新工科背景下机电控制理论课程教学改革研究

杨依领

（宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211）

针对新式工程教育如何将实践能力和创新思维贯彻到高校学生培养中，适应国家发展战略，形成人才培养的新模式，同时考虑工业4.0 的到来，众多学者提出新工科概念[1-2]。同时，早在2017 年，就关于高等教育如何继续发展问题，国家也举行了战略研讨会，提出进一步推进“新工科”的发展，并成为我国高等教育重要改革措施[3-4]。

机电控制理论课程跨越了控制技术和机械工程学科，其作用越来越重要，控制理论所涉及的基本原理和方法成为了学生们分析和解决实际机电工程问题的有效手段，是新工科领域改革的主要专业之一[5-6]。另外，由于机械专业具有面向实践与应用的自身学科特点，充足的实践训练是必须的，提升学生在机电系统控制分析与综合方面的实践能力，是机械专业最核心的课程建设内容[7]。同时，也符合国家推进新工科发展与加强实践的教育方针导向。

一 机电控制理论课程教学现状

课程理论与实践是一个有机整体，课程教学需要做到精细化，同时要突出重点。构建核心知识，注重应用型人才培养，与工程伦理、思政等有机结合，不断优化课程教学。

从目前高校机电控制理论教学培养模式来看，机电控制理论的课程教学还存在一些不足之处，如理论知识抽象难懂且实践不足、学生与工程实际脱节等[8-9]。虽然国内外高校都具有实验教学的环节，可无法保证实验设备和场地的充足，有时难以达到一人一机或者一组一机的实验条件。同时，机电控制系统的建模、特性分析与综合校正各环节之间是相互关联在一起的，学生往往通过离散的实验设计难以体验到机电控制理论实践的全貌，也无法培养学生们面向实际机电控制系统的综合工程思维。因此，需要构建全流程贯穿式控制系统实践环节，并搭建仿真软件平台，故而需要探索机电控制理论课程的教学改革[10]。

二 课程目标的制定

关于相关专业的基础课程目标设定，要与相应课程学科特色、课程具体人数及培养要求进行结合[10]。机电控制理论涉及机械专业多门必修课程，例如控制工程基础、机电传动与控制等，特点是具有较强的理论性、较大的内容量、知识点多而广，故学生们学习起来具有一定的难度[11-12]。其在内容上以机电自动控制系统为对象，将建立系统数学模型、时频域特性的分析、稳定性分析及系统综合校正等为重点，培养学生对机电控制模型分析综合能力、提升学生对于机电系统的设计能力、提高学生工程应用能力和创新能力。首先需要明确课程目标与毕业要求关系，然后根据图1 中的具体要求，以相关内容为导向，确定了机电控制理论课程目标，由图2 可知其中目标1、2、3、4 和5 分别在课程达成度中占据0.05、0.25、0.25、0.3 和0.15 权重。

图1 课程目标与毕业要求关系

图2 课程目标

三 优化理论教学

机电控制理论包含知识面多而广、理论性强、内容量较大等，课程内容需严格细心选择，同时在教学中要注重创新设计能力和工程应用培养。因此，需要将教材中的重点与难点剖析出来，课程重点内容主要涉及控制系统数学建模、时频域特性分析以及反馈校正等方面。需要对理论教学内容进行不断的优化，并围绕理论教学为主线，设计实践环节内容覆盖教学重点，从而确立理论教学安排，见表1。

表1 理论教学安排

四 实践环节的改进设计

鉴于机械专业较强的实践性，提升学生机电控制理论方面的应用能力是重要建设内容。需以学生为中心，将工程实践作为指向，建立完整的课程教学体系。所以，课程实践要与理论教学进行有机融合。关于这一重要环节，可结合MATLAB 软件详细地进行布置，见表2。

表2 实践设计

五 加强考核评价

为了更全面合理地评定学生学习效果，需要改革以往考核方法，构建以注重学习过程和各项能力的考核方法。根据百分制，对课程思政、平时作业、实践教学和期末考试进行打分，总评后按照百分比原则再换算成相应的分数。表3 给出了课程目标达成度计算依据，具体计算方法为

表3 课程达成度计算比例 %

六 实际应用案例

本课程利用课堂上的教学效果、授课后的习题作业、期终时的考试及实训大作业等形式进行多方位考核，在考查学生们的课程目标达成情况时，采用学生的思政及课堂表现、平时作业成绩、期末成绩及大作业成绩等进行综合评价。采用表4 所示的计算方式，宁波大学2021 级机械专业学生课程目标达成度分别为0.96、0.82、0.85、0.69 及0.95，如图3 所示。与2020 级学生进行比较分析可知：

表4 课程达成度计算

图3 课程目标达成度

一是2021 级课程目标1 相比上一届达成度提升了0.03，达成度为0.96。主要考查学生掌握国内外技术进展及使命感与责任心情况。课程目标1 高于期望值0.75，学生对这一指标点掌握较好。

二是关于2021 级学生们，其课程目标2 相比上一届达成度提升0.01，达成度为0.82。主要考查学生对机械控制理论的基本知识，如控制系统的数学模型、传递函数及控制系统、频域系统特性基本分析方法的掌握情况。课程目标2 略高于期望值0.75，学生对基础知识的掌握较好。

三是2021 级课程目标3 与上一届比较，达成度提升0.07，达成度为0.85。主要考查学生对实际控制工程问题的学科领域界定能力。与期望值0.75 相比，达成度较好，学生对这一指标的掌握扎实。

四是关于2021 级学生们，其课程目标4 达成度为0.69，主要考查学生们利用基本的机械控制理论及方法完成复杂控制系统的稳定性、准确性及快速性，并设计相应的反馈方法进行校正的能力，对控制理论知识的灵活应用能力提出了一定要求。课程目标4 达成度低于期望值，学生在这项课程目标达成中偏低，学生对机电控制系统知识的应用能力亟待改善，后续应有针对性地加强学生们对机电一体化系统具体的分析、设计能力。

五是2021 级课程目标5 达成度为0.95，是较高的达成度，相比上一届提高了0.05。课程目标5 主要考察学生们利用所学知识解决现实生活中出现的相关机械问题的能力。符合新工科要求下的应用型人才培养，学生们普遍达成度高，说明学生理论与实践结合程度较好，后续针对课程目标5 将进一步完善，培养出更多符合行业需求的新工科人才。

针对上面对于课程目标达成度情况的分析，下一届改进措施如下。

一是本学期课程目标1 中增加了相关思政融合的课堂讨论，学生在讨论中表现出了强烈的使命感与责任心，接下来的课程中将继续保持。

二是从上述图表分析中得知，课程目标4 达成度较低，学生可以分析、设计机电控制系统，并解决工程应用中简单的问题，但对机电控制系统实践能力较差。在以后的教学中，课程训练量要适当加强，将学生融合理论与实践的能力进一步提高。

三是新工科背景下，在原有课程安排的基础上，今后教学中将对课程进度安排进行调整，提高学生们利用控制工程基本知识的能力。另外，在实训方面，实训大作业结合电路分析实验。通过课堂上的理论知识学习、工程实践训练及实验验证相结合的方法，提高学生们对所学理论灵活运用的能力，同时进一步巩固学生们对理论知识的理解。

四是针对同学们对基本知识点的实际应用能力，课程中采用大作业的形式进行考查，调动起学生们学习的兴趣，由被动接受教育改变到从大作业中主动学习所需知识。今后教学中将继续保持，并以此不断提高学生们解决实际工程问题的能力。

七 结束语

新型工程教育要求将创新意识和能力贯彻到高校学生培养中，基于新工科建设，本文以机电控制理论课程的构建为例，从机械专业培养计划出发，进行课程目标的制定；针对机电控制理论课程的特点，进行了理论教学的优化；根据机械专业较强的实践性，对实践环节进行合理改进；然后对机电控制理论考核方式进行完善和加强。该教学改革结合新工科提高了学生的工程实际应用能力，并进一步加强了学生们自身创新意识与能力，也为以后教学改革继续完善提供参考。