基于CD IO的控制工程基础课程教学改革与实践

邓维克，刘志辉，2

（1.邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳　422000；2.中南大学 机电工程学院，湖南 长沙　410083）

基于CD IO的控制工程基础课程教学改革与实践

邓维克1，刘志辉1，2

（1.邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳422000；2.中南大学 机电工程学院，湖南 长沙410083）

文章分析了机械类本科生“控制工程基础”课程教学存在的问题，基于CDIO模式提出了机械类专业“控制工程基础”课程教学的改革思路，具体从培养计划、教学大纲、讲义、理论教学、实践教学、考评等方面对“控制工程基础”的教学改革进行了详细讨论。

控制工程基础；CDIO；教学改革

控制工程基础是机械类专业本科生的一门重要专业基础课，其以自动控制理论为基础。通过此课程的学习，学生理论上运用基本的控制理论和思想方法去解决机电控制工程中的一些实际问题。然而，由于本课程理论性极强，涉及机械静力学、机械动力学、电力电子、高等数学以及Matlab计算应用软件，概念抽象，传统教学一般都基于教课书的理论教学，脱离实际应用对象，使得学生学完课程之后只能求解一些课后习题，对于控制工程理论对实际的工程应用有何作用，如何用，学生基本上没有多少概念。因此，传统的控制工程理论教学通常达不到应有的教学效果。为了改善现有的状况，文章分析了机械类本科生“控制工程基础”课程教学存在的问题，基于CDIO模式提出了机械类专业“控制工程基础”课程教学的改革思路，具体从培养计划、教学大纲、讲义、理论教学、实践教学、考评等方面对“控制工程基础”的教学改革进行了详细讨论。

1　“控制工程基础”教学过程存在的问题

（1）学生学习“控制工程基础”主观能动性不强。“控制工程基础”是高等院校理工类学生必修的一门综合性很强的专业基础课，其以自动控制原理为基础，课程内容概念相当抽象，涉及内容非常多，主要有高等数学、工程数学、机械静力学、机械动力学、电力电子以及Matlab应用软件等。高等院校理工类学生诸如机械设计制造及其自动化、机械电子工程、车辆工程、建筑工程、热能与动力工程等专业的学生一方面对相关课程的基础知识掌握不够，另一方面认为该课程知识与自己将来就业以及继续深造关系不大，因此学生在学习该课程时主观能动性不强，学习动力不足。

（2）教师传授“控制工程基础”脱离实际。虽然“控制工程基础”教学时也开设了实验课程，但基本上都是基于Matlab的时域分析、频域分析、系统校正等，这些实验都是脱离工程实际，学生做了实验之后也仅是感觉求解了几道数学练习题。另外，教师在传授理论课时，基本上也是照本宣科，类同于讲解数学题，绝大多数没有联系实际工程控制，另一方面很多刚从学校毕业没有多少工程经验的毕业生直接转型做老师，未经系统培训，这样本身对控制过程缺乏深入认识的老师在传授学生时势必讲不透课程的理论知识，学生肯定也将认不清该门课程的意义以及重要性，失去对该课程的学习兴趣。

（3）课程大纲目标设定不明确，且缺乏检验依据。调查表明大多学校制定的“控制工程基础”课程大纲中的学习目标只笼统列举了教学目的及意义、教学难点和教学重点，这种教学模式一方面使课程教学仅停留在最基本的知识灌输阶段，另一方面也弱化了教师的职责，不利于学生能力的培养。另外学生对于知识的掌握不应该是简单的要求理解，也不仅是能够灵活的运用，而应该是实践能力得到提高，但现有的课程教学大纲也很少有设置检验学生能力是否得到有效提高的依据。

2　CDIO模式

CDIO是由MIT、查尔摩斯工业大学、林雪平大学、瑞典皇家工学院等四所大学由2000年至2004年，经过四年的摸索以及教学实践建立起的一种基于工程教育先进的教学模式。其代表构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operate），是以产品研发到产品的运行维护和废弃的全生命周期为载体建立一体化的相互支撑和有机联系的课程体系，让学生以主动实践的方式学习工程。2005年国内由汕头大学率先实施改革，并从2006级本科生开始全面实施了基于项目设计为导向的工程教育模式和教学体系。

针对具体哪门课程，CDIO没有给出对学生的具体能力要求，也没有给出能力目标的落实方法。因此，对于基于CDIO的“控制工程基础”课程教学，需要教学设计者制定符合CDIO的培养目标及其落实方法，形成一种“以项目为核心、教师指引学生方向、学生主动参与、注重能力培养”为基本特征的新型教学方法。

3　教学改革措施

（1）培养计划制定。CDIO回答了工程教育必须考虑的两个中心问题，一个就是当工科学生毕业时，他们掌握的理论知识和具备的能力素质应该包括哪些？第二个就是如何让学生更好地掌握这些知识和具备这些能力？因此，在制定培养计划时，要明确运用控制工程基础这门课程知识做实际的工程控制，学生应该需要掌握哪些知识点，同时要明确学生学了该门课程后，可以完成哪些方面的工程控制。在制定培养计划时，要尽可能将控制工程对分散在其他课程的内容进行整合，要将精简“机械工程测试技术”、“计算机控制技术”、“电机控制”等相关课程的内容，去掉一些重复内容，增加一些控制新理论、新方法，提高课堂教学效率，提升学生学习效果。

（2）教学大纲和讲义制定。传统教学大纲和讲义都是指定了理论课时多少学时，实验课时多少学时，控制工程基础重点、难点，比如时域分析、根轨迹分析、基于BODE图或Nyquist图的频域分析、基于PID（含P或I或D）控制的系统校正与系统设计，指定了各知识点的讲授时间。大纲和讲义制定基本都是老师独自讲授，学生被动接受为主。为了破解迷局，在制定教学大纲和讲义时，大量引入启发式和互动式教学时间，压缩原有的老师独自讲授时间。

（3）理论教学。CDIO的核心思想是基于项目制的工程教育。在控制工程基础这门课程理论教学时完全基于CDIO模式，基于项目，以学生自主学习为主，老师引导为辅。比如教师在讲授时域分析知识点时，先用25～30分钟时间讲解时域分析理论知识，然后引入具体项目，比如要测试一套齿轮系统的动态振动量，并对齿轮的振动量进行时域分析，比如齿轮的振动幅值、均值、均方根值等，让学生思考如何搭建这样一个测试系统，如何测量，如何运用所学的知识点对所测量的数据进行时域分析处理。又比如在介绍控制系统设计时可以引入恒压供水水箱的PID控制，恒压供水水箱是通过变频器控制水泵速度进行供水，要求PID控制水泵速度控制水箱维持在恒定的水位，这一项目可以将控制工程的基础知识、可编程控制器、电机控制等知识有效串接起来。通过引入具体项目，学生一方面可以将机械工程测试的知识与控制工程基础知识有效串接，激发学生的学习兴趣，另一方面可以增加学生的工程意识，提高他们的应用能力，完全符合CDIO改革初衷，提高了学生的能力素质。

（4）实践教学。传统的控制工程基础开设的实验课都是基于Matlab的软件操作，脱离了实际。按照CDIO理念，实验项目的设置要完全基于实际工程项目，要注重锻炼学生的思维能力、分析问题能力、独立解决问题能力以及动手能力。因此我们在设置实验课时，取消了传统的基于Matlab软件操作的实验项目，取而代之的是让学生自己搭建一些实验测试系统，综合运用其他课程知识，并灵活运用控制工程基础理论完成测试控制实验。比如时域分析，设置前面所述的齿轮系统的振动测试项目，频域分析设置基于频谱分析仪以及matlab的简易式悬臂梁的动力特性测试项目，控制系统的校正与设计设置基于PID控制水泵速度控制水箱水位的实验项目等。

（5）考评。传统的控制工程基础课程考核，一般都是平时成绩占30%，闭卷考试卷面分占70%。而平时成绩一般又分三块，实验占10%，作业占10%，出勤占10%，通常这三块又跟卷面成绩挂钩，基本上卷面分高，平时成绩也一定高。而试卷只能检验基本理论的掌握情况，不能作为评判学生的灵活运用能力和综合素质的评判依据。CDIO模式是强调加强学生综合素质和能力的培养，为了合理评判学生的学习成效，笔者在控制工程基础的考试方式上进行了改革，课程考试设置为开卷，避免了学生花大量时间去记一些没必要记住的公式和定义，且分数只占总成绩的40%，平时成绩作为重点，注重学生的平时学习过程和表现，其中作业占30%，发现作业抄袭现象的，双方记零分并进行教育批评以杜绝抄袭现象再次发生，实验占30%，主要根据实验考勤、实验态度、创新能力、动手能力以及综合素质给成绩。

4　结语

任何教学改革目的都是为了提高学生学习效果，激发学生学习兴趣，提高学生的综合素养。笔者在长期的控制工程基础课程教学中，通过不断自我学习，不断总结教学经验，且不断引入新的教学理念和教学模式，通过对比，发现基于CDIO模式的控制工程基础课程教学，能有效提高学生的综合素质，大幅度提高学生的动手能力，能适应工程应用型人才的培养需求。

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Teaching Reform and Practice for Control Engineering FoundationCourse based on CDIO

DENG Wei-Ke1，LIU Zhi-Hui1，2

（1.Department of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 422000，China；
2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China）

This paper analyzes the problems existing in course teaching of Control Engineering Foundationin mechanical engineering undergraduate students.It puts forward the reform ideas for the Control Engineering Foundation teachingbased on the CDIO model，especiallydiscussesteaching reform from trainingplan，teaching outline，handout，theory teaching，practice teaching，evaluationandsoon indetails.

Control Engineering Foundation；CDIO；teaching reform

A

2095-980X（2016）09-0117-02

2016-07-29

邓维克（1964-），男，湖南邵阳人，高级工程师，主要从事控制工程基础课程教学工作。