艾超+陳立娟+孔祥東+姚靜

[摘 要] “控制工程基礎”是機械設計及其自動化專業(yè)一門重要的必修課，作為一門專業(yè)基礎課，具有較強的理論性和實踐性。針對課程特點以及教學方面存在的問題，在原有理論教學的基礎上，引入CDIO的教學理念，加入三級項目環(huán)節(jié)，通過強化實踐環(huán)節(jié)實現理論與實踐有效結合進而提高教學效果，提高了學生學習的積極性，教學效果也明顯提高。

[關鍵詞] 控制工程基礎；教學改革與實踐；CDIO教育模式；三級項目

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 1005-4634（2015）04-0094-04

0 引言

“控制工程基礎”是機械工程學院機械設計及其自動化專業(yè)的一門主要專業(yè)基礎課[1]，該課程理論性和實踐性都很強，是一門具有一定深度和難度的課程，也是培養(yǎng)工程技術人員的學科基礎課，該課程使學生首次接觸控制和控制系統(tǒng)的概念，系統(tǒng)地學習控制理論的經典方法。該課程是專業(yè)學習過程中的一個重要環(huán)節(jié)，但由于內容抽象、工程實踐性強以及課程中存在教與學方面的問題等，學生對“控制工程基礎”的相關知識掌握程度并不深[2-4]。

燕山大學是國內首批加入CDIO教育改革的高等院校之一，2010年其“機械設計制造及其自動化”專業(yè)被確定為“教育部卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”試點專業(yè)。以此為契機，燕山大學“機電液一體化”國家級教學團隊，針對當前社會對工程技術人才的高需求，在充分研究與吸收CDIO國際工程教育理念的基礎上[5-6]，遵循卓越工程師的工程教育理念，對“控制工程基礎”這門課程進行了改革。

1 課程教學存在的問題

1.1 學生學習積極性不高

“控制工程基礎”具有較強的綜合性，涉及數學等多種學科，并且內容抽象，工程實踐性強，這就要求學生具有高等數學等相關課程的知識，但學生往往對相關基礎知識掌握不牢固、對學科交叉內容理解不充分，因此學習這門課程時困難重重，學習目標不明確，學習積極性不高。

1.2 傳統(tǒng)教與學中存在問題

“控制工程基礎”作為培養(yǎng)專業(yè)工程技術人員的學科基礎課，在傳統(tǒng)的教學中，實驗環(huán)節(jié)與理論脫節(jié)，學生對于實踐環(huán)節(jié)的重視度不夠，動手能力不強。教師采用傳統(tǒng)的教學方法感覺“難教”，學生也感到“難學”。

2 教改目標

1）深入課程改革，逐步培養(yǎng)學生主動獲取知識、提出問題、分析問題、應用知識、解決問題等方面的能力，使學生們能夠真正的做到工學結合，全方位發(fā)展。

2）改革教學內容，形成相對全面的理論教學體系，構建符合實際工程需求的實踐教學體系。

3）創(chuàng)建一支高素質、在理論教學和實踐教學方面具有較高水平的雙師型專業(yè)教師隊伍。

4）CDIO模式通過三級項目將核心課程教育與對專業(yè)的整體認識有機統(tǒng)一起來，并結合項目訓練對學生的自我更新知識的能力和團隊交流能力，以及對大系統(tǒng)的掌握、運行、和調控能力進行整體培養(yǎng)。

5）充分掌握經典控制理論的重點、難點知識，對后續(xù)的專業(yè)課有感性的認識，為以后課程的學習提供良好的基礎。

6）通過控制工程基礎三級項目的訓練，提高并擴展學生對工程實踐的興趣，讓學生從被動接受轉為主動研究的學習方式，使學生自組織、自分工、自實施等團隊間組織、交流合作的能力得以提升。

3 教改思路

基于CDIO的教學理念，以及機械工程學院“控制工程基礎”現實的教學情況，提出如圖1所示的教改思路，并根據“控制工程基礎”中的重點、難點，從建模到控制框圖產生過程掌握實際物理系統(tǒng)；掌握時域分析中系統(tǒng)響應指標分析，控制穩(wěn)、準、快；掌握頻域分析中數學模型及系統(tǒng)響應建立bode圖方法；掌握由bode圖進行頻域分析及PID調節(jié)器使用等四個方向構思確定以控制系統(tǒng)數學模、控制系統(tǒng)時域分析以及控制系統(tǒng)頻域分析三個方向作為控制工程基礎三級項目的選題。

圖1 控制工程基礎教改思路框圖

4 教學改革的具體內容

4.1 人才培養(yǎng)模式

在深入調查就業(yè)市場和畢業(yè)生質量的前提下，參照國家《工程教育專業(yè)認證標準》、《卓越工程師通用培養(yǎng)標準》、《普通高等學校專業(yè)本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹》（2012版），引入CDIO教育改革理念，調整在“控制工程基礎”課程上的定位和培養(yǎng)目標，修訂培養(yǎng)方案，使專業(yè)培養(yǎng)更能適應市場發(fā)展和行業(yè)的需要，同時也更加體現專業(yè)特色。

4.2 課程規(guī)范化建設

以《燕山大學課程教學標準（暫行）》為參考，結合課程的自身特征，完善“控制工程基礎”的教學及相應管理文件。“控制工程基礎”的教學標準體現了新的專業(yè)人才培養(yǎng)目標和要求，推進了“項目式”教學改革，確保改革方案應切實可行。在規(guī)定期限之前，分批完成課程規(guī)范化建設，并將改革成果及時付諸課堂并進行實時效果檢驗。

在網絡教學平臺建設方面，信息技術手段得到充分利用。任課教師采用多媒體課件授課，利用網絡優(yōu)勢進行答疑解惑以及項目指導，大大提高了教學質量，通暢了師生間的交流渠道。

4.3 實踐教學的改革

優(yōu)化基礎課的教學內容和授課形式，調整教學運行機制和教學資源配置，探索具有廣泛適用性的教學模式。實踐教學是直接關系到學生高技能培養(yǎng)目標實現的重要環(huán)節(jié)，是推進教學改革的重要組成部分。在“控制工程基礎”原有理論的基礎上，加入三級項目環(huán)節(jié)，分別設立閥控缸位置閉環(huán)穩(wěn)定性研究、閥控缸位置閉環(huán)的快速性研究、閥控缸負載位置閉環(huán)PID控制策略以及閥控缸系統(tǒng)頻域動態(tài)特性仿真與測試四個課題，具體如下：項目實施之前有針對性的對學生進行相關培訓，內容包括軟件、硬件、數據采集處理等。鼓勵學生查閱液壓試驗臺有關信息，了解液壓元件、液壓系統(tǒng)、液壓原理等方面的知識。

1）項目前期準備。在項目組織形式方面，三級項目采用分組的方式進行。3～5名同學組成一組，每組設組長1人，每組1題。各組的三級項目題目在課程進行一段時間之后下發(fā)，也可由學生根據興趣自行選題。將由組長負責組織本組同學依據三級項目題目及同學的實際情況進行工作分配。學生根據項目題目及課程的進度，按時完成資料的查閱及系統(tǒng)設計、建模及分析等工作。

在進行三級項目過程中，需要學生建立數學模型，進行時域、頻域分析，這就需要學生對實際物理系統(tǒng)，包含輸入控制信號以及反饋信號、控制器有初步的認識和了解，機電控制實驗室為同學們提供實驗臺等實際的物理系統(tǒng)，實物見圖2。

依靠現有設備的設計項目，需要學生對實驗系統(tǒng)有初步了解，包括液壓元件、系統(tǒng)功能實現、模擬控制面板、傳感器等設備的使用。在此過程中，由于學生在理論學習過程中很少接觸到真實的設備，所以需要由老師和機電控制專業(yè)的碩士研究生對學生進行相應設備的培訓，主要包括安全用電、液壓系統(tǒng)安全、試驗臺操作規(guī)程等方面的內容，如圖3所示。

在此三級項目中，學生對系統(tǒng)進行時域和頻域分析時，需要學生運用Matlab/Simulink或Amesim軟件仿真液壓系統(tǒng)、利用Labview軟件編寫掃頻程序等。但由于在理論教學過程學生對軟件的應用程度不夠，由老師和機電控制專業(yè)的碩士研究生對學生進行指導與培訓，如圖4所示，主要包括編程方法、信號形式、通道選擇、信號給定、采集、標定等。

2）項目實施過程。基于分組情況，組長負責組織同學結合實際情況進行分工，學生通過老師和研究生的指導與培訓，親自動手操作，如圖5所示。同學們學會建立液壓控制系統(tǒng)、運用Amesim或Matlab/Simulink仿真軟件建立系統(tǒng)仿真模型、PID控制策略對控制系統(tǒng)控制性能影響以及學會尋找系統(tǒng)控制最優(yōu)PID控制方法等，并且在做項目的過程中難免會遇到問題以及小組成員之間產生分歧，但學生們通過小組討論以及主動向老師咨詢等方式解決做項目過程中遇到的問題，如圖6所示?！翱刂乒こ袒A”三級項目不僅培養(yǎng)了學生們遇到問題解決問題的能力，同時也使同學們提高了動手能力和團隊合作意識。

3）教學方法、作業(yè)與考試等方面的教改舉措。本團隊教學方法的最大特色是以CDIO教學理念為基礎進行了課程項目的實施。作業(yè)分為課后作業(yè)和三級項目設計兩部分，以三級項目為主、以傳統(tǒng)的作業(yè)方式為輔，涵蓋大部分知識點，同時使學生擺脫為做作業(yè)而做作業(yè)的心理，通過項目設計讓學生明白所學知識的用途，加深對本門課知識的理解和重視度。

在考試方面，主要在考試方式和每部分內容所占的比重進行了修改，成績組成如下：考試卷面成績占70%，平時出勤占5%，課程實驗占10%，三級項目占15%。

三級項目具體的考核方式，整個小組得到共同基準分。（1）是否達到三級項目目標60%；（2）項目報告是否系統(tǒng)完整20%；（3）PPT展示10%；（4）評委討論10%。

團隊成員相互評價并交給教師，教師據此對團隊成員的得分有所升降。

5 總結

5.1 存在的問題

盡管此次教改取得了一定的成績，但仍存在一些不足，有待進一步完善，主要體現在：（1）沒有充分利用課外輔導資料；（2）課程建設的經費仍存在較大缺口；（3）學生的積極性有待提高；（4）理論實踐教學內容繁多與相對課時較少之間的矛盾；（5）生源整體素質下降學生層次不同；（6）學生對預備基礎知識掌握不足。

5.2 努力方向

（1）繼續(xù)優(yōu)化課程設置，課程設置要突出對學生知識與能力的培養(yǎng)，兼顧學生個性發(fā)展；（2）繼續(xù)加強實驗及其設施的建設；（3）加強課程和專業(yè)建設，爭創(chuàng)品牌特色專業(yè)和國家級精品課程。

5.3 課改心得

“控制工程基礎”這門課程主要闡述自動控制的基礎理論，不論是在機械設計制造及其自動化專業(yè)，還是在以后的延伸專業(yè)上都是控制理論中最重要的課程。通過不斷對課程的改革與創(chuàng)新，進而提高同學們綜合能力，得到了廣大師生的好評，同時通過“控制工程基礎”三級項目的訓練，提高了學生工程實踐的興趣，學生由被動接受的學習方式轉變?yōu)橹鲃友芯康膶W習方式，并學到了很多課本上學不到的東西，老師也受益匪淺。

6 發(fā)展前景

教學改革同樣需要以規(guī)范化要求為底線，在科學合理且相對穩(wěn)定的規(guī)范的基礎上拓展和延伸，形成高質量、高成效且持久性強的創(chuàng)新管理模式。在燕山大學CDIO教學改革的契機下，機械工程學院對“控制工程基礎”這門課程進行教學改革，學生的知識結構日趨合理，不斷適應企業(yè)的需求，綜合素質、創(chuàng)新意識和實踐能力得到明顯提高。今后，燕山大學還將繼續(xù)推進教學改革與實踐，守正出新，探求新時期具有“燕大特色”的地方機械人才培養(yǎng)的模式與方法，造就更多創(chuàng)新能力強、適應社會需求的卓越工程師。

參考文獻

[1]孔祥東，王益群.控制工程基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]董海棠，馮中毅.“控制工程基礎”課程教學改革探索與實踐[J].中國電力教育，2009，5（136）：81-82.

[3]高鐵紅，曲云霞，邱瑛.控制工程基礎課程內容體系與教學體系改革研究與實踐[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2008，（22）：88-89.

[4]李大勇，林海鵬，張鴻艷，王桂榮，王立新.“控制工程基礎”課程教學模式的研究與探索[J].課程教材改革，2013，（29）：51-52.

[5]邵如平，方志，郝麗麗.《高電壓技術》教學改革的探索[J].中國電力教育，2008，（4）：64-65.

[6]孔祥東，姜萬錄，姚靜，權凌霄.機電液控一體化人才培養(yǎng)模式的研究[J].教學研究，2011，1（34）：38-44.