基于工程教育认证的机械控制工程课程的教学改革探讨

陈秀梅 黄民 彭宝营 刘忠和

摘要：工程教育认证是一种以培养目标和毕业出口要求为导向的合格性评价，其核心就是要确认工科专业毕业生达到行业认可的既定质量标准要求。一个专业的课程体系又是实现专业培养目标的具体步骤。每门课程的教学效果直接影响毕业生的质量，参照工程教育认证标准，根据机械控制工程课程的特点及教学中存在的问题，基于学生成果的教、学、评价，对课程的教学大纲进行了修订，修改和补充相关教学内容，采取形式多样的教学方式和方法作为达成毕业要求的途径，以期能够达到优秀的教学效果及评价。

关键词：工程教育认证；机械控制工程；培养目标；教学大纲

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）17-0148-03

一、背景

工程教育认证是国际通行的工程教育质量保障制度，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。1989年，美国工程与技术认证委员会、加拿大工程师学会、英国工程委员会、澳大利亚工程师学会、爱尔兰工程师学会、新西兰职业工程师学会六国的民间工程团体签订了《华盛顿协议》。近年来，《华盛顿协议》在工程领域中的影响力不断扩大，南非、日本、新加坡等多国纷纷签约该协议成为成员国。2013年6月，中国成为《华盛顿协议》的预备成员。

2016年6月，在吉隆坡召开的国际工程联盟大会上，中国成为《华盛顿协议》的正式会员国[1]，标志着我国高等工程教育得到国际认可。中国纳入国际工程教育认证体系，人才培养质量评价标准与国际接轨[2]。《华盛顿协议》逐渐成为国际上公认的专业化程度最高、权威性最高的高等工程教育专业互认协议[3]。2016年，北京信息科技大学机械设计制造及其自动化专业通过了工程教育认证，机械控制工程是本专业的一门学科基础教育必修课，本课程团队根据专业认证要求对该课程的教学进行了改革探讨，修订了课程教学大纲，增加了反映新知识、新技术的教学内容，丰富了教学方式和方法，增添了毕业要求的达成途径。

二、修订机械控制工程课程教学大纲

（一）专业培养目标

机械设计制造及其自动化专业的培养目标是：培养在机械工程及相关领域从事机电产品及系统的工程设计、技术开发及生产运行管理等相关工作的应用型高级工程技术人才。学生毕业5年后，预期能够成为机械工程及相关行业的高素质工程应用型技术人才，熟悉本专业国内外最新技术，能够独立解决复杂的工程技术问题，在机械工程或相关领域能独立完成所负责的工作，具有在项目中担任技术骨干的能力和水平。

（二）机械控制工程课程的性质及定位

一个专业的课程体系要符合专业的培养目标，本专业的培养目标定位在高素质工程应用型技术人才——为企业服务、为企业输送人才，因此就应该以企业为导向培养人才，以“毕业生在企业中的能力”为导向。机械控制工程课程课程是以经典控制论为理论基础，研究机械工程中广义系统的动力学问题，是机械设计制造及其自动化专业的一门学科基础教育必修课。

本课程的主要任务是通过课程教学与实验环节讲授控制理論的基础知识，掌握机电系统数学模型的建立及动、静特性的分析计算方法，培养初步分析设计系统的能力。从培养高级机械工程应用型人才的全局出发，本课程不仅为学生学习相关技术基础和专业课程起到承前启后的作用，同时，还为今后从事机械设备的设计、控制和研究工作，起到增强适应能力和提高其开发创新能力的作用。

（三）教学大纲的修订

本课程对先开课程的要求：掌握和熟练应用理论力学、电工技术基础、电子技术基础等相关知识理论建立系统的数学模型，掌握复变函数与积分变换理论知识，对进行系统的时域分析、频域分析打下基础。教学大概修订原则是：根据本课程的先开课程要求，考虑到其理论知识的理论性、系统性强，增加贴近生产、生活实际的内容，剔除过时的陈旧知识；聚焦发展创新前沿，实施智能制造系统，培养具有创新思维和创新能力的人才。

（四）在课程中增加计算机技术的应用知识，利用Matlab数学应用软件，提升学生的能力与素质

在教学过程中，教和学是相辅相成的，教师可以通过理论教学为学生传授知识，但是学生的能力培养仅仅靠教师的课堂讲授是不能解决问题的，因此通过增加学生的课堂主动参与环节，在课堂上采用实践教学、项目研究、仿真分析、研讨交流等手段增加教学方式和方法，提高学生的学习兴趣，增加学生学习的主动性，以利于毕业要求的达成。

三、毕业要求

根据工程教育认证的毕业要求，考虑到机械控制工程课程的性质及教学内容，我校机械设计制造及其自动化专业将毕业要求指标点进行分解，本课程的毕业要求包括：（1）掌握用于解决复杂工程问题所需的相关计算机应用技术和控制理论与技术知识。（2）掌握用于解决复杂工程问题所需的相关工程测试及信息处理与管理科学基础等知识。（3）能够应用相关测试与控制基本原理，识别、表达，并通过文献研究分析复杂工程问题中的相关问题，以获得有效结论。（4）能够在测试与控制等领域设计针对复杂工程问题的解决方案，制定相应的信号采集和控制方案，并体现创新意识。（5）基于科学原理运用科学方法对复杂工程问题中的电工与电子问题及其他工程问题进行研究，包括设计实验、建立模型、分析与解释数据。（6）掌握科学计算软件的使用方法，选择科学计算软件对复杂工程问题进行建模，对其预测和模拟，并理解其局限性。

四、教学目标与达成途径

本课程的主要内容包括：控制系统的组成、分类及基本工作原理；控制系统数学模型——微分方程的建立方法，典型环节的传递函数，方框图的简化方法；控制系统的时间响应概念，一阶、二阶系统时间响应分析，二阶系统的单位阶跃响应，时域性能指标及控制系统稳态误差计算方法；控制系统的频率特性概念、典型环节的频率特性表示方法——乃奎斯特曲线、对数频率特性，控制系统瞬态响应指标和频率响应指标的关系；控制系统稳定性的判断方法——代数判据、几何判据，控制系统稳定性充分必要条件；理解控制系统稳定性概念及相对稳定性；掌握闭环系统的稳定性分析；控制系统校正方式——串联校正、反馈校正；理解控制系统校正的概念、实质和方法。鼓励教师采用多媒体教学、黑板板书、工程案例教学、工程实践项目等多种教学手段，结合自身研究方向，增补反映本专业前沿发展现状和趋势的有关新技术的内容[4]，将实际工程的案例应用于课堂的教学过程，增加学生学习的兴趣；教师在课堂教学中为学生展示实践活动成果设置专门的时间，以激发学生的主动学习精神；学生以小组为单位，项目研讨、课堂讨论等多种方式，辅以在任务驱动下的实践教学活动，提高学生们的工程意识与实践技能；对重点、难点章节（如：系统的时间响应、频率响应、PID校正等）应安排项目作业，培养学生解决实际问题的综合能力。

（一）知识

通过课堂讲授、研讨课和布置课外作业，掌握物理系统的数学模型建立，通过积分变换的方法求解传递函数；掌握控制系统时间响应及稳态误差分析，了解瞬态响应及稳态响应的性能指标，通过各个性能参数能够分析系统的快速性及准确性；掌握控制系统的频率特性及稳定性分析，通过频域分析了解系统的频域指标，并分析系统的稳定性；掌握控制系统的综合与校正的方法及实质。教学目标是通过本课程的学习使学生能以动态（即动力学）的观点而不是静态观点去看待一个机械工程系统；从整体的而不是分离的角度，从整个系统中的信息之传递、转换和反馈等角度来分析系统的动态行为；学生能够达到结合工程实际，应用经典控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中的问题，并为将来进一步学习有关课程及进行研究工作奠定基础。

（二）能力

通过项目学习、课堂研讨，掌握机械动力学系统中的建模方法，并能通过传递函数进行系统的分析，具有初步建立机械系统、电气系统数学模型及性能分析的能力；使学生能以动态、系统的观点而不是静态观点去看待一个机械工程系统，初步具备系统的分析与管理意识和能力。学生自行组建3—4人的项目小组，通过项目学习、计算机编程软件学习，完成机械系统与电气系统的时间响应、频率响应、PID校正分析报告，培养学生计算机应用能力及团队合作能力。

（三）认知

通过实验操作和项目学习，使学生能够达到结合工程实际，应用经典控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中的问题；培养学生以动态的观点而不是静态观点去看待一个机械工程系统；从整体的而不是分离的角度，从整个系统中的信息之传递、转换和反馈等角度来分析系统的动态行为，树立系统管理的基本思想。

五、结论

工程教育认证的核心是合格认证和能力导向，是基于学生成果的教、学、评价，根据制定的培养目标，细化要求，达成评价，持续改进[5]，形成结果导向的教学模式，以形成持续改进的质量保障机制。课程是实现专业培养目标和毕业要求的具体步骤，课程的知识点和能力点是否可以实现培养目标、如何实现，以及学生的素质是否具备，都取决于课程的教学大纲、教学内容、教学方法等具体细节的实施，同时，教师不断对照培养标准，对学生的学习成果评估进行反思，达到对未来教和学活动的改进与提高，以便使学生毕业后能够具备的基本素质，拥有要求的专业能力。

参考文献：

[1]王红军，樊晓雪.地方高校机械类专业工程教育认证的思考和实践[J].高教学刊，2017，（4）：27-31.

[2]陈秀梅，王红军，钟建琳，刘忠和.面向工程教育认证的机械设计制造及其自动化专业培养目標的研究与探讨[J].教育现代化，2017，（11）.

[3]姚韬，王红，余元冠.我国高等工程教育专业认证问题的探究——机遇《华盛顿协议》的视角[J].大学教育科学，2014，4（4）：28-32.

[4]万林林，伍俏平，邓朝晖.工程教育专业认证下机械制造装备设计课程改革[J].当代教育理论与实践，2015，（4）：40-42.

[5]穆浩志，李克旺，牛兴华等.基于工程教育认证的机械基础系列课程教学设计与实践[J].中国轻工教育，2015，（5）：66-70.