控制工程基础课程教学模式的改革与实践

艾超+陈立娟+孔祥东+姚静

[摘 要] “控制工程基础”是机械设计及其自动化专业一门重要的必修课，作为一门专业基础课，具有较强的理论性和实践性。针对课程特点以及教学方面存在的问题，在原有理论教学的基础上，引入CDIO的教学理念，加入三级项目环节，通过强化实践环节实现理论与实践有效结合进而提高教学效果，提高了学生学习的积极性，教学效果也明显提高。

[关键词] 控制工程基础；教学改革与实践；CDIO教育模式；三级项目

[中图分类号] G642.0[文献标识码] A[文章编号] 1005-4634（2015）04-0094-04

0 引言

“控制工程基础”是机械工程学院机械设计及其自动化专业的一门主要专业基础课[1]，该课程理论性和实践性都很强，是一门具有一定深度和难度的课程，也是培养工程技术人员的学科基础课，该课程使学生首次接触控制和控制系统的概念，系统地学习控制理论的经典方法。该课程是专业学习过程中的一个重要环节，但由于内容抽象、工程实践性强以及课程中存在教与学方面的问题等，学生对“控制工程基础”的相关知识掌握程度并不深[2-4]。

燕山大学是国内首批加入CDIO教育改革的高等院校之一，2010年其“机械设计制造及其自动化”专业被确定为“教育部卓越工程师教育培养计划”试点专业。以此为契机，燕山大学“机电液一体化”国家级教学团队，针对当前社会对工程技术人才的高需求，在充分研究与吸收CDIO国际工程教育理念的基础上[5-6]，遵循卓越工程师的工程教育理念，对“控制工程基础”这门课程进行了改革。

1 课程教学存在的问题

1.1 学生学习积极性不高

“控制工程基础”具有较强的综合性，涉及数学等多种学科，并且内容抽象，工程实践性强，这就要求学生具有高等数学等相关课程的知识，但学生往往对相关基础知识掌握不牢固、对学科交叉内容理解不充分，因此学习这门课程时困难重重，学习目标不明确，学习积极性不高。

1.2 传统教与学中存在问题

“控制工程基础”作为培养专业工程技术人员的学科基础课，在传统的教学中，实验环节与理论脱节，学生对于实践环节的重视度不够，动手能力不强。教师采用传统的教学方法感觉“难教”，学生也感到“难学”。

2 教改目标

1）深入课程改革，逐步培养学生主动获取知识、提出问题、分析问题、应用知识、解决问题等方面的能力，使学生们能够真正的做到工学结合，全方位发展。

2）改革教学内容，形成相对全面的理论教学体系，构建符合实际工程需求的实践教学体系。

3）创建一支高素质、在理论教学和实践教学方面具有较高水平的双师型专业教师队伍。

4）CDIO模式通过三级项目将核心课程教育与对专业的整体认识有机统一起来，并结合项目训练对学生的自我更新知识的能力和团队交流能力，以及对大系统的掌握、运行、和调控能力进行整体培养。

5）充分掌握经典控制理论的重点、难点知识，对后续的专业课有感性的认识，为以后课程的学习提供良好的基础。

6）通过控制工程基础三级项目的训练，提高并扩展学生对工程实践的兴趣，让学生从被动接受转为主动研究的学习方式，使学生自组织、自分工、自实施等团队间组织、交流合作的能力得以提升。

3 教改思路

基于CDIO的教学理念，以及机械工程学院“控制工程基础”现实的教学情况，提出如图1所示的教改思路，并根据“控制工程基础”中的重点、难点，从建模到控制框图产生过程掌握实际物理系统；掌握时域分析中系统响应指标分析，控制稳、准、快；掌握频域分析中数学模型及系统响应建立bode图方法；掌握由bode图进行频域分析及PID调节器使用等四个方向构思确定以控制系统数学模、控制系统时域分析以及控制系统频域分析三个方向作为控制工程基础三级项目的选题。

图1 控制工程基础教改思路框图

4 教学改革的具体内容

4.1 人才培养模式

在深入调查就业市场和毕业生质量的前提下，参照国家《工程教育专业认证标准》、《卓越工程师通用培养标准》、《普通高等学校专业本科专业目录和专业介绍》（2012版），引入CDIO教育改革理念，调整在“控制工程基础”课程上的定位和培养目标，修订培养方案，使专业培养更能适应市场发展和行业的需要，同时也更加体现专业特色。

4.2 课程规范化建设

以《燕山大学课程教学标准（暂行）》为参考，结合课程的自身特征，完善“控制工程基础”的教学及相应管理文件。“控制工程基础”的教学标准体现了新的专业人才培养目标和要求，推进了“项目式”教学改革，确保改革方案应切实可行。在规定期限之前，分批完成课程规范化建设，并将改革成果及时付诸课堂并进行实时效果检验。

在网络教学平台建设方面，信息技术手段得到充分利用。任课教师采用多媒体课件授课，利用网络优势进行答疑解惑以及项目指导，大大提高了教学质量，通畅了师生间的交流渠道。

4.3 实践教学的改革

优化基础课的教学内容和授课形式，调整教学运行机制和教学资源配置，探索具有广泛适用性的教学模式。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。在“控制工程基础”原有理论的基础上，加入三级项目环节，分别设立阀控缸位置闭环稳定性研究、阀控缸位置闭环的快速性研究、阀控缸负载位置闭环PID控制策略以及阀控缸系统频域动态特性仿真与测试四个课题，具体如下：项目实施之前有针对性的对学生进行相关培训，内容包括软件、硬件、数据采集处理等。鼓励学生查阅液压试验台有关信息，了解液压元件、液压系统、液压原理等方面的知识。

1）项目前期准备。在项目组织形式方面，三级项目采用分组的方式进行。3～5名同学组成一组，每组设组长1人，每组1题。各组的三级项目题目在课程进行一段时间之后下发，也可由学生根据兴趣自行选题。将由组长负责组织本组同学依据三级项目题目及同学的实际情况进行工作分配。学生根据项目题目及课程的进度，按时完成资料的查阅及系统设计、建模及分析等工作。

在进行三级项目过程中，需要学生建立数学模型，进行时域、频域分析，这就需要学生对实际物理系统，包含输入控制信号以及反馈信号、控制器有初步的认识和了解，机电控制实验室为同学们提供实验台等实际的物理系统，实物见图2。

依靠现有设备的设计项目，需要学生对实验系统有初步了解，包括液压元件、系统功能实现、模拟控制面板、传感器等设备的使用。在此过程中，由于学生在理论学习过程中很少接触到真实的设备，所以需要由老师和机电控制专业的硕士研究生对学生进行相应设备的培训，主要包括安全用电、液压系统安全、试验台操作规程等方面的内容，如图3所示。

在此三级项目中，学生对系统进行时域和频域分析时，需要学生运用Matlab/Simulink或Amesim软件仿真液压系统、利用Labview软件编写扫频程序等。但由于在理论教学过程学生对软件的应用程度不够，由老师和机电控制专业的硕士研究生对学生进行指导与培训，如图4所示，主要包括编程方法、信号形式、通道选择、信号给定、采集、标定等。

2）项目实施过程。基于分组情况，组长负责组织同学结合实际情况进行分工，学生通过老师和研究生的指导与培训，亲自动手操作，如图5所示。同学们学会建立液压控制系统、运用Amesim或Matlab/Simulink仿真软件建立系统仿真模型、PID控制策略对控制系统控制性能影响以及学会寻找系统控制最优PID控制方法等，并且在做项目的过程中难免会遇到问题以及小组成员之间产生分歧，但学生们通过小组讨论以及主动向老师咨询等方式解决做项目过程中遇到的问题，如图6所示。“控制工程基础”三级项目不仅培养了学生们遇到问题解决问题的能力，同时也使同学们提高了动手能力和团队合作意识。

3）教学方法、作业与考试等方面的教改举措。本团队教学方法的最大特色是以CDIO教学理念为基础进行了课程项目的实施。作业分为课后作业和三级项目设计两部分，以三级项目为主、以传统的作业方式为辅，涵盖大部分知识点，同时使学生摆脱为做作业而做作业的心理，通过项目设计让学生明白所学知识的用途，加深对本门课知识的理解和重视度。

在考试方面，主要在考试方式和每部分内容所占的比重进行了修改，成绩组成如下：考试卷面成绩占70%，平时出勤占5%，课程实验占10%，三级项目占15%。

三级项目具体的考核方式，整个小组得到共同基准分。（1）是否达到三级项目目标60%；（2）项目报告是否系统完整20%；（3）PPT展示10%；（4）评委讨论10%。

团队成员相互评价并交给教师，教师据此对团队成员的得分有所升降。

5 总结

5.1 存在的问题

尽管此次教改取得了一定的成绩，但仍存在一些不足，有待进一步完善，主要体现在：（1）没有充分利用课外辅导资料；（2）课程建设的经费仍存在较大缺口；（3）学生的积极性有待提高；（4）理论实践教学内容繁多与相对课时较少之间的矛盾；（5）生源整体素质下降学生层次不同；（6）学生对预备基础知识掌握不足。

5.2 努力方向

（1）继续优化课程设置，课程设置要突出对学生知识与能力的培养，兼顾学生个性发展；（2）继续加强实验及其设施的建设；（3）加强课程和专业建设，争创品牌特色专业和国家级精品课程。

5.3 课改心得

“控制工程基础”这门课程主要阐述自动控制的基础理论，不论是在机械设计制造及其自动化专业，还是在以后的延伸专业上都是控制理论中最重要的课程。通过不断对课程的改革与创新，进而提高同学们综合能力，得到了广大师生的好评，同时通过“控制工程基础”三级项目的训练，提高了学生工程实践的兴趣，学生由被动接受的学习方式转变为主动研究的学习方式，并学到了很多课本上学不到的东西，老师也受益匪浅。

6 发展前景

教学改革同样需要以规范化要求为底线，在科学合理且相对稳定的规范的基础上拓展和延伸，形成高质量、高成效且持久性强的创新管理模式。在燕山大学CDIO教学改革的契机下，机械工程学院对“控制工程基础”这门课程进行教学改革，学生的知识结构日趋合理，不断适应企业的需求，综合素质、创新意识和实践能力得到明显提高。今后，燕山大学还将继续推进教学改革与实践，守正出新，探求新时期具有“燕大特色”的地方机械人才培养的模式与方法，造就更多创新能力强、适应社会需求的卓越工程师。

参考文献

[1]孔祥东，王益群.控制工程基础[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]董海棠，冯中毅.“控制工程基础”课程教学改革探索与实践[J].中国电力教育，2009，5（136）：81-82.

[3]高铁红，曲云霞，邱瑛.控制工程基础课程内容体系与教学体系改革研究与实践[J].中国科教创新导刊，2008，（22）：88-89.

[4]李大勇，林海鹏，张鸿艳，王桂荣，王立新.“控制工程基础”课程教学模式的研究与探索[J].课程教材改革，2013，（29）：51-52.

[5]邵如平，方志，郝丽丽.《高电压技术》教学改革的探索[J].中国电力教育，2008，（4）：64-65.

[6]孔祥东，姜万录，姚静，权凌霄.机电液控一体化人才培养模式的研究[J].教学研究，2011，1（34）：38-44.