念和原理利用线上方式。线上和线下的教学实施情况如图3。

图3

图4 机械17级PBL任务内容图

图5 小组讨论图

图6 MATLAB的机电控制系统仿真图

（2）借助超星学习通，课前发布教材导学，学习教材相应知识点，观看教学视频，完成相应的测试，检测教学效果，并且针对测试情况，对薄弱知识点进行深度讲授。

（3）对落后比较多的学生加强辅导；课后再通过问卷调查等线上方法，不定期对学习状况进行动态摸底调查，了解学生遇到的学习困难和薄弱环节，记录学生对相关知识的掌握程度，量化评估学生学习能力的达成度。课堂教学方式持续改进，加大启发式教学、讨论法、案例分析等方法的运用力度，多运用开展任务驱动下的教学机制，逐步提升其运用基础理论和方法解决实际工程问题的能力。

（4）PBL任务综合项目：对课程重点内容实施基于PBL任务式教学，提高学生学习积极性，变被动为主

（5）基于MATLAB的机电控制系统仿真，在控制工程教学中进一步推广，将更多典型工程项目和科研项目中的实际机电控制系统引入仿真教学，针对实际工程问题，开发系统设计的相关虚拟实验，实现理论教育与实践教育的协同。

①将实际工程中部分机电系统抽象为系统模型，要求学生利用典型信号作为输入，通过研究出系统时间响应，进而对机电系统的性能进行评估，培养学生综合运用知识的能力，将所学知识应用于生产，培养学生利用控制工程的知识解决实际工程问题的能力。

②培养学生通过MATLAB软件，绘制系统的时间响应曲线，分析响应特点，验证计算结果，加强学生的动手能力和拓展知识能力。

③要求学生通过对系统时间响应的学习和认识，了解相关问题的解决方法，在学习中逐步培养学生知识的交叉融合，促进学生综合素质的全面提升。

4 课程成绩评定方式的改革

课程考核贯穿于整个教学过程，形式多样，包括随堂测验、线上学习、章节自测、PBL任务综合项目、闭卷考试等。将过程性评价和总结性评价相结合。成绩主要组成：课程音视频（10%），章节学习次数（5%），讨论（5%），作业（25%）期末考试（40%），课程互动（5%），分组任务（PBL）（10%），依照这些指标进行综合评定。

5 结语

通过工程教育专业认证“以学生为中心、以成果产出为导向OBE（Outcome-Based Education）、持续改进”的基本理念，并且将此理念应用于控制工程课程的一流本科课程建设中，在教学实施过程中不断听取专家和学生意见，改进和优化，以达到对理论与实践、教学与科研、线上与线下的“三个结合”，课程改革成效显著，学生实践能力和科研素养不断提升，向培养机械类优秀工程师和科学家的总目标迈进。