“控制工程基础”课程教学模式与方法的改革研究

2020-04-23王万雷杨静萍周世宽高天一龙飞飞张江燕

科学咨询 2020年15期

赵月王万雷杨静萍周世宽高天一龙飞飞邵强张江燕

（大连民族大学机械系辽宁大连 116600）

“控制工程基础”课程是机械类本科专业的基础课之一，是控制理论在机械工程领域中运用的一门工程学科，以机电系统为主要研究对象，主要讲解了经典控制理论的相关问题，对培养学生理论思维和处理工程问题的能力具有重要作用[1]。该课程在教学过程中存在理论性强、内容多、概念抽象、涉及知识面广、学时分配少等情况。在授课过程中，教师主要采用了传统的教学模式，重视对基本原理和方法进行讲授，缺少分析与工程应用。学生在学习过程中都是被动地接收知识点。这就导致学生学习的主动性和学习兴趣都不高，学习效果也难以保证。因此，对本课程的教学模式与方法进行改革，从而提升学生的课堂学习效率、增强学生对该课程的学习主动性和兴趣，是非常有必要的。

为了提高学生学习的主动性和学习兴趣，保证学生的课堂学习效率和效果，将学生培养成全面型人才，本文针对“控制工程基础”课程的教学模式和方法进行了研究，将翻转课堂教学模式和仿真技术有机结合起来，改变了授课方式，以便能加深学生对课程内容的理解。

一、基于翻转课堂的“控制工程基础”教学模式改革

翻转课程(The Flipped Classroom)，也称“颠倒课堂”，最初是由美国的创始者Jonathan Bergmann 和Aaron Sams提出[2]的，是指重新调整课堂内外的时间，将学习的决定权从教师转移给学生。在这种教学模式下，学生上课之前可以根据教师发布的资源完成知识获取的过程。对于课堂内的宝贵时间，学生能够通过讨论、教师讲解等形式获得对知识更深层次的理解。教师不再占用课堂的时间来讲授信息，也就能有更多的时间与每个学生交流。翻转课堂的目标是为了让学生通过实践获得更真实、更主动的学习。

（一）课前环节

“控制工程基础”课程涉及到控制系统的数学模型、时间响应分析、频率特性分析、稳定性和系统校正等相关知识。授课教师要根据教学内容进行教学设计，在课前抽取和总结比较重要的知识点，并制作成短视频，大约在10～15min左右，以确保学生能够集中精力完成对知识点的学习。在课堂学习前，教师将视频及其它辅助学习资料发布到学生群中，要求学生在课前必须进行观看和学习。

（二）课堂环节

学生借助教师在课前发布的短视频和学习资料已经学习了主要知识点。课堂环节中主要进行学生提出疑问、学生小组讨论、教师讲解、师生互动等环节。

在课堂开始后，教师可先让学生提出自己在课前通过学习仍然无法明白的疑问。之后，教师通过总结，将学生的问题进行梳理。然后，学生小组针对这些问题进行讨论，尝试通过学生间的合作来解答疑问。接着，教师再对教学内容的重点做系统讲解，并结合视频进行详细的分析。针对学生提出的疑问，教师要答疑解惑，争取使学生能理解透彻。在课堂上，教师要充分利用师生互动环节，在小组讨论、教师讲解等环节中积极调动学生的学习热情，提升其参与度。

（三）课后环节

在课程结束后，教师应根据本节课的教学效果进行教学反思，总结课前和课堂上出现的问题及应对措施。学生要按照要求完成作业任务。这样才能对教学内容做进一步的巩固和理解。教师要根据学生上交的作业进行评判，并对学生的学习情况进行追踪，以便进一步改进教学。

二、基于MATLAB/Simulink仿真技术的教学方法改革

MATLAB是一种通用科技计算、图形交互系统和程序语言，主要包括MATLAB/Simulink两大部分，涉及多个领域[3]。MATLAB可以解决控制系统中复杂的数学运算与处理。控制理论中涉及的系统数学模型、模型之间的转换、控制系统的分析与校正等教学内容都可在MATLAB中实现[4]。

由于“控制工程基础”课程概念较多、数学基础较强、内容抽象，教师只做理论讲解是很难达到预期效果的，对涉及到的较复杂的数学计算也难以更好的演示。学生的学习难度较大。因此，本文将MATLAB/Simulink仿真技术与课程内容结合起来，在教学过程中利用MATLAB解决学生学习过程中出现的复杂计算问题，并可通过仿真直观地看到运算结果或系统运行结果图，利用Simulink图形化仿真环境构建系统结构框图，对系统进行数学模型、动态性能分析、校正等研究。

例如，绘制系统的Nyquist曲线，已知系统传递函数为式(1)。

教师若采用传统教学方法，计算过程复杂，对数学基础差的学生来讲会比较困难。针对部分教学内容，教师要要求学生理解Nyquist图绘制的一般步骤，掌握低阶系统Nyquist图的绘制方法。对高阶系统的Nyquist图，教师可直接利用MATLAB软件来解决。MATLAB运行过程及Nyquist图分别如图1、2所示。