新形势下“控制工程基础”课程教学改革研究

王晓丽 陈季萍 王华兵 崔伯第 彭安华

江苏海洋大学机械工程学院 江苏连云港 222005

“控制工程基础”是机械设计制造及其自动化、机械电子工程、机器人工程、过程装备与控制工程等专业非常重要的基础课程。它以高等数学、复变函数、电工学与电子技术等为先修课程，在培养方案中承上启下。通过本课程学习，学生理解并掌握控制理论的基本概念、控制系统数学模型的建模方法，重点掌握系统动态性能的分析方法和控制系统的稳定性，具备分析控制系统并能初步设计控制系统的基本能力，能够应用所学理论知识解决机械工程的一些数学模型建立的实际问题，为学习其他后续相关课程专业理论奠定基础。在知识传授与能力培养的同时，增强学生的爱国主义情怀，积极引导和培养学生树立实事求是的科学精神，培养学生严谨、精益求精的科学态度，提高学生的哲学思想，培养学生的系统科学思维。在本课程教学中，按照教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》[1]，从爱国主义、科学精神、工匠精神、社会责任、哲学思想等方面，将“控制工程基础”专业知识与思想政治教育相结合。

一、课程教学存在的问题

(1)“控制工程基础”课程理论知识较多，但教学过程中往往侧重理论知识的讲解而忽略工程应用，使学生工程应用能力较差，不能满足学生的毕业要求。

(2)由于课程内容中的公式推导和数学计算较多，对于理论的理解也较为抽象，学生普遍感觉课程较难，从心理上产生畏惧，不利于提升学习兴趣。如何充分调动学生积极性，化抽象为具体，培养学生的自主学习能力和工程实践能力已成为亟待解决的问题。

(3)目前，“控制工程基础”课内多为验证性实验，且设备陈旧，测试方法单一，与现代软件的结合能力较差，不能满足学生对控制工程的认知。

(4)现代教育理念强调协同效应，即显性教育和隐性教育相统一[2]，这就要求“控制工程基础”课程与思政元素有机结合。如何在教学过程中渗透育人元素，将课程内容与思政教育有机融合，也是急需解决的问题。

二、课程建设的具体措施

(一)线上线下混合式教学

传统教学方法以课堂面授为主，形式单一，已不能满足学生的需求。基于社会的发展和需求，大量在线学习平台涌现。对于“控制工程基础”课程，笔者选择使用超星泛雅在线教学平台，建设线上课程资源。通过在线平台自主学习，结合线下集中讲解疑难知识点和案例的混合教学模式，一方面有利于学生掌握课程的基本知识和技能，另一方面有助于提高学生的工程实践能力。在线平台有移动端和电脑端两种应用，适合老师和学生等不同角色的用户使用，它包含四个方面的功能：课程建设、课堂教学任务、教学任务统计和平台的海量网络资料。在体现老师的教学内容和教学设计的同时，实时记录和统计学生学习过程，促进老师和学生的交流和互动，有助于实现学生的自主学习[3]。

“控制工程基础”分为六个章节，分别是绪论、系统的数学模型、系统的时间响应分析、系统的频率特性分析、系统的稳定性和系统的性能指标与校正。“控制工程基础”教学班级共两个，89名学生，总学时为40学时，学分为2.5分，8周内完成。在超星泛雅“控制工程基础”课程门户，包含了课程信息、教师团队、课程章节和教学资源等信息。

图1 课程作业统计

采用混合教学模式，教师可充分与学生互动，如通过手势或二维码等形式发起签到，统计出勤率。从试题库中挑选试题在线布置作业，让学生练习，作业完成后对照参考答案订正，以加深知识点的巩固，如图1课程作业统计，设置生生互评，每人互评两份试卷，互评双方均匿名，通过同学间互评作业可以取长补短。期中考试或期末考试可以从题库中自动生成试卷进行考试，教师可以设置它们在总成绩中的比重，既方便又智能。整个过程能对学生的学习行为进行数据统计和分析，通过学情统计，教师方便掌握学生的学习情况，促进教学的改进和优化。

(二)案例贯穿式引导

在对数控直线运动工作台位置控制系统案例进行分析时，建立该系统的数学模型是关键，包含伺服电动机、减速器、滚珠、丝杠和工作台等部件组合起来的机电系统的数学模型[4]。画出传递函数方框图，根据方框图等效变换原则，求出系统的传递函数。在学完第三章系统的时间响应分析后，根据系统稳定性响应快速性和响应准确性等方面的要求设计控制器，研究放大器的放大系数对系统的上升时间、峰值时间和调整时间等性能变化的影响，了解二阶系统的性能指标之间存在一定的矛盾性。在讲第四章系统频率特性时，仍然针对数控直线运动工作台位置控制系统案例分析系统的频率特性，利用MATLAB软件，画出系统的伯德图。在MATLAB中，应用root函数，可以直接求系统所有的特征根，从而判定系统是否稳定，如果不稳定，求出系统包含不稳定特征根的个数。要判定一个系统的相对稳定性，可以利用MATLAB提供的margin函数求出数控直线运动工作台位置控制系统的幅值裕度、相位裕度、幅值穿越频率和相位频率，从而判定系统的相对稳定性。对于求得的系统虽然稳定，但是相位裕度较小的问题，在学完第六章内容之后，对系统采用相位超前校正或PD较正，增强系统的相对稳定性。数控直线运动工作台位置控制系统案例教学案例如图2所示。

图2 数控直线运动工作台位置控制系统案例教学

利用一个案例，将课本所有知识点串接，使学生们对控制系统有一个整体的理解和把握，更进一步地了解控制系统的稳定性、快速性和准确性。

(三)软件广泛应用

计算机仿真在控制系统建模分析和校正方面应用已经非常普遍，MATLAB/Simulink软件、NI LabVIEW软件等应用都非常广泛。由于课程学时较少，软件部分只能由学生课外自学。为了更好地引导学生，可以以作业形式让学生完成一些编程案例，让学生对软件尽快熟悉和掌握。如在讲完第二章数学模型之后，利用超星泛雅在线平台布置MATLAB模型题作业，限期完成，以加快学生对MATLAB编程语言的掌握。另外，在知识点学习逐步深入的过程中，在案例的建模、分析和校正过程中，全程使用软件画图和计算，增强学生利用现代工具分析的能力。

(四)课程思政有机融入

随着课程思政工作的不断开展，通过教学探索和研讨，对课程内容梳理，深挖典型思政元素案例，并通过良好的教学设计，从内心调动学生学习的积极性和主观能动性，使学生在获得专业知识的同时，培养出敢于面对困难、有担当、有毅力的品格。通过融入课程思政元素，对课程进行教学改革，不断提升课程的广度、深度和温度，做到课程优化，使课程思政润物细无声，达到良好的育人效果。下表是“控制工程基础”思政元素融入点。

“控制工程基础”思政元素融入点表

三、考评与反馈

图3为两个学期课程考核成绩分布比较，从课程考核成绩分布情况来看，与去年比较，不及格人数显著减少，及格率显著提升，说明案例教学、软件应用、混合式教学等方式加深了学生对知识点的掌握，学生在拉氏变换和拉氏反变换知识点正确率有所提升，系统的频率特性方面也有较大进步。但对方框图简化掌握得不够扎实，Bode图绘制方面还有待提高。今后在教学过程中要多讲例题，加大练习，使学生进一步了解和掌握。学生反馈较好，评教结果也大大好于去年，后续还需继续努力。

图3 两个学期课程考核成绩分布比较

结语

本文深刻剖析了“控制工程基础”课程存在的问题，针对问题提出了课程建设的具体措施，包括使用超星泛雅在线平台进行线上线下混合式教学，利用典型的数控直线运动工作台位置控制系统案例，串联课本所有知识点。利用MATLAB工具，逐步深入对案例建模、分析和校正，在掌握知识的基础上，增强学生利用现代工具分析的能力。同时，深刻挖掘课程思政元素，注重教学过程中课程思政元素的有机融入，达到学生能够用所学理论知识解决机械工程一些基本实际问题的目的。