应用型本科控制工程基础教学改革探讨

邱鹏飞

【摘 要】应用型本科机械类专业培养计划中，控制工程基础是一门重要的专业基础必修课。本文分析了该课程的特点，目前存在的一些问题，总结了目前各高校针对控制工程基础课程教学改革的一些方法，最后提出了基于工程案例倒推法，引导学生通过自主学习解决问题所需要的经典控制理论知識。

【关键词】应用型；控制工程基础；工程案例

中图分类号： TP13-4；G642 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）11-0094-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.039

0 引言

高等教育在中国已经得到了普及，各个学校都有自身的发展定位，比如学术研究型大学、应用技术型大学。越来越多的高校将自身定位在应用型技术大学，据统计，目前全国有超过300所应用技术型大学。各地也相继成立了很多联盟，如61所高校成立的应用技术大学（学院）联盟，各省（地区）也成立了省应用型高校联盟，如四川、安徽、长三角地区、浙江、湖北等联盟，越来越多的本科院校正在积极加入应用型本科行列。

《控制工程基础》是机械类专业重要核心课程，而机械类专业人才培养在智能制造领域显得尤为重要，自中国提出智能制造2025计划，智能制造已上升到国家发展战略，人才紧缺，各大应用型技术大学也在加快转型升级，凸显应用特色。如何将该课程讲好，提升学生工程能力及素养成为应用型大学机械类专业的重要组成部分。

1 控制工程基础课程的特点

目前全国高校机械类专业都开设了《控制工程基础》或《自动控制原理》，一般作为专业必修课开设。课程要求学生掌握控制系统数学模型的建立，能够求解系统的传递函数，能够对线性系统进行时域分析、频域分析及其轨迹描述、能够判断系统稳定性及非稳定系统校正。目前应用型高校普遍安排48学时或更少的32学时，学生在这么短的时间，要完成这样具有大量计算、大量分析、逻辑性很强、前后课程关联度很大的教学内容，实属不易。

目前国内很多高校教师进行了《控制工程基础》教学改革，比如大连民族大学的邵强[1]提出实践教学方面加大实验设计，提高实验综合型，采用Matlab软件进行仿真，加强学生感官认识。

2 教学过程一些问题

（1）过多强调基础知识。目前很多高校控制工程基础都把现代控制理论部分删除，也把经典控制理论中非线性系统内容删除，仍存在课时不足的情况，剩下内容中要把系统数学模型建立，求解系统传递函数，进一步进行时域分析、频域分析、稳定性分析等这些基础知识讲解清楚需要大量学时，然后继续把根轨迹和线性系统校正删除才勉强能够完成该课程。授课教师（含实验教师）对知识详细讲解，学生被动的学，被动的完成仿真实验检测结果，一有问题就问老师，对授课教师依赖性很强，教师难以引导学生主动学习，主动思考。

（2）过多强调解题。国内有不少的论文基于教学研究，提出更简单、更方便或更系统的方法梳理知识，解决题目。出发点仍然在题目上，如安阳工学院宋强[2]提出应用计算机检索法和分叉法解决梅逊公式求解复查系统，中国石油大学李春明详细研究了系统方框图的相加点与分支点的互换方法用以解决结构图化简求系统传递函数。老师备课也非常辛苦，特别是一些年轻老师，课前精心准备的推导过程及讲解过程，课堂上讲给学生，往往结果是老师满头大汗，学生无动于衷，能跟上老师进度的学生不多。站在学生角度，学生不知道学了这么多知识如何应用，换个参数往往就不会了。另一方面考核方式仍然以闭卷为主，需要学生去记去背大量公式，否则无法做出考题，很多学生只是机械的记住这些公式例题然后去套用，稍作改动就解不出题，造成卷面不及格率偏高多次重修后仍难以通过。

（3）实验教学仍然以Matlab仿真为主。目前大部分实验指导书中仿真实验多为验证行，可变化的参数很少，学生按照例题模板改变部分参数观察系统输出图形变化，以此来验证理论学习过程中画出的各种结果，如根轨迹，伯德图，奈奎斯特曲线等，学生一直处于被动学习，没有工程意识，实验效果不好。

3 国内外关于控制工程基础教改的措施

（1）重视学生学习效果。南阳理工学院何一文[3]提出重视绪论学习，激发学习兴趣，适当补习部分基础理论知识，注重理解与应用，适当减少公式推演，精选工程案例，贯穿于课程教学的始终。将工程实际中简化而来的小型系统案例雷达天线伺服控制系统贯穿于课程教学的始终，这样便于学生理解各章节内容在该工程实例中的作用，有了具体的工程案例，可以提高学生求知欲望，进而探究解决问题的方法。广东科技学院赵杨[4]通过贯彻主动学习教学策略，帮助学生更好地理解课程内容。上海理工大学景大雷[5]建议教师可以充分鼓励和指导学生参加相关的机电产品创新大赛等活动，通过参加学科类竞赛等相关活动让学生检验自己的学习成果，培养自己利用所学知识解决实际问题的能力；另一方面还可以培养学习的积极性和主动性，增强学生学习的自信心和成就感。

（2）重视工程案例教学。重庆科技学院苏盈盈[6]围绕已找到的实际控制问题，反复推敲，建立符合教学时间、教学规范的案例库。通过这些案例，学生能够在实际问题中掌握各个知识点，快速地举一反三，推广理论的应用价值。南华大学邓攀[7]将微课与“交互式教学”“范例教学”“小组合作学习”等多种教学模式相结合，进行多种教学模式试验，并对教学效果进行评价，找出最优化的教学模式。石河子大学赵咪[8]建议教学过程中积极开展开放性实验，加强实践环节，提高工程应用能力。

近年来国际工程教育提出统筹构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）的CDIO工程教育模式。它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。强调工程基础的、真实产品、真实系统的构思-设计-实现-运行（CDIO）过程。国外经典教材《自动控制原理与设计》很好的体现了这一思想，如以汽车巡航控制模型为导入，研究系统微分方程，求解系统传递函数。将理论和工程实际相结合，容易激起学生的学习兴趣，提高课堂教学效率。

（3）重视利用微信、微课、慕课、翻转课堂等现代化教学手段丰富教学。华北电力大学袁桂丽[8]开发了基于微信平台的辅助教学，她认为该模式不仅能够弥补传统课堂教学"网络教学的不足，打破课堂教學的时空限制和原有网络教学的局限性，还在此基础上丰富了教学手段，增加了学习趣味，这一辅助教学不仅仅变革了教学形式，还改变了教学理念，使灌输式学习变革为交互式学习，同时，更加注重学生的学习质量学习体验，它进一步推动了教育信息化的发展，完善了教学内容。东北大学王海芳[9]应用慕课尝试对该课程进行了互联网+的教学模式的教学改革探索。中国矿业大学李中凯[10]将双语教学和翻转课堂模式引入控制工程基础的教学过程，探讨教学方法并分析实践结果。

4 教学改革的一些建议

如果能够找到一些机械工程实际案例，最好是学生专业领域常见的案例，针对这个控制系统，先建立系统数学模型，然后在此基础上对系统的时域分析、稳定性分析、频域分析、误差分析展开讨论和实例分析与设计，最后对系统整体性能进行校正分析，校正后再验证，不断优化，最终得到一个稳定的、快速的、准确的控制系统。整个过程是逐步推进的，强调提出问题—分析问题—解决问题的思路，并在这个过程中将理论知识、实际应用紧密联系并达到连贯。这个过程最重要的是思想理念的转变，让学生先做，遇到问题，然后去学习解决该问题的知识点，去寻找解决该问题的方法。简单来讲就是解决问题过程中不断完善学科知识，真正做到学以致用。

举个例子，以倒立摆系统作为研究对象，或者Segway代步车这类使用反馈控制系统保持直立的案例。我们都知道倒立摆是一个不稳定系统，把解决这个问题分为两个步骤，第一步先验证倒立摆是一个不稳定系统，我们可以先建立倒立摆的运动微分方程，对微分方程求解拉普拉斯变换，求解系统的传递函数，也可以通过运动微分方程建立结构图，然后利用结构图化简或梅逊公式求解系统的传递函数。经典控制理论里面系统稳定性有三种方法，可以分组让每组学生使用一种方法进行稳定性分析，学生通过这个过程学会了如何科学验证倒立摆系统的不稳定性。第二步要进行校正，如何让系统达到稳定，让学生去寻找能够让系统稳定的方法，比如PID调节能够达到理想的校正效果。

再例如多搜集一些这样的案例，进行分类整理，挑选几个能够把相关知识点都用到的案例作为必修内容，留一些案例作为学生最终大作业，甚至可以以大作业的形式作为学生最终的成绩。也可以鼓励学生积极参加如机械创新大赛、机器人比赛等众多赛事，以比赛的实物作为研究对象，如何让该系统稳定、快速、准确的执行任务，最终写成学习报告进行汇报交流。

5 小结

本文分析了目前应用型技术大学机械类专业控制工程基础教学特点和现状，通过将多个工程实际应用问题，引导学生去解决这些工程问题。以倒推的方式，解决问题需要用到什么知识点或方法再去学什么知识点或方法。培养学生工程应用意识，用真实的工程问题来检验学生的实践能力和创新能力。

【参考文献】

[1]邵强，葛平舒，等.《控制工程基础》课程的教学改革与探索[J].高教学刊2017（03）.

[2]宋强.师会超.“控制工程基础”课程中梅逊增益公式的应用技巧[J].安阳工学院学报，2016（03）.

[3]何一文.李珍.等.机械工程控制基础课程建设与教学改革探索[J]南阳师范学院学报，2016（06）.

[4]赵杨.主动学习教学策略在控制工程基础课程教学中的应用[J].大学教育，2017（07）.

[5]景大雷.机械控制工程基础课程教学初探[J].科教导刊，2016（05）.

[6]苏盈盈.案例式教学模式下卓越工程师人才培培养改革探索[J].重庆科技学院学报（社会科学版），2017（02）.

[7]邓攀.等.独立学院自动控制原理课程的微课开发与应用[J].中国现代教育装备，2017（05）.

[8]袁桂丽.王宝源等.基于微信平台的自动控制原理辅助教学改革[J].教育教学论坛，2017（02）.

[9]王海芳，褚天争.基于慕课的机械控制工程基础课程改革探索[J].江苏科技信息，2017（10）.

[10]李中凯，侯昆峰.控制工程基础的翻转课堂双语教学改革实践[J].教育教学论坛，2016（12）.