Short-course在控制工程基础课程教学实践中的研究与应用

2019-09-10靳伟张学军李雪莲宋玲鄢金山于蒙杰

高教学刊 2019年14期

靳伟张学军李雪莲宋玲鄢金山于蒙杰

摘要：控制工程基础是高等学校机械工程及其自动化专业的必须课程，该课程要求学生具有扎实的综合理论知识和较强的实践动手能力。在应用型本科高校转型发展的过程中，对培养学生能力提出了更高要求。通过对Short-course教学实践模式的研究，结合新疆农业大学机电学院的实际情况，探索Short-course教学实践实施方案、实践过程控制、学习效果考核等内容，更新学生学习模式、丰富教学内容、优化教学实践体系，培养适应区域经济发展的复合应用型人才。

关键词：Short-course;应用型;教学实践;控制工程

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）14-0099-04

Abstract： Control Engineering is based on the institutions of higher learning must course in mechanical engineering. This course requires students to have solid comprehensive theory knowledge and strong practice ability. In the process of the transformation development of applied undergraduate colleges and universities， an advanced requirement to cultivated ability the students is raised. Through the study of the patterns of Short-course teaching practice， the paper combined with the actual situation of College of Mechanical and Electrical Engineering in Institution of Mechanical Engineers of Xinjiang Agricultural University， explored the Short-course teaching practice implementation plan， process control practice， study effect evaluation and so on， updated the students' learning mode， enriched the teaching contents， optimizing the teaching system， training the compound applied talents of the regional economic development.

Keywords： Short-course; applied; teaching practice; control engineering

当前，全球新一轮科技革命和产业变革方兴未艾，在新工业革命背景下以大类学科培养、学科交叉等“跨界”培养模式必然是工程教育模式發展的方向。针对国家现代农业发展对大数据研究与应用的需求，培养学生能够基于计算机虚拟模拟相关知识并进行合理分析、评价大数据工程实践和复杂工程问题解决方案，应对新一轮科技革命和产业变革的挑战势在必行。

控制工程基础是一门以分析和改进控制系统的性能和品质并且根据实际需要创新设计控制系统为主要内容的课程，利用MATLAB和LABVIEW等软件工具控制大数据工程实践和复杂工程问题。该课程以实际生产中的机械系统、电气系统、流体系统等为基础，对学生的综合理论知识和实践动手能力提出更高的要求，因此要求学生具备较强的知识转化、生产实践能力。Short-course教学方法主要是针对高校少学时、内容抽象或者针对某项技能开设的短期培训课程。根据新疆农业大学机电工程学院开设的控制工程类课程，利用Short-course教学方法探讨系统建模与控制策略，如数学模型中的汽车减震器控制系统、冰箱温度控制系统、打印机打印轮控制系统等，提高学生学习热情、丰富教学内容、提高教学效果[1，2]。

一、控制工程课程教学存在的问题

控制工程课程教学难点多、抽象、不容易理解，教师在进行课堂讲授时，往往出现同一问题反复讲解，费时而收效甚微，学生也往往难以把学到的知识进行相关梳理;部分学生还未养成良好的学习态度，导致传统课堂教学往往难以使得学生对控制工程课程产生浓厚的学习兴趣。目前新教育环境下控制工程基础课程虚拟实验教学实践与应用研究水平较低，不能充分调动学生积极性、不能很好地弥补课堂讲授的不足[3-5]。

（一）控制工程基础内容综合性较强、学时较少

控制工程基础课程涉及高等数学、物理学、电工学、电子技术、工程数学等内容，是一门学科交叉性课程，其内容抽象、难以理解且学时较少。要求学生学习时具备扎实的综合理论知识和实践动手能力，还应该具有一定的计算机应用知识基础。但学生目前的理论知识储备还远远不够，基础课程知识掌握不牢固、理解运用能力较差，学时数较少、课堂讲授节奏较快，导致学生学习该课程时压力大、困难多[6-8]。农业类院校电气工程、车辆工程、交通工程、农业机械化工程、机械工程专业的大部分学生认为该课程不是专业核心课程、学习该课程的优差不影响自己以后的深造和就业，思想认识上存在误区，导致出现教师“教不会”、学生“学不懂”的问题[9-12]。

（二）学生学习模式较单一、积极性不高

控制工程课程教学过程效益取决于师生之间的积极性和互动性，尤其是学生的积极性是教学成败的关键，提高学生自主学习、激发学习热情对提升高校教育质量和学生发展具有重要的意义。学生大多习惯于传统课堂教师讲授为主体、学生被动灌输知识、机械式练习巩固，传统教学强调灌输知识但忽视学生自主学习能力的培养。传统教学模式单一，教学设计内容主要从“如何教好”的视角出发，教学内容设计的重心未落在“如何学”上。回顾国际提高教育质量的征程中，提出“以学生为中心”的教学理念，试图超越课堂与课外、教与学、师与生等二元对立关系[13，14]。目前在中国大学课堂上，学生往往依赖教师，缺乏个性化自主学习，未做到以“学习”定“教学”，没有突出学生为主体的内涵。

（三）教学内容不够丰富、实践内容较少

我校属于典型的应用型本科院校，学生的高数基础较薄弱，尤其在复变函数章节，一成不变的教学模式很难适应学生多元化发展的需求。尽管大部分高校均开设控制工程相关实验课程，但实验课程学时数较少，大多数学生对实验教学环节不够重视，创新能力和动手能力薄弱;多数实验为基础实验，只是对课本理论的重复，实验和实际工程控制系统结合不紧密。理论知识掌握扎实的学生仍然不明白控制工程基础这门课究竟该怎样运用、怎样与实际工程相结合。因此，为了提高学生综合应用知识和动手能力，实验课程应增加实际工程实例，必须在有限的时间内使学生掌握理论知识并且运用到实际工程中、解决具体的工程问题成为教学实践改革的关键[15]。

二、基于Short-course模式强化教学实践

（一）构建Short-course模式实践实施方案

Short-course即为短期培训课程，主要针对高校少学时、内容抽象或者针对某项技能开设的短期培训课程。学生可以根据自己的爱好和特长选择实际实践项目，通过完成实践项目获得实践技能。目前悉尼科技大学、伦敦艺术大学等学校均开设Short-course课程，内容涉及多个领域。结合我校控制工程领域，Short-course可针对实际控制工程实例类别进行实践，如汽车减震器控制系统研究、冰箱温度控制系统分析、打印机打印轮控制系统设计等，使学生在教师的指导下自主学习相关知识，建立系统数学模型、对系统进行时域和频域分析以及对控制系统设计和校正等[16]。

Short-course实践模式分为学生实施部分、教师指导和效果考核评价部分。学生对选定项目进行分析、查阅资料，学习相关知识，拟定实施方案，通过答辩后建立系统数学模型、进行时域和频域分析、对控制系统设计和校正以及运用MATLAB和LABVIEW等软件工具仿真分析，撰写总结报告[17，18]。教师主要负责制定Short-course实践实例、学生分组、控制时间和进度、指导和答疑、效果考核评价等工作，实施方案如图1所示。

Short-course教学实践应用于2016级机械设计制造及其自动化专业，选拔15名学生作为项目试点，学生根据兴趣和特长完成自由组合为3队、选择项目、项目组分工等工作。学生利用课外时间完成汽车减震器控制系统研究、冰箱温度控制系统分析、打印机打印轮控制系统设计3个项目的系统数学模型建立、时域和频域分析、设计和校正控制系统及软件模拟仿真工作。教师采取全过程跟踪和指导，完成项目考核、评价、评定等级等工作。

（二）建立Short-course模式学习效果考核标准

学生学习效果考核标准和方式是评价教学效果的标尺，传统实践课程常采用撰写实验报告的形式进行考核，主要凭借实验报告的好坏评价实践课程分数和等级。Short-course教学实践的宗旨是通过实践项目的训练，掌握使用技能。Short-course教学实践的考核标准不能仅仅凭借实验报告的好坏评价实践课程分数和等级，Short-course教学实践主要培养学生自主学习、获取知识、解决实际工程问题的能力。参考文献资料、结合控制工程基础课程的特点，制定Short-course教学实践的考核标准，如表1所示，效果评价考核贯穿于项目实施的全过程，重点是过程考核。

选拔试点班15名学生、自由组合为3组，每组学生查阅文献资料、自主学习相关知识并对该项目进行可行性分析，进一步完善实施方案;项目在实验室中实施，建立控制系统数学模型、对系统进行时域和频域分析以及对控制系统设计和校正，分析项目实施过程中存在的问题，最终提出系统优化设计思路;最后开设经验总结交流报告会，使学生在实践过程中获取知识和技能。

三、Short-course模式实践教学效果剖析

（一）控制工程实例提高实验教学效果

Short-course教学实践更加完善实验教学课程，使学生以实际工程实例为学习内容，主动学习，激发学习的兴趣，学生缩短知识转化、应用周期，提前适应企业控制工程项目的实施。学生在完成项目过程中，掌握了控制工程相关理论知识，提高动手能力、激发学习的热情，逐步摆脱教师和课本的束缚，充分发挥自己的主观能动性。运用MATLAB和LABVIEW等软件工具仿真分析、验证结果，更加提高学生学习的积极性。由学生撰写的总结报告可以看出，Short-course教学实践过程中，存在问题较多，有的问题是教学大纲上不做要求的或课本上没有的内容。因此，该教学实践模式可丰富实践教学内容、充分发挥学生的主观能动性。

（二）Short-course教学实践模式激发学生创新能力

目前国家启动“新理念、新结构、新模式、新质量、新体系”为标志的新工科研究与实践项目，旨在培养具有扎实专业理论知识、较强系统分析和决策能力及创新意识的大数据工程技术人才，以应对新一轮科技革命和产业变革的挑战，主动服务国家创新驱动发展、一带一路等重大战略实施。培养创新性人才是高校教学目标之一，Short-course教学实践设置使学生进行自主学习、完成综合性实验项目，培养掌握处理和解决大数据复杂工程问题复合型人才。由学生的总结报告可以看出，学生在完成汽车减震器控制系统研究、冰箱温度控制系统分析、打印机打印轮控制系统设计项目的过程中，发现控制系统中存在的“穩、准、快相互制约”问题，并提出自己的解决措施，提高学生自主创新的能力。

（三）优化实践教学效果考核标准

在Short-course教学实践模式应用前，课题组通过问卷调查、走访座谈方式了解学生的观点，根据学生的特长制定考核方式和考核标准。从考核标准可以看出，学生更愿意根据自己的特长选择项目种类和项目组的分工。Short-course教学实践主要培养学生自主学习、获取知识、解决实际工程问题的能力，效果评价考核贯穿于项目实施的全过程，还考核项目组分工及合作情况，重点是过程考核。因此，Short-course教学实践考核标准能够激发每一位学生的学习热情、开启学习动力的源泉，而且能够缩短在企业的适应期，提前熟悉企业实际工程项目实施过程，增强团队合作能力。

参考文献：

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[11]李海生，陈英华，沈利民，等.基于工程教育认证的过程装备与控制专业课程体系构建[J].山东化工，2018，47（21）：165-166+168.