专业认证背景下的机械控制理论课程建设

张涛 牛金星 李恒灿 申杰

摘要：工程教育专业认证是实现工程教育国际互认的重要基础，机械控制理论课程对测控技术与仪器专业工程教育能力的提升具有重要作用。文章主要探索在工程教育专业认证的背景下，针对测控专业学生培养目标的要求，对机械控制理论的课程教学进行优化和完善。为了提高学生培养质量，从教学理念体系、教学内容方法和教学实践三方面进行研究，为高校控制类课程教学提供了思路。

关键词：机械控制理论；工程教育专业认证；测控技术与仪器；课程建设

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）47-0066-02

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保证制度，是针对高等教育机构，由专业性认证机构开设的职业性专业教育实施的专门性认证，为相关人才进入专门职业界从业的预备教育提供质量保证[1]。《华盛顿协议》是普遍认可的本科工程教育专业国际互认协议，是工科毕业生职业能力国际公认的权威要求[2]。我国在2013年6月正式加入了《华盛顿协议》，从而将我国工程教育水准与国际工程教育水准进一步推近，提高了我国高等工程教育的教学质量。因此，工程教育专业认证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，对我国的高等院校本科教育具有极大的意义。

“机械控制理论”是机械学院机械设计制造及其自动化、材料成型及控制工程、交通运输、测控技术与仪器四个专业的一门重要专业基础课，同时也是机械学院进行专业认证的专业-测控技术与仪器的专业主干课程[3]。课程围绕自动控制理论与技术的基本概念、基本理论与分析方法展开，阐述了经典控制理论和现代控制理论的基本理论和方法，控制系统中信号的传递、反馈控制、动态特性与综合的分析研究方法等内容进行教学，具有理论性和实践性相结合的特色。然而，截至到目前，课程都是采用课本教学、少量验证性实验和书面考试的形式进行授课，教学形式单一枯燥，不易调动学生的学习积极性，多数学生只是为了考试能够通过而学习，完全违背了课程开设的初衷。为了适应专业认证的要求，对机械控制理论进行深入的教学研究和课程设计是十分必要的。

一、教学过程中存在的问题

传统的机械控制理论教学中侧重理论知识的介绍，存在很多问题：（1）基本理论的讲授在整个课程中占有较大比重，从模型建立到时域频域分析需要学习很多理论，导致学生对前沿应用知识接触太少；（2）数学公式推导和证明造成学生在学习过程中产生畏难情绪，不利于激发学生对学习的兴趣和积极性；（3）学生对机械控制理论缺少直观上的了解，即使掌握控制算法的原理，也不易和实际效果相联系。面对教学中存在的普遍问题，在教学过程中激发学生的学习兴趣，提高学生进行控制实验的主观能动性，缓解学生在学习理论知识时的抵触情绪成为教师必须思考的问题和改善的现象。

二、机械控制理论的教学改革设想

1.教学理念和教学体系的改革。我国现有教育体系中工程教育和工程实际脱钩比较严重，教育多以课本为主。而工程教育专业认证以学生和用人单位对学校或专业所提供服务的满意度来作为认证的重要指标。如果想接轨国际工程教育认证标准，教师在传授控制理论基础知识的同时，更要使学生具备运用所学控制知识来改善机械设备的自动化能力。

教师在教学过程中，除了讲授课本理论知识，应该注重培养学生学习和探索钻研的主动性，鼓励学生运用所学的知识到实践当中去检验，培养学生发现问题和解决问题的能力。教师也要不断强化自身素质，增强知识储备、改进教学观念。

工程教育专业认证要求课程教学内容的整合与优化要符合工程型人才的培养目标，教师在讲课过程中适当减少对教材中过于理论性知识点的探究，尤其是减少对于一些纯理论性公式的推导，着重培养学生的设计、制造的实践能力，培养良好的大工程观。

2.教学内容和教学方法的优化改进。机械控制理论在测控专业教学计划中占有64个学时，其中包括8个学时的实验教学。在剩下不多的学时包括了经典控制理论和现代控制理论两部分，要让所有理论推导和计算面面俱到，又要介绍工程应用是不现实的，所以需要对课程内容进行删减，对于内容陈旧、过时或实用价值不大的知识点则少讲，增加和重复理论结合实际的内容。例如根轨迹，在实际应用中很少见，而系统分析中时域和频域占了较多课时，所以在讲授时就删掉根轨迹这一章。再有时域分析只讲一阶和二阶分析，高阶系统就不再讲了。而在现代控制理论中主要讲状态空间表达式以及能控能观性。在系统建模这一节，除了介绍几乎所有教材都有的弹簧阻尼系统和电阻-电容-电感系统之外，适当增加了一些复杂电路，如放大电路和惯性电路的分析。学生可以将枯燥的理论与测控专业常用的电路、单片机结合起来，真正明白了控制理论是如何应用到解决工程问题的，增加了学生的积极性。

机械控制理论课程教学采用“多媒体+板书+课后”的方法。首先由于课程中有大量的数学计算和推导，必须采用板书讲解，一些重要公式的推导需要学生理解，学生在老师书写板书的时候也能跟上讲课的思路；其次采用多媒体技术放映PPT和视频，在绪论里通过观看实际案例，了解控制系统的发展，使学生对课程产生兴趣，最后是课下辅导，即利用课余时间对学生进行课后习题的辅导和课上内容的查漏补缺，提高学生的整体成绩。例如在讲解利用梅逊公式求解传递函数的时候，对于公式：G（s）=，要重点说明每个参数的含义，尤其是互不接触回路。为了让学生能够加深感性认识，使用多媒体标记出不同前向通道和不同反馈回路，用不同颜色显示可以让学生理解接触的概念。其次使用板书写出系统特征式和前向通道的余因子，这样就完成了课堂讲授。对于学生课下练习，可以布置一些复杂电路控制系统求解传递函数，让学生把学过的电路知识结合进来，提高学生的综合分析能力。

3.教学实践的探索和研究。工程教育专业认证重在培养学生的动手能力，所以在注重理论知识教学，拓展学生的专业知识的同时，还要高度重视实践性教学环节，加强基础理论教学与工程应用的相互对接，通过实践训练提高学生解决实际工程问题的能力。根据现有条件，机械控制理论教学实践分为三大类：（1）课堂实验。包括4个实验，前3个实验使用THKKL-1型控制理论电子模拟实验箱搭接模拟电路，然后利用UTD2000示波器进行典型环节一阶二阶时域响应和频域响应曲线的显示，第4个实验是固高倒立摆创新实验，进行实验平台软硬件的连接，通过电脑上的上位机控制软件实现倒立摆的功能。实验既有验证性实验提高学生对课堂知识的认识，又有创新性实验锻炼了学生的动手能力。（2）大学生创新项目比赛。除了在课堂上的学习，经常组织参加大学生创新实验项目和科研训练项目，积极参加全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛、全国大学生创新创业比赛等学生竞赛项目，并屡获佳绩。这些都为学生深入了解控制理论及应用提供了学习机会。（3）毕业设计。机械控制理论是理论性很强的课程，光靠课堂和实验是不够的，14周的毕业设计提供了一个较长的学习时间，测控专业的毕业设计主要分为三大类：嵌入式设计、机器人控制和图像视觉处理。毕业设计过程中，指导教师制定任务书、总体方案和进度安排，对学生毕业设计中的思路和错误加以引导，学生自己负责修改。设计完成后，进行毕业答辩，实行末位淘汰，重点考察学生实际分析问题的能力和處理问题的能力，从而培养学生工程动手能力和创新能力。

在工程教育专业认证的背景下，机械控制理论课程必须坚持理论与实践充分结合，培养面向现代社会的高新技术产业所需的复合应用型人才。文章从教学理念体系、教学内容方法和教学实践三方面提出了测控专业机械控制理论课程的教学改革设想。实践证明，学生的学习积极性被极大地调动起来，综合创新实践能力得到了提高。

参考文献：

[1]中国工程教育认证协会秘书处.中国工程教育认证工作指南[M].北京：中国工程教育认证协会培训教材，2013.

[2]陆勇.浅谈工程教育专业认证与地方本科高校工程教育改革[J].高等工程教育研究，2015，（6）：157-161.

[3]杨振中.控制工程基础[M].北京：北京大学出版社，2005.