應(yīng)用技術(shù)型本科高?？刂乒こ袒A(chǔ)課程教學(xué)改革研究

陳國(guó)彬 臧勇 葛海浪 楊會(huì)

【摘 要】根據(jù)應(yīng)用技術(shù)型本科院校機(jī)電工程專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，我們針對(duì)控制工程基礎(chǔ)課程進(jìn)行了教學(xué)模式及方法改革的探索研究。在詳細(xì)分析該課程教學(xué)現(xiàn)狀與存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了一系列改革措施，包括調(diào)整學(xué)時(shí)分配、改變課堂管理模式、增加數(shù)字仿真以及引入綜合性實(shí)例項(xiàng)目。這些措施完善了機(jī)電專(zhuān)業(yè)中應(yīng)用技術(shù)型本科高校的教育方法和教學(xué)模式，能夠培養(yǎng)出具有扎實(shí)專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)、綜合工程系統(tǒng)能力和良好團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的當(dāng)代應(yīng)用型人才。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)用技術(shù)型；機(jī)電工程；微助教；Matlab仿真；實(shí)踐項(xiàng)目

中圖分類(lèi)號(hào)： G712；TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）24-0071-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.034

【Abstract】According to the training objective of electromechanical engineering in technology- applied undergraduate universities， we have carried out an exploration and research on the reform of teaching mode and method in the course of control engineering fundamental. On the basis of detailed analysis of the teaching status and existing problems， a series of reform measures are proposed， including adjusting the allocation of class hours， changing the classroom management mode， adding digital simulation and introducing comprehensive example projects. These measures have improved the education method and teaching mode of technology-applied undergraduate universities in electromechanical specialty， and can cultivate modern applied talents with solid professional technical foundation， the ability of comprehensive system design and teamwork.

【Key words】Applied Technology；Electrical and Mechanical Engineering；Micro Teachermate；Matlab Simulation； Practical projects

0 引言

應(yīng)用技術(shù)型本科教育是新時(shí)代高等教育結(jié)構(gòu)調(diào)整階段中的一種新型的教育類(lèi)型，以本科教育為主，面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)，以學(xué)科為依托，以應(yīng)用技術(shù)型專(zhuān)業(yè)教育為基礎(chǔ)，以社會(huì)人才需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)高層次應(yīng)用技術(shù)型人才[1-2]。相比于傳統(tǒng)的本科教育，應(yīng)用技術(shù)型本科教育更加注重學(xué)生實(shí)踐能力及知識(shí)應(yīng)用方面的培養(yǎng)。因此，應(yīng)用技術(shù)型本科教育也應(yīng)該在傳統(tǒng)本科教育的教學(xué)模式與教學(xué)方法的基礎(chǔ)上針對(duì)其自身特有的教育培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行不斷的進(jìn)行改革創(chuàng)新，從而不斷完善應(yīng)用技術(shù)型本科教育的教育方法和教學(xué)模式。

控制工程基礎(chǔ)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（機(jī)電一體化）專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。另外，在機(jī)械類(lèi)各專(zhuān)業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中，也是一門(mén)理論性較強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課。它是進(jìn)行控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)，在整個(gè)專(zhuān)業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)框架中起著承前啟后的作用，它緊密聯(lián)系和應(yīng)用先行課程的知識(shí)，并為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下理論基礎(chǔ)[3-4]。控制工程基礎(chǔ)課程所研究的問(wèn)題帶有普遍性，對(duì)工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義，有利于幫助學(xué)生樹(shù)立“系統(tǒng)”的概念，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程、從事工程技術(shù)工作、進(jìn)行科學(xué)研究、開(kāi)拓新的領(lǐng)域，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

控制工程基礎(chǔ)課程的主要具有理論抽象、知識(shí)面廣以及工程實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)[5]，同時(shí)在應(yīng)用技術(shù)型本科高校中，應(yīng)用傳統(tǒng)本科高校的教學(xué)方法和教學(xué)模式無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求。因此，針對(duì)該問(wèn)題本文首先對(duì)當(dāng)前控制工程基礎(chǔ)課程在應(yīng)用技術(shù)型本科高校“宿遷學(xué)院”中的教學(xué)現(xiàn)狀以及教學(xué)問(wèn)題進(jìn)行分析；其次，針對(duì)這些問(wèn)題提出教學(xué)改革思路及具體實(shí)施措施，為提高教學(xué)質(zhì)量、提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力、科研能力以及就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力提供一定的參考。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

控制工程基礎(chǔ)是以物理學(xué)為理論基礎(chǔ)、以高等數(shù)學(xué)為分析手段、以自動(dòng)控制應(yīng)用為實(shí)踐目標(biāo)的一門(mén)具有實(shí)踐性、綜合性以及學(xué)科交叉性的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。該課程的主要教學(xué)任務(wù)是通過(guò)各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，運(yùn)用各種教學(xué)手段和方法，使學(xué)生掌握系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型的建立和研究方法，并學(xué)會(huì)應(yīng)用這些研究方法對(duì)已知系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性問(wèn)題進(jìn)行分析，以及進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。當(dāng)前，該課程仍在應(yīng)用傳統(tǒng)的教學(xué)模式和方法，因此在教學(xué)過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題。

1.1 學(xué)生基礎(chǔ)薄弱

控制工程基礎(chǔ)課程是在本科三年級(jí)時(shí)開(kāi)始的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，它的要求學(xué)生對(duì)前兩年所學(xué)的包括高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、大學(xué)物理以及電子技術(shù)在內(nèi)的幾門(mén)課程具有扎實(shí)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，從而能夠綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)來(lái)分析和解決實(shí)際工業(yè)控制問(wèn)題。但由于上述這些課程本身具有較大的學(xué)習(xí)難度，另外控制工程基礎(chǔ)課程與這些課程學(xué)習(xí)的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，因此又更加提高的本門(mén)課程的學(xué)習(xí)難度。

1.2 學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高

針對(duì)應(yīng)用型本科教育要求，本課程當(dāng)前學(xué)時(shí)為48學(xué)時(shí)，其中包括40學(xué)時(shí)的理論課以及8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課。由于本門(mén)課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，其理論學(xué)時(shí)中主要以物理建模、數(shù)學(xué)分析、公式推導(dǎo)以及定理證明等內(nèi)容為主，因此利用單純的講解方式勢(shì)必會(huì)令學(xué)生感覺(jué)枯燥乏味，難以對(duì)該門(mén)課程提起學(xué)習(xí)興趣，從而降低學(xué)習(xí)效果。

1.3 課程教學(xué)和考核模式單一

當(dāng)前該課程的教學(xué)模式主要包括課堂教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)，而考核成績(jī)主要由閉卷筆試成績(jī)以及學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)成績(jī)構(gòu)成。在這樣的教考模式中，學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)只有通過(guò)短短的8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，很難提高學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)踐創(chuàng)新能力以及對(duì)系統(tǒng)的整體分析能力。另外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只針對(duì)理論學(xué)習(xí)中單一的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，缺少綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性和研究性題目進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)。因此，該教考模式下培養(yǎng)出的學(xué)生無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用技術(shù)型本科教育的培養(yǎng)需求。

2 課程教學(xué)改革思路及具體實(shí)施措施

針對(duì)我校當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)控制工程基礎(chǔ)課程的教學(xué)現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題，并結(jié)合應(yīng)用型本科高校的教學(xué)實(shí)踐要求，我們主要以下四個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革。

2.1 調(diào)整學(xué)時(shí)分配

當(dāng)前控制工程基礎(chǔ)的課堂教學(xué)內(nèi)容主要有五部分共有40學(xué)時(shí)，對(duì)于這些內(nèi)容的課時(shí)分配為：控制系統(tǒng)的基本概念2學(xué)時(shí)，數(shù)學(xué)模型10學(xué)時(shí)，時(shí)域分析法10學(xué)時(shí)，頻率響應(yīng)法14學(xué)時(shí)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及校正4學(xué)時(shí)。為了讓學(xué)生能夠更加容易地理解本課程的知識(shí)內(nèi)容，我們?cè)黾恿?學(xué)時(shí)的知識(shí)回顧課程，重點(diǎn)針對(duì)本門(mén)課涉及到的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行二次講授，包括微積分原理、拉普拉斯變換、力學(xué)基本原理以及電子電路知識(shí)等。另外，為了讓學(xué)生加深對(duì)課程整體的認(rèn)識(shí)同時(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐能力，我們將理論課時(shí)壓縮至32個(gè)，將剩下的理論課時(shí)與實(shí)驗(yàn)課時(shí)一起用于完成一項(xiàng)應(yīng)用實(shí)例項(xiàng)目的設(shè)計(jì)分析。

2.2 改變課堂管理模式

傳統(tǒng)的課堂管理需要教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行考勤提問(wèn)，該工作會(huì)令本來(lái)已經(jīng)壓縮的課堂教學(xué)時(shí)間更加緊張。因此，為了提高課堂管理效率，我們引入一款課堂互動(dòng)輕應(yīng)用工具“微助教”進(jìn)行輔助管理。在上課之前，教師通過(guò)微助教網(wǎng)站創(chuàng)建云端智慧課堂，該課堂支持考勤管理、題庫(kù)管理、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)、作業(yè)批閱、學(xué)生分組、成績(jī)導(dǎo)出等功能[6]。課中，教師利用手機(jī)微信、電腦瀏覽器，通過(guò)微助教與學(xué)生進(jìn)行高效率的全員互動(dòng)；學(xué)生只需通過(guò)手機(jī)關(guān)注“微助教”微信公眾號(hào)，進(jìn)行簽到、答題和討論；微助教可即時(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)生的互動(dòng)參與情況，并將結(jié)果呈現(xiàn)在大屏幕上，使學(xué)生的參與效果一目了然，便于教師根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)評(píng)估教學(xué)效果，并根據(jù)在線(xiàn)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整教學(xué)的進(jìn)度與節(jié)奏。該軟件能夠?yàn)榻處煄?lái)“控制感”，給學(xué)生帶來(lái)“參與感”，給教育管理者帶來(lái)“安全感”。不僅能夠提高課堂管理效率，同時(shí)還能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2.3 增加數(shù)字仿真

在本課程教學(xué)內(nèi)容中，系統(tǒng)的時(shí)域、頻率特性以及PID校正設(shè)計(jì)都需要針對(duì)不同輸入信號(hào)以及不同系統(tǒng)參數(shù)下的輸出特性進(jìn)行分析。當(dāng)前對(duì)這些內(nèi)容的教學(xué)方式都是通過(guò)幻燈片以及板書(shū)的形式進(jìn)行，從學(xué)生理解的角度來(lái)說(shuō)該方法不夠直觀。為了讓學(xué)生能夠更加直觀的掌握該部分的內(nèi)容，我們?cè)谡n堂教學(xué)中引入MATLAB數(shù)字仿真軟件，該軟件是當(dāng)今廣泛為人們采用的控制系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件[6-7]。在上課之前，教師利用MATLAB軟件中的Simulink工具箱進(jìn)行系統(tǒng)建模；在課堂講授過(guò)程中，可以通過(guò)改變系統(tǒng)模型中輸入信號(hào)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)時(shí)得到系統(tǒng)的時(shí)間域響應(yīng)曲線(xiàn)、頻域奈奎斯特曲線(xiàn)以及波特圖等關(guān)鍵圖表，能夠讓學(xué)生直接看到影響結(jié)果，從而加深學(xué)生對(duì)該部分知識(shí)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)。

2.4 引入綜合性實(shí)例項(xiàng)目

實(shí)踐教學(xué)是直接關(guān)系到學(xué)生高技能培養(yǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，是推進(jìn)教學(xué)改革的重要組成部分。我們利用壓縮理論課時(shí)后剩余的16學(xué)時(shí)進(jìn)行綜合性實(shí)例項(xiàng)目，例如伺服電機(jī)的PID控制策略。在項(xiàng)目實(shí)施之前，需要對(duì)學(xué)生培訓(xùn)相關(guān)的技術(shù)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)查閱相關(guān)資料，安排機(jī)電控制實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)臺(tái)、電機(jī)等實(shí)際的物理系統(tǒng)。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB軟件進(jìn)行時(shí)域、頻域仿真分析，并設(shè)計(jì)相應(yīng)電機(jī)控制電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行PID控制，最后將仿真結(jié)果與實(shí)際控制結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。其整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，能夠令學(xué)生加深對(duì)課程整體性的把握，同時(shí)能夠提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)應(yīng)用技術(shù)型本科院校機(jī)電工程專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，本文針對(duì)控制工程基礎(chǔ)課程進(jìn)行了教學(xué)模式及方法改革的探索研究。我們首先以當(dāng)前該課程的特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀為基礎(chǔ)進(jìn)行分析研究，總結(jié)出當(dāng)前該課程在教學(xué)過(guò)程中主要有課程理論性強(qiáng)、學(xué)生基礎(chǔ)薄弱、學(xué)習(xí)興趣低以及缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)等問(wèn)題。其次，針對(duì)這些問(wèn)題我們提出了一系列改革措施，包括調(diào)整學(xué)時(shí)分配、改變課堂管理模式、增加數(shù)字仿真以及引入綜合性實(shí)例項(xiàng)目。這些措施改善了現(xiàn)有“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)占主導(dǎo)的現(xiàn)狀，以“做中學(xué)”的形式培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力及解決實(shí)際問(wèn)題的能力，進(jìn)而培養(yǎng)出具有扎實(shí)專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)、綜合工程系統(tǒng)能力和良好團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的當(dāng)代應(yīng)用型人才。

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