新工科背景下控制工程基础课程教学改革与探索

董金波 赵汗青 李大勇

摘  要：在新工科背景下，学生工程实践能力的培养显得尤为重要，控制工程基础作为机械类专业的一门必修课程，在人才培养体系中具有十分重要的作用。本文分析了控制工程基础课程教学中存在的问题，从教材选择、教学内容和方式安排、翻转课堂教学方式、虚拟仿真实验平台建设等方面提出了教学改革措施，从而调动学生学习的积极性和主动性，提高学生分析和解决实际工程问题的能力。

关键词：新工科  控制工程基础  实践能力  教学改革

中图分类号：G642                          文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）05（c）-0207-03

Teaching Reform and Exploration of Control Engineering Foundation Course under the Background of New Engineering

DONG Jinbo  ZHAO Hanqing  LI Dayong

（ Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin， Heilongjiang Province， 150022  China ）

Abstract： Under the background of new engineering， the cultivation of students' engineering practice ability is particularly important. As a compulsory course of Mechanical specialty， Control Engineering Foundation course plays a very important role in the talent training system. This paper analyzes the problems existing in the teaching of Control Engineering Foundation course， and puts forward teaching reform measures from the aspects of textbook selection， teaching content and mode arrangement， flipped classroom teaching mode and the construction of virtual simulation experiment platform， so as to mobilize students' learning enthusiasm and initiative and improve students' ability to analyze and solve practical engineering problems.

Key Words： new engineering; Control Engineering Foundation; Practical ability; Teaching reform

“新工科”與传统工科有明显区别，随着时代的发展“新工科”的发展更具有时代感，“新工科”的专业性及实践性会更强，能够为社会带来更大的价值。在新工科背景下，企业对学生的理论联系实际及工程实践能力提出了更高的要求。控制工程基础作为机械类专业的必修课程，主要应用自动控制理论的原理和方法对工程系统进行分析和设计。随着现代科技的发展，控制技术已经与机械工程学科融为一体，并在机械及自动化领域中起着越来越重要的作用，控制工程基础所涉及的基本理论和方法已经成为学生分析和解决实际工程问题的有效手段，为学生进行后续课程的学习及从事控制相关领域的工作奠定了理论基础[1-2]。

1  控制工程基础教学中存在的主要问题

1.1 课程学时少，学生对课程认识不够

随着科技的不断进步及计算机技术的发展，控制理论的多学科交叉应用也日益增多。控制工程基础作为机械类专业的一门重要专业基础课，在整个课程设置中起到承上启下的作用，该课程以高等数学、大学物理以及电工学等学科知识为基础，同时也是后续课程测试技术、机电一体化、液压伺服控制系统等学习的理论基础，然而在该课程教学过程中，理论学时却被一再压缩，以机械电子工程专业方向为例，理论学时为40学时，根据教学大纲的要求要完成绪论、控制系统的数学模型（时域微分方程数学模型和复数域传递函数数学模型）、控制系统的时域分析、控制系统的频域分析、控制系统的稳定性分析及控制系统的校正等内容的学习。如此繁多的理论教学内容，在有限的理论学时内显得十分紧张，教师很难全面系统地对课程内容进行讲解，从而导致学生对抽象教学内容理解不够深入，不了解这门课的教学目的和实际应用，降低了学习的积极性[3]。

1.2 教学方式单一，学生缺少积极性

传统的课堂以教师讲授为主，同时随着现代教学技术的发展，课堂上PPT使用的比例越来越高，虽然节省了板书的时间，加快了教学的进度，弥补了理论学时的不足，但PPT播放内容过多，导致很多理论内容一闪而过，学生一节课下来没有充足的时间记笔记和理解所学内容，对抽象的教学内容毫无头绪，从而导致课堂气氛不够活跃，造成学生学习兴趣降低，甚至有一些听不懂的学生开始在课堂上睡觉或玩手机，大大降低了课堂的学习效果。

1.3 实验教学内容少，不利于培养创造性

实验是理论教学的重要补充，二者相辅相成，不可分割。通过实验环节可以加强学生对理论教学内容的理解，锻炼学生实际动手能力及分析解决实际工程问题的能力。目前控制工程基础的实验为6个学时，3个实验，分别是惯性环节时域特性模拟实验、二阶系统时域特性模拟实验和二阶系统频率特性模拟实验，由于实验设备不足，一般采用3人一组的方式，这会导致一部分缺乏主动性的学生没有动手机会，同时由于实验均为验证性，不利于培养学生的创造性。

由于控制工程基础课程理论内容抽象，前后章节内容逻辑性强，同时课程的理论及实验学时严重不足，导致学生对所学知识的掌握只停留在一些概念的表面上，不知如何应用，因此如何在有限的授课时间内提高学生的学习效果已经成为一个亟待解决的实际问题。

2  控制工程基础教学改革措施

2.1 选择适合本校教学实际情况的教材

教材是课程理论学习的一个重要工具，是学生课前预习及课后复习的重要参考资料，因此教材的选择就显得尤为重要。好的教材应该知识结构安排合理，难易程度适当，重点突出，详略得当[4]。由于大部分学生的高等数学基础较差，即便学过《复变函数与积分变换》，但很多学生仍然认为拉普拉斯变换内容难度很高，而后面的传递函数和时域分析部分的内容又必须用到拉普拉斯变换相关知识，因此在选择教材时应带有这部分内容，同时教材每章应该配有较多的结合工程实例方面的例题，由于MATLAB软件在控制工程基础的学习中起到很大的促进作用。在相应的章节应该有这部分内容的介绍及相关实例，便于学生理解理论知识及现代计算机仿真软件的使用，这样才能够把理论知识和实际应用联系起来，提高学生学习的积极性。

2.2 合理安排教学内容和教学方式

重视绪论内容的讲解，列举大量控制工程基础在日常生产及生活中应用的实例，通过图片及视频资料等形式，让学生了解这门课的重要性及作用，激发学生的学习热情。在其他章节讲解时要遵循由浅入深的原则，突出基础和核心内容，舍弃涉及复杂公式的相关理论的推导及证明过程，重视基本理论的应用。结合大量工程应用案例，采用启发式教学，改变传统学生被动听课的局面，让学生积极参加课堂讨论，提高学生学习的主动性。合理规划课堂上板书和PPT使用的比例，重点的理论内容通过板书推导来讲解，从而加深学生的理解，图表、涉及工程实例的视频通过PPT播放，增加其直观、生动的效果。通过恰当的教学设计， 使传统的板书教学和现代的教学手段有机结合，扬长避短，提升学生的课堂学习效果。

2.3 采用翻转课堂的教学方式

在传统教学中，教师占主导地位，学生需被动接受相关知识，但这种方式不利于培养学生的主动思考及创新思维能力，目前先进的翻转课堂教学模式更注重于学生创造思维能力的培养[5-6]。

翻转课堂教学模式的实施包含课堂和课外两部分。课堂环节包括学生小组讨论和讲解两部分。首先学生根据课前学习难点、疑点内容以PPT的形式进行任务汇报，然后进行师生互动环节，教师对学生存在的疑点进行解答和讨论，从而深化课前学习内容，加深学生对于知识点的理解，同时教师将各组成员完成的任务质量计入平时成绩中，以提高学生学习的主动性。在课堂内容讲解时教师根据学生讨论时对内容的掌握情况调整难易知识点的分配时间，结合实际工程案例，做到有的放矢。翻转课堂课外环节需要建立一个网络学习平台，包括学习资源模块、交流学习模块、知识测验模块及提升模块等几个部分。学习资源模块包括教师根据整理的知识点录制的微视频、知识点的例题、PPT课件等，便于学生课前预习及课后复习。在交流学习模块中，学生3～5人作为一个小组，学生可以在此进行课前内容讨论，同时各个小组互评，形成积极的学习氛围。教师可根据学生提出的问题进行解答，是师生互动的学习平台。知识测验模块通过一些代表性的练习题进行测验，平台自动统计答题分数，从而便于教师总结学生课前预习及课后学习效果。提升模块中学生需要主動完成一些工程案例建模，分析等，为学生以后的工程应用奠定了基础。

2.4 加强虚拟仿真实验平台建设

由于实验学时少，同时实验设备不足，不能全面覆盖学生所学习的理论内容，在这种情况下，虚拟仿真实验平台的建设就显得十分必要。可以通过MATLAB软件、LabVIEW软件及组态软件设计和开发一些基础及综合实验，满足学生对理论知识点的验证、工程案例综合设计问题的分析等。对于基本的知识点如根据零极点求解传递函数、绘制Bode图及Nyquist图等可直接由MATLAB软件中的M语言来完成，对于复杂一些的综合问题，比如二阶系统的时域分析以及结合PID校正问题，借助MATLAB中的Simulink模块进行仿真更为方便。为了增加演示的直观效果，还可将Simulink和LabVIEW或Simulink和组态软件建立联合仿真平台，学生可以从仿真平台的界面直观地看到控制系统的实时仿真动画效果，从而加深理论内容的理解，通过虚拟仪器LabVIEW、组态软件和MATLAB构成的虚拟仿真实验平台，学生可以根据仿真平台自主开发和设计综合实验，可以反复多次进行操作，弥补了实验及设备不足，节约了实验设备投入资金，通过虚拟仿真实验有利于巩固加深学生所学理论知识，同时也可以激发学生的创新思维，提高学生分析及解决实际问题的能力。

2.5 课程考核方式的多样化

基于新工科理念的人才培养目标，学生应该具有较强的工程实践能力，传统的以试卷为主的考核方式已经不能满足人才培养的要求，因此，课程的考核方式必须多样化。考核由平时成绩的30%和期末成绩的70%两部分成绩组成，平时成绩由阅读报告、课堂讨论、作业和实验组成，通过阅读报告考察学生对控制工程的前沿发展，以及在社会生产生活方面的具体应用的了解，实验在传统实验的基础上增加了虚拟仿真实验，考察学生对现代仿真软件的使用能力，在期末考试中，采用开卷的方式，减少了客观题及概念题的比例，增加了主观分析题的比例。通过考核方式的改变提高了学生学习的主动性及理论联系实际的能力，较好地实现了课程的教学目标。

3  结语

控制工程基础作为机械类学科的必修课程，对学生后续课程的学习及工程实践能力的培养具有十分重要的作用。针对该课程在教学中遇到的问题，提出了课程教学改革的一些措施，从而激发了学生的学习兴趣和主动性，提高了工程实践能力，对新工科背景下人才培养质量的提高有重要意义。

参考文献

[1] 邵强，葛平淑，张江燕，等.《控制工程基础》课程的教学改革与探索[J].高教学刊，2017（3）：116-117.

[2] 燕必希，祝连庆，郭阳宽，等.工程教育专业认证引领下的控制工程课程实验改革[J].实验技术与管理，2016，33（8）：195-198.

[3] 庞晓旭，韩建海，邱明，等.基于多样化教学的控制工程基础教学改革探讨[J].中国教育技术装备，2018 （12）：89-90.

[4] 黄文怡，刘天祥，李宝玉，等.机械控制工程基础课程的教学模式改革与研究[J].黑龙江教育：理论与实践，2016（12）：62-63.

[5] 陈立爱，雷经发，孙虹，等.新形势下《控制工程基础》教学模式改革探讨[J].教育现代化，2019（1）：40-42.

[6] 代伟，黄罡，郝秀娟，等.虚拟过程控制实验教学系统与翻转课堂设计[J].实验室研究与探索，2019，38 （2）：144-148.