“控制工程基础”实验教学改革探索

2017-07-07王艳辉姬晓飞

黑龙江教育·高校研究与评估 2017年7期

王艳辉　姬晓飞

摘要：实验作为大学教育体系中的一个非常重要的环节，对课程的教学效果起到直接的影响作用。在工程教育背景下，针对“控制工程基础”实验教学中存在的实验设置不能建立直观的系统概念、实验类型均为验证型、实验教学模式陈旧及忽略实验结果分析等问题，可以通过改革实验内容、优化教学方法和加强教材建设等措施来改进实验教学，使实验教学有利于开发学生的思维、激发学生的学習兴趣、提高学生的综合分析问题的能力和创新能力。

关键词：工程教育；实验教学；控制工程基础

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2017）07-0006-02

实施高等工程教育专业认证，对于提高高等教育质量，推动高等教育在各个方面的改革有很好的促进作用，同时也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础[1-2]。中国工程教育专业认证协会在

2015年修订并出台了新的通用认证标准，毕业要求项包含的12项内容中，工程知识、问题分析和研究这三项内容要求学生能够将所学专业知识用于解决复杂工程问题、能够应用数学和自然科学及工程科学的基本原理分析复杂工程问题、能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究并得到合理有效的结论，为了达到这样的要求，在课程的教学过程中对学生应该有针对性的训练，如何设计实验内容、改进实验教学方法和增加实验分析对于学生的思维开发、综合分析问题的能力的提高、得出针对相关复杂工程问题解决的有效结论是很有效的。

一、工程教育背景下实验改革的意义

传统的高等工程教育把获取知识、拥有知识作为课程的主要目标。实际上，获取的知识如果得不到应用，就不能深化为能力，这些知识将很快被遗忘，因此，能力的培养应是课程的主要目标，要使学生自觉主动地参与课程的学习，教师的职责不仅是授业，更重要的是培养学生在实践中自主学习、综合分析和创新的能力。

“控制工程基础”课程作为沈阳航空航天大学机械、航宇和材料等专业的一门重要的专业基础课程，2009年被评为辽宁省省级精品课程，理论性很强。作为实践教学的重要组成部分，实验是教学过程中不可缺少的重要环节，实验对于激发学生学习兴趣，促进学生将知识转化为能力、逐步地完成由学习者到实践者的转化，满足社会对应用型专业人才的需求，具有不可替代的作用[3]。通过实验有助于把枯燥抽象的理论形象化，加深对理论知识的理解，也是培养学生分析能力、动手能力、创新能力、自主学习能力的重要环节。

在工程教育背景下，我们必须对现阶段的教学模式进行调整，培养出具备丰富的理论知识和实践经验的工程师。实验可以使学生在掌握扎实的理论基础的同时获得一定的实践能力和工程应用认识，合理的实验教学不仅可以培养学生的动手能力，也能提高学生的独立思考和综合分析问题的能力。因此，如何提高“控制工程基础”实验课程的教学质量，提高学生在实验中的自主学习、自主实践的兴趣和积极性是当前面临的迫切任务。

二、“控制工程基础”实验教学现状

2005年课程教学团队将实验改革为Matlab仿真实验，可使学生直观地看到实验结果，丰富了感性认识。但是，本课程在实验内容和教学方法上的弊端已经不适应现阶段工程教育的需求，存在如下问题。

（一）控制系统直观概念模糊

实验的内容是由控制系统的传递函数编程绘制出响应曲线、频率特性曲线或零极点分布图，只能培养学生在仿真方面的初步能力，学生接触到的仅仅是抽象的系统数学模型，是一堆堆的字符和数字，对控制系统的理解仍停留在传递函数阶段。这种教学模式，使得学生很难将抽象的数学表达式与实际的控制系统联系起来，难以对控制系统建立起直观的概念。

（二）实验类型设置不当

实验类型均为验证性，是对基本理论知识的验证，实验项目中可变化的参数很少，仿照例题的程序，只要稍加改动就可以编写出与思考题相对应的程序，键盘输入无误就可以直接运行出结果完成实验，以此进行理论的验证，学生处于被动学习的地位，难以建立基本的工程意识，实验效果一般。

（三）教学模式陈旧

在实验教学过程中依然采用传统的以教师为主体的方式，尽管实验指导书已经编写得很详细，但是实验开始时指导教师依然进行细致的讲解，学生运行出结果就等待教师检查，出现问题就等待教师帮助解决，学生对指导教师的依赖性很强，教师没能起到引导学生主动思考的作用。

（四）忽视实验结果分析

实验报告的书写都以学生抄写实验原理和实验程序为主，对于实验过程中出现的问题和解决方法没有进行阐述，对于得到的实验曲线或实验数据没有给出相应的结论，仅注重数据的正确性，不利于培养学生利用实验的结果进行分析总结的能力。

三、“控制工程基础”实验教学改革的措施

针对在“控制工程基础”实验教学中存在的一些问题，对提高学生在实验中的自主学习、自主实践的兴趣和积极性是当前面临的迫切任务进行了思考，探索出了适应工程教育的背景的一些实验改革措施。光明日报2013年11月27日16版的一篇文章《工程教育认证对于中国高等教育意味着什么》指出，“教育要首先关注学生的感受”、“教学要从句号课堂向问号课堂转变”，工程教育的核心理念是“以学生为中心”，因此实验教学也要充分发挥学生的主体作用。

（一）设置合理的实验体系

实验体系的设置按照“巩固基础—知识综合—工程实践”三个层次进行。巩固基础由验证性实验完成，验证性实验主要强化学生对理论的理解和消化，使学生通过对实际控制系统的感性认识，把理论上所描述的系统和各种实际控制系统联系起来，培养学生的基本技能。知识综合由综合性实验完成，综合性实验着重强调对学生的综合分析能力和综合设计能力的培养，使学生能够将控制理论的知识内容融会贯通，把基础、提高和创新有机地结合起来。工程实践由设计性实验完成，设计性实验是设计一个恒温控制系统，通过系统的实现，可以培养学生调查论证、实验方案设计、独立思考和综合分析问题的能力。课程设置的实验类型如表1所示，充分发挥每种实验的作用，三种类型的实验项目有机地结合，有助于提高学生的工程实践能力。

表1 实验项目及类型设置

（二）优化实验内容

实验内容的设计会对实验效果产生直接的作用，为了充分发挥实验的作用，提高学生分析问题和解决问题的能力，优化后的验证性和综合性实验内容组成如图1所示。

图1 实验内容组成图

采用Multisim仿真分析、Simulink仿真分析和Matlab编程分析三种方式对控制系统进行分析，不仅可使学生掌握各种仿真分析方法，而且能够弥补硬件实验中由于实验设备的损坏或老化而造成的时间浪费问题，还能将教学内容进行灵活扩展，降低教学成本，同时采用Multisim进行实际系统的硬件仿真分析，可以使学生将数学模型与控制系统建立起直观的概念。而采用Simulink仿真分析时要先绘制出系统的动态结构框图，有利于巩固学生对于数学模型的建立的知识的掌握。

最后的设计性实验是要求设计一个温度控制系统，采用Proteus软件仿真并用单片机实现温度控制系统，将实际的控制系统案例引入实验教学，可以巩固、加深对控制理论知识的理解，在理论和工程实际之间搭建起联系的纽带。

（三）加强实验教材建设

针对以往的实验教材存在的实验步骤过细、不利于学生主动思考的问题，而实验报告书写中存在着机械抄写实验目的、实验原理和实验步骤之类无意义的工作问题[5]，对实验教材进行了重新编写，将实验指导书和实验报告合二为一。书中将实验步骤进行了淡化，增加了预习要求、分析与结论、心得与收获三部分，一方面有利于促进学生在实验中的积极思考；另一方面可以培养学生对实验结果进行分析总结的能力，再次可以认真思考在实验过程中所收获的知识与能力。

（四）改进教学方法

在实验教学过程中，教师考虑从学生出发，重视发挥学生的主体作用，保证学生的主体地位，不要进行过多过细的讲解，也不要让学生产生对指导教师的强烈依赖心理，只有这样才能充分发挥学生的主观能动性，提高他们分析问题和解决问题的能力。

四、结语

实验教学是培养学生的实践能力和工程应用能力的一个非常重要的环节，是实践教学环节的重要组成部分。结合沈阳航空航天大学应用型人才培养的目标，控制工程基础实验在实验类型、实验内容、实验教材建设、教学方法等方面采取了一系列措施，提高了学生的实验的主动性和工程实践能力。

1.增加了综合性和设计性实验在实验中的比重，提高了学生综合分析问题的能力和运用理论解决实际问题的能力。

2.使用多种实验软件，建立了实际物理系统和数学模型之间的联系纽带，解决了仿真实验中数学模型与实际系统脱离的问题，提高了实验对于理论验证的直观性。

3.坚持“以学生为中心”的工程教育核心思想，在实验教学中充分發挥学生的主体作用，激发了学生的学习热情和欲望，实验取得了较好的教学效果。

4.实验教材和实验报告合二为一，注重发挥学生的主观能动性，促使学生积极思考，增强学生综合问题和解决问题的能力，提高了创新能力。

参考文献：

[1]支希哲，韩阿伟.高等工程教育专业认证的问题及对策

[J].中国高校科技，2015，（4）.

[2]顾晓薇，王青，邱景平等.工程教育认证“毕业要求”达成