应用型本科“控制工程基础”课程教学改革与实践

摘 要 传统教学方法存在以下的缺陷：理论与工程实际应用结合不紧密，无法更好地培养学生的实践动手能力，未能体现桂林信息科技学院培养高素质应用型人才的办学目标与宗旨。为了解决以上问题，培养学生自主学习、解决问题，以及终身学习的能力，文章首先诠释了应用型人才培养的目标，介绍了“控制工程基础”课程教学现状，然后提出课程教学改革与实践的路径与主要举措：优化网络资源建设、改进教学方法、跨学科深度融合教学等，最后总结了实施教学改革后，学生学习的变化以及教师需要继续改进的方面。

关键词 应用型本科；控制工程；教学改革；教学设计

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.21.043

Teaching Reform and Practice of the "Fundamentals of Control Engineering" Course in Applied Undergraduate Education

Abstract The traditional teaching methods have the following shortcomings： the combination of theory and practical engineering application is not closely integrated， which cannot better cultivate students' practical and hands-on abilities， and fails to reflect the educational goals and objectives of Guilin University of Information Science and Technology in cultivating high-quality applied talents. In order to address the above issues and cultivate students' abilities for self-directed learning， problem-solving， and lifelong learning， the article first explains the goals of cultivating applied talents， introduces the current teaching status of the "Fundamentals of Control Engineering" course， and then proposes the path and main measures for curriculum teaching reform and practice： optimizing network resource construction， improving teaching methods， interdisciplinary deep integration teaching， etc. Finally， it summarizes the changes in students' learning after implementing teaching reform and the areas that teachers need to continue to improve.

Keywords applied undergraduate program; control engineering; teaching reform; instructional design

2014年3月，中国教育部改革方向已明确，全国1200所普通本科高等院校，将有600所逐步向应用技术型大学转变。这为桂林信息科技学院开展教学改革与实践指明了方向[1]。桂林信息科技学院办学定位为“知原理，懂技术，善操作，会应用”的应用技术型本科院校。应用技术型本科（以下简称应用型本科）区别于学术型本科，更强调动手能力与创新能力，其课程设计注重学生自学、创新与创业能力培养，目的是培养本科生的实践能力和创新精神，提高学生的就业竞争力[2]。学院需要从课程体系构建入手，强化教学改革与实践工作，例如，优化课程网络资源建设、教学模式更多样化、与不同课程深度融合教学，坚持以学生为本的理念，构建更加完善的课程体系，为学生就业和地方行业发展奠定良好的基础[3]。

1 “控制工程基础”课程教学现状

“控制工程基础”为机电工程学院部分专业，如，电气工程及其自动化、智能制造、新能源等专业学生的专业基础课，受众面广。目前该课程的理论课时为40课时，主要讲解经典控制理论的动态数学模型，例如RLC二阶振荡环节、RC一阶惯性环节、微分环节、时域瞬态响应分析，分析延迟时间、上升时间、峰值时间，控制系统的频率特性等。学院使用的教材为2022年清华大学出版的《控制工程基础（第5版）》，其第8章为根轨迹法，为了适应学校的教学定位，团队教师重新梳理了教学内容和授课顺序。首先从定性上描述自动控制的基本概念，了解什么是控制系统的稳定性、准确性以及快速性。其次定量分析，建立控制系统数学模型。然后具体到分析方法，比如时域分析、频率分析，将原本的第8章根轨迹放到线性系统分析方法中，最后是校正环节。学术型本科“控制工程基础”课程教学，重点强调数学能力的应用，即建立数学模型，对数学模型进行求解[4]。应用型本科，该门课主要培养学生分析工程实例，利用理论知识分析解决工程实际问题的能力。该课程理论性强，对高等数学、线性代数、电路等知识要求高，同时还需一定的Matlab编程以及Simulink仿真能力。若采用传统的教学模式，教师缺乏与学生的课外交流沟通，忽略学生的学习体验，学生学习动力欠缺，教师教学重理论，缺少工程应用，一定程度上与学生的就业方向相偏离。

2 课程教学改革与实践路径

“控制工程基础”在坚持立德树人的基础上，以OBE教学理念为导向，培养机电工程应用型人才，使学生达到知识、能力和素质三个目标。知识上，掌握时域分析、频率域分析、控制系统的综合和校正等。真正会运用控制思想对机电产品进行控制系统设计中的软、硬件设计、例如与单片机结合，对恒温箱进行温度控制，与PLC中结合，对AI人工智能等前沿科技进阶探索。能力上，分别是综合分析与实践应用能力。在综合分析能力上具备独立分析自动化控制项目的可行性方案论证、具体实现方法的综合分析设计能力。在实践应用能力上具备机械结构、软件调试、自动化控制等工业系统化项目的具体实施能力，面向企业，达到工程应用型人才标准。素质上，通过教学改革与实践，形成自主学习、探究学习与终身学习的专业能力。课程改革与实践包含以下几个方面。

2.1 重新梳理课程内容，优化课程网络资源建设

根据电气专业课程教学大纲的要求，课程的最终任务目标是培养具有探究能力、设计能力、动手实践能力、创新思维的复合型、应用型人才。为此，教师团队首先以OBE为导向，结合理论，融入仿真、动画，打造了线上丰富的教学资源。含原创课件、微课、动画等，同时分享网络优秀资源，扩大学生课外阅读认知，激发学生学习动力，培养专业兴趣。通过线上抛出的具体项目案例为驱动，引导学生课外自学探究，加强课外实践能力的养成。线下教学则引入现代仿真教学软件，根据本课程重难点，结合学科前沿动态设计创新课题，学生分组讨论方案，并在课堂通过现场搭建电路、设计程序、设置故障、验证方案正确性等方式，打造工程设计情境，教师全程管控指导，使学生能够积极参与其中，实现师生互动、生生互动的良好氛围。基于OBE理念的线上案例名称为自适应定速巡航系统设计，涉及的课程有“控制工程基础”“C语言程序设计”“单片机原理与接口技术”，具体章节内容分别为：“控制工程基础”第7章系统的误差分析和校正，“C语言程序设计”第4章和第5章赋值、循环、判断等语句，“单片机原理与接口技术”第6章定时器中断、PWM、时间计时。在线上仿真过程中可清楚看到定速过程中有误差，尽可能使误差趋于无穷小，培养学生精益求精的工程素养。学生在线下练习仪表风扇的稳速控制，教师在第三课堂指导学生制作该系统实物。

2.2 改进教学方法和手段，采用多元化的教学模式，做好每一节课的教学设计

传统教师上完课就离开课堂，课余时间教师无法及时辅导答疑，授课以书本理论知识为主，缺乏理论与工程应用实际相结合，教师未能设身处地地与学生换位思考，使师生之间的沟通渐行渐远。课题组精选教学方法，目前团队教师多采用项目案例式教学以便理论联系实际；探究式教学以便启发学生思维；对比式教学以便学生前后融会贯通；线上线下混合式教学以便紧密师生联系。教学设计应该以学生为中心，围绕着学生的需求、兴趣和能力展开。图1为控制工程基础课程教学设计总体思路，首先，前课回顾，课堂前3到8分钟，教师回顾上节课重难点知识，为后续讲解奠定坚实基础，其次，以实际的工程问题的结果为导向，提出本节课的问题，激发同学们的兴趣，最后，实际解决工程问题，在解决工程问题同时做到新知识的巩固、总结。

为提高学生课堂参与度，围绕教学设计展开教学过程。教学过程遵循以下原则。课堂整体分为课前、课中、课后。课前，以解决问题即OBE理念为逻辑主线，对课堂进行整体设计；针对重点知识设计线上练习环节以及课堂检测环节，需要当堂检查学生的学习效果，计入平时成绩，辅助提高到课率。课中，须重视随堂练习环节，该环节既能帮助学生以最佳的心态进入新的学习情境，又有利于学生“温故而知新”，系统地理解知识，掌握新知识，实现举一反三；线上测验环节，充分利用教室的硬件与网络资源条件，通过学练结合，让学生对课堂讲授知识及时巩固输出；随时观察学生学习状态，发现有理解困难或是课堂出“小差”情况，即兴设计互动环节，例如通过随机点名回答问题或是网络弹幕答题方式来提高学生的注意力。课后，围绕大学生的学科比赛，例如大学生工程训练大赛，数学建模大赛，电子设计大赛等，来设计工程应用创新示例，如何在有限的40课时内将学科比赛以及工程应用纳入教学设计？课程组在选修课课程活动实施方案中找到了解决方法。课程组教师同时承担了学院选修课，32课时“Matlab程序设计与应用”课程弥补了理论课上实践性少的不足，在教学设计上，利用选修课，教师在第二课堂、第三课堂指导学生实践和比赛，达到以赛促学，赛教融合，培养更多具有工程思维的应用型人才。

2.3 与不同学科课程深度融合教学

专业课程之间知识点有交叉和重复是一个普遍存在的问题，这不仅限于某一学科或专业，而是在多个学科和专业中都有所体现。而传统的“孤立式”教学方式，教师只顾“单打独斗”，未注重课程之间知识的联系，不利于学生对知识体系的系统性把握[5]。

自动控制三要素中，快速性和准确性是工业机器人控制中的核心问题。以单轴机器人的位置控制为例，来进行详细的教学融合与设计。首先教师布置预习任务，学生自主查阅机器人运动轨迹方面的基本知识，预先规划好机器人的行走路线。其次，根据“控制工程基础”第2章数学模型的建立，建立机器人数学模型，推倒其传递函数表达式。包含直流电机、减速器以及机器人的单杆，利用Simulink建立仿真模型。最后，根据“控制工程基础”第6章内容综合与校正，设计PID控制器。详细介绍PID控制原理、特性以及优缺点，利用仿真效果来进行直观的综合评价，此过程体现了控制系统三大特性，即稳定、准确、快速。通过数字融合与实践，让学生在了解机器人的同时，掌握控制工程相应的知识点，从而促进学生对专业知识的系统性理解。

2.4 课程成绩评定强调过程控制

控制工程基础课程实施教学改革后，强化了过程控制，成绩的评定采用考核和过程控制相结合，增加了对学生线上学习过程管理和评定比例，平时成绩比例比改革前有所提高，由原本的30%，提高到50%。线上教学强调了作业环节、在线学习时长，以及讨论环节等。对于参与线上讨论学习和线上教学评价的学生，将根据其参与程度和贡献给予相应的评分。考核方式逐步从传统的笔试转向结合仿真软件进行的机试和笔试，并简化烦琐的计算环节。对于概念、名词的理解，学生通过线上题库完成考核，系统自动给出客观题目的评分。在课程评价的标准上，定向追踪到大四学生的毕设作品中，注重学习的最终效果。

3 教学改革总结

通过线上线下混合式教学、项目式教学以及学与练结合等创新教学方式，并引入学科比赛，“控制工程基础”课程取得了较好的教学效果，教学质量得到进一步提高。理论学习上，学生对基本知识点的掌握有了很大的进步，从线上单元的作业情况来看，平均良好率为38%，比教学改革前，提高了13个百分点，对于一些难点内容，例如，控制系统的综合与校正、系统奈奎斯特稳定性判断的掌握都有了不同程度的提高。实践方面，学生通过使用Matlab，简化了烦琐的数学计算，能自主绘制系统的极坐标图，并通过图形判断系统的稳定性和可靠性。从学习时长上看，根据线上线下学习时间统计，课程改革前，学生平均学习时长为19个小时，课程改革后，学生平均时长增加了4.7个小时。学生实现了从被动学习到自主学习的转变。但在教学实施过程中也存在一些问题，如，工业自动化中的工程实例涉及的知识面广，不适合目前学生的知识水平；教师在讲解时引入的工程实例，无法引导学生独立思考，这些问题需要在之后的课堂教学中通过不断改革与实践加以解决。

参考文献

[1] 邱媛媛，贺少鹏，凤超，等.基于OBE理念应用型本科院校“控制工程理论”课程的教学改革[J].南方农机，2023，54（21）：184-187.

[2] 陈晶.应用型本科“控制工程基础”课程的教学改革与实践探究[J].科学咨询（教育科研），2023（9）：111-113.

[3] 黄国富，王棉棉，胡鹏，等.地方应用型本科院校水污染控制工程课程教学改革探讨——以潍坊科技学院为例[J].广东化工，2021，48（13）：297-298.

[4] 齐铭，王琛，王栓强，等.应用型本科院校材料工程基础教学改革探讨——以西安航空学院为例[J].教育教学论坛，2020（35）：153-155.

[5] 王瑞芳，张姣.“自动控制原理”课程多元混合式教学模式探索与实践[J].装备制造技术，2023（9）：114-118.