基于培养应用型人才的控制工程基础课程改革探索

　　控制工程基础是机械设计制造及其自动化本科专业一门重要的专业基础课，培养应用型本科人才，要求学生的基础知识扎实，知识面宽广，应用所学知识解决工程实际问题的能力较强。控制工程基础课程的研究对象是机械工程系统，学生通过学习机械工程控制的基本原理，深入研究学习经典控制理论，掌握实际机械系统的简化并建立数学模型，进而通过数学模型对系统进行参数辨识、时域响应分析、频域响应分析和稳定性分析，进而对系统进行改进，解决工程实际问题。传统教学过程中缺乏工程实际对象的分析学习，抽象内容多，理论联系实际少，不能学以致用，也束缚了学生的思维发展，学生学习的主动性和积极性差，实验课程内容设置和工程实际差距较大，考核方式和内容死板，学生的知识应用能力、综合分析问题和解决问题的能力、创新能力方面有所欠缺。为了提高控制工程基础的课程教学质量，按照培养应用型本科人才的要求，本文从教学内容、教学手段、教学方法、实验教学、考试方法等方面进行改革探索与实践。

　　一、课程教学内容改革机械类专业学生学习控制工程基础，学时有限，课堂上应该讲授重点、难点，对要求掌握的内容重点讲授，内容安排应该循序渐进，由易到难，便于学生学习理解。控制工程基础课程的主要内容包括：系统数学模型的建立，系统的时域和频域分析，系统设计和校正。机械类专业的重点教学内容在于采用数学方法，利用物理学、电学、力学、液压等基础知识建立机械系统的数学模型，后续章节内容都是在数学模型的基础上进行分析和研究。传统上因为传递函数、系统分析及设计校正的教学内容理论性强、内容系统，讲授较易，所以教师往往在这一部分讲授较多，忽视了系统的抽象、简化及建模教学环节。机械类专业学习这门课程为了是解决工程技术问题，没有系统的数学模型建立，一切无从谈起，在有限学时的条件下，数学建模是重点。微分方程和传递函数是数学模型的不同表达形式，内容放在一个章节讲授。系统分析部分的内容，安排时域响应分析，利用时域研究的直观性，逐步推进到频率响应分析，这样安排有利于加深对教学内容的理解和学习。通过对系统设计和校正内容的学习，了解常用校正方法的构成和作用，领会系统参数调整和动态校正的方法。

　　二、改革教学方法和手段1．开展连贯式、启发式教学控制工程基础课程阐述的是原理性知识。在课堂教学中，讲授应注重深入浅出，用通俗易懂的语言将抽象的理论变成学生乐于接受、消化、理解的内容，同时以机械工程中多见的实例辅助、活跃教学内容，并适当增补专业知识，加强知识的连贯性，设法调动学生的学习积极性，发挥学生学习的主观能动性。例如在学习拉式变换的数学方法时，有些同学会产生“为什么学习该部分内容，它与机械系统控制工程有什么联系”的疑虑，所以在进行章节内容的讲授过程中要做到承上启下，环环相扣，为学生点明该部分知识与其他内容的相关性。

　　同时采用启发式教学。在教学过程中，首先提出问题让学生自己思考、分析，并进行讨论，老师再分析，引出学生需要学习和掌握的新知识，进而深入详细讲解重点知识。这种“提问一讨论一解答”的启发讨论式教学增强了教师与学生之间的交流，活跃了课堂气氛。

　　2．传统教学与多媒体教学相结合在传统教学方法中，教师一般都是边写、边讲、边示范，教师与学生之间互动性较强。但本课程的特点是图形公式多、内容抽象，在有限的课堂时间内，老师还用传统的教学方法，仅凭语言和粉笔就会感到力不从心。而应用多媒体技术，将信息数字化，把图像、图形、动画、视频、文本等用多媒体来表现，就可以在有限的课堂时间内以图文并茂的方式将大量的信息传递给学生，使理论推导和图形绘制(如方块图、伯德图、乃奎斯特图)等操作变得形象而简便，使原本枯燥、抽象的理论阐述变得形象和具体。

　　但是在控制工程课程中，一个详细的理论推导过程需要较长的时间和多张幻灯片进行阐述，内容之间的衔接不好把握。故而在制作多媒体课件时应注意突出重点、内容精炼，不宜将所有内容都添加、堆砌  到课件中。传统教学与多媒体教学各有优劣，应将两种教学手段相结合，取长补短，达到良好的教学效果。例如，在系统数学模型的建立中，用多媒体课件可以将模型直观、迅速地呈现出来，推导微分方程的过程可以用动画的形式顺序衔接，但中间一些细节还需要结合板书的形式进行详细讲授。这种以“多媒体教学为主一板书为辅”的讲授方式既节省教学时间、使教学内容形象直观，又“粗中有细”，让学生易于理解和掌握。

　　三、理论实践相结合，改革实验教学内容为了适应应用型人才培养要求，增加三性实验项目设置。实验内容紧密联系工程实际，充分应用计算机辅助技术，按三个层次，模块化组织实验教学。基础知识层次实验教学主要让学生验证掌握所学基本知识基本技能；综合性实验重点培养学生动手操作能力和分析综合能力；设计性实验是学生根据所学知识设计实验方案，培养学生创新精神和解决问题的能力。根据以上思路和要求在以下几个方面组织实验内容：

　　1．系统建模应用SIMULINK进行系统建模、仿真、分析，掌握基于Matlab／SIMULINK进行系统设计、分析和仿真方法。

　　2．系统的时域和频域分析方法掌握一阶、二阶系统的时域、频域特性，主要参数对系统动态特性的影响，了解基于Matlab／SIMU—LINK进行时域和频域特性分析的方法。

　　3．系统的稳定性分析运用Routh稳定判据、Nyquist稳定判据和Bode稳定判据判断系统稳定性。

　　4．典型控制系统的设计和校正方法了解校正装置对系统性能的影响，掌握系统分析和校正方法，通过对实际控制系统的分析和控制，掌握系统的控制原理和实际应用。

　　四、课程教学引入计算机辅助技术控制工程基础的理论性强，系统结构方框图复杂，在系统响应求解时采用传统方式教学易使学生摸不着头绪。在讲解完基本的理论求解方法之后，利用MATLAB软件进行系统响应求解，可以快速计算绘制得到复杂系统时域响应曲线、频率响应曲线和乃氏曲线。另外，运用其MATLAB中的Simulink模块进行系统仿真时可以设计出界面生动、形象、直观的自动控制系统，使学生熟悉、了解系统的构造过程和相关特性的分析方法。

　　随着计算机技术的发展，许多学生对于计算软件的接触也日益增多。针对控制工程计算量和绘图量大的特点，采用MATLAB软件进行辅助教学。将MATLAB软件引入课堂，一方面让学生对数字仿真有所了解，另一方面可以让学生观测结构参数变化对机械系统特性的影响。

　　五、开展网络课程建设，丰富学习资源网络化辅助课程学习对于在校生的知识获取越来越重要，网络课程突破了课堂授课的时空限制，为学生提供更全面、广泛的内容，帮助学生更好的学习和理解新知识，在拓展学生的思维空间、激发学生的创新思维和培养创新能力方面有着不可替代的作用。教师通过有效的课程管理、网络教学设计、作业布置，达到网上教学、交流和评价的目的。机械控制基础网络课程主要由基本课程内容、互动教学、测试、作业、超级链接5个主要的功能模块组成。解决了控制工程基础学时少、内容多的矛盾，并且可以提高学生的学习兴趣，培养提高学生主动学习和自主学习的能力。

　　六、改革考试方法和考核机制在控制工程基础课程的学习中，考试方法和考核内容是引导教学模式和学生学习方法的机制。在注重素质教育、培养工程应用型人才的今天，仅凭期末考试成绩来评价学生的学习情况是很不科学的，课程考核方式也是影响教学效果的一个重要因素。

　　平时上课不听讲，在期末考试之前突击的学生大有人在。这些应付考试的学生缺乏对知识的深入理解，往往会出现考试过后脑袋一片空白的情况。为了加强学生分析解决工程实际问题的能力，在控制工程基础的考核方式上进行大刀阔斧的改革，全面合理评价学生的学习过程与效果，改变学生为了考试而考试的理念，所以将考核成绩分为平时作业成绩、实验成绩和期末考试成绩和面试成绩几个方面。平时作业成绩占总分的20％；实验成绩根据实验考勤、实验态度、动手能力、创新能力、实验报告等来综合评分，实验成绩占总分的10％ ；面试成绩由教师与学生面对面交流给定，占总成绩的10％；理论考试采用闭卷考试，试题以主观应用型题目为主，着重考核学生对知识点的掌握与综合应用能力，考试成绩占总分的60％。

　　通过控制工程基础课程改革的不断深入和探索，实施课程改革方案，不断改进教学方法和教学手段，理论和实践相结合，极大地提高学生的学习主动性，使原本枯燥的理论知识变得形象直观，笔耕文化推荐期刊，更易于理解掌握，提高了课堂教学质量和实验教学质量，培养了学生运用所学知识分析解决实际工程问题的能力，锻炼了学生的动手能力。随着科技的进步和发展及对培养应用型人才要求的不断提高，控制工程基础课程教学改革将持续推进。课程教学与现代化信息、试验手段相结合，取得良好的教学效果还需在实践中继续研究探讨。