鄧維克，劉志輝，2

（1.邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽　422000；2.中南大學 機電工程學院，湖南 長沙　410083）

基于CD IO的控制工程基礎課程教學改革與實踐

鄧維克1，劉志輝1，2

（1.邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽422000；2.中南大學 機電工程學院，湖南 長沙410083）

文章分析了機械類本科生“控制工程基礎”課程教學存在的問題，基于CDIO模式提出了機械類專業(yè)“控制工程基礎”課程教學的改革思路，具體從培養(yǎng)計劃、教學大綱、講義、理論教學、實踐教學、考評等方面對“控制工程基礎”的教學改革進行了詳細討論。

控制工程基礎；CDIO；教學改革

控制工程基礎是機械類專業(yè)本科生的一門重要專業(yè)基礎課，其以自動控制理論為基礎。通過此課程的學習，學生理論上運用基本的控制理論和思想方法去解決機電控制工程中的一些實際問題。然而，由于本課程理論性極強，涉及機械靜力學、機械動力學、電力電子、高等數(shù)學以及Matlab計算應用軟件，概念抽象，傳統(tǒng)教學一般都基于教課書的理論教學，脫離實際應用對象，使得學生學完課程之后只能求解一些課后習題，對于控制工程理論對實際的工程應用有何作用，如何用，學生基本上沒有多少概念。因此，傳統(tǒng)的控制工程理論教學通常達不到應有的教學效果。為了改善現(xiàn)有的狀況，文章分析了機械類本科生“控制工程基礎”課程教學存在的問題，基于CDIO模式提出了機械類專業(yè)“控制工程基礎”課程教學的改革思路，具體從培養(yǎng)計劃、教學大綱、講義、理論教學、實踐教學、考評等方面對“控制工程基礎”的教學改革進行了詳細討論。

1　“控制工程基礎”教學過程存在的問題

（1）學生學習“控制工程基礎”主觀能動性不強。“控制工程基礎”是高等院校理工類學生必修的一門綜合性很強的專業(yè)基礎課，其以自動控制原理為基礎，課程內容概念相當抽象，涉及內容非常多，主要有高等數(shù)學、工程數(shù)學、機械靜力學、機械動力學、電力電子以及Matlab應用軟件等。高等院校理工類學生諸如機械設計制造及其自動化、機械電子工程、車輛工程、建筑工程、熱能與動力工程等專業(yè)的學生一方面對相關課程的基礎知識掌握不夠，另一方面認為該課程知識與自己將來就業(yè)以及繼續(xù)深造關系不大，因此學生在學習該課程時主觀能動性不強，學習動力不足。

（2）教師傳授“控制工程基礎”脫離實際。雖然“控制工程基礎”教學時也開設了實驗課程，但基本上都是基于Matlab的時域分析、頻域分析、系統(tǒng)校正等，這些實驗都是脫離工程實際，學生做了實驗之后也僅是感覺求解了幾道數(shù)學練習題。另外，教師在傳授理論課時，基本上也是照本宣科，類同于講解數(shù)學題，絕大多數(shù)沒有聯(lián)系實際工程控制，另一方面很多剛從學校畢業(yè)沒有多少工程經(jīng)驗的畢業(yè)生直接轉型做老師，未經(jīng)系統(tǒng)培訓，這樣本身對控制過程缺乏深入認識的老師在傳授學生時勢必講不透課程的理論知識，學生肯定也將認不清該門課程的意義以及重要性，失去對該課程的學習興趣。

（3）課程大綱目標設定不明確，且缺乏檢驗依據(jù)。調查表明大多學校制定的“控制工程基礎”課程大綱中的學習目標只籠統(tǒng)列舉了教學目的及意義、教學難點和教學重點，這種教學模式一方面使課程教學僅停留在最基本的知識灌輸階段，另一方面也弱化了教師的職責，不利于學生能力的培養(yǎng)。另外學生對于知識的掌握不應該是簡單的要求理解，也不僅是能夠靈活的運用，而應該是實踐能力得到提高，但現(xiàn)有的課程教學大綱也很少有設置檢驗學生能力是否得到有效提高的依據(jù)。

2　CDIO模式

CDIO是由MIT、查爾摩斯工業(yè)大學、林雪平大學、瑞典皇家工學院等四所大學由2000年至2004年，經(jīng)過四年的摸索以及教學實踐建立起的一種基于工程教育先進的教學模式。其代表構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate），是以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品的運行維護和廢棄的全生命周期為載體建立一體化的相互支撐和有機聯(lián)系的課程體系，讓學生以主動實踐的方式學習工程。2005年國內由汕頭大學率先實施改革，并從2006級本科生開始全面實施了基于項目設計為導向的工程教育模式和教學體系。

針對具體哪門課程，CDIO沒有給出對學生的具體能力要求，也沒有給出能力目標的落實方法。因此，對于基于CDIO的“控制工程基礎”課程教學，需要教學設計者制定符合CDIO的培養(yǎng)目標及其落實方法，形成一種“以項目為核心、教師指引學生方向、學生主動參與、注重能力培養(yǎng)”為基本特征的新型教學方法。

3　教學改革措施

（1）培養(yǎng)計劃制定。CDIO回答了工程教育必須考慮的兩個中心問題，一個就是當工科學生畢業(yè)時，他們掌握的理論知識和具備的能力素質應該包括哪些？第二個就是如何讓學生更好地掌握這些知識和具備這些能力？因此，在制定培養(yǎng)計劃時，要明確運用控制工程基礎這門課程知識做實際的工程控制，學生應該需要掌握哪些知識點，同時要明確學生學了該門課程后，可以完成哪些方面的工程控制。在制定培養(yǎng)計劃時，要盡可能將控制工程對分散在其他課程的內容進行整合，要將精簡“機械工程測試技術”、“計算機控制技術”、“電機控制”等相關課程的內容，去掉一些重復內容，增加一些控制新理論、新方法，提高課堂教學效率，提升學生學習效果。

（2）教學大綱和講義制定。傳統(tǒng)教學大綱和講義都是指定了理論課時多少學時，實驗課時多少學時，控制工程基礎重點、難點，比如時域分析、根軌跡分析、基于BODE圖或Nyquist圖的頻域分析、基于PID（含P或I或D）控制的系統(tǒng)校正與系統(tǒng)設計，指定了各知識點的講授時間。大綱和講義制定基本都是老師獨自講授，學生被動接受為主。為了破解迷局，在制定教學大綱和講義時，大量引入啟發(fā)式和互動式教學時間，壓縮原有的老師獨自講授時間。

（3）理論教學。CDIO的核心思想是基于項目制的工程教育。在控制工程基礎這門課程理論教學時完全基于CDIO模式，基于項目，以學生自主學習為主，老師引導為輔。比如教師在講授時域分析知識點時，先用25～30分鐘時間講解時域分析理論知識，然后引入具體項目，比如要測試一套齒輪系統(tǒng)的動態(tài)振動量，并對齒輪的振動量進行時域分析，比如齒輪的振動幅值、均值、均方根值等，讓學生思考如何搭建這樣一個測試系統(tǒng)，如何測量，如何運用所學的知識點對所測量的數(shù)據(jù)進行時域分析處理。又比如在介紹控制系統(tǒng)設計時可以引入恒壓供水水箱的PID控制，恒壓供水水箱是通過變頻器控制水泵速度進行供水，要求PID控制水泵速度控制水箱維持在恒定的水位，這一項目可以將控制工程的基礎知識、可編程控制器、電機控制等知識有效串接起來。通過引入具體項目，學生一方面可以將機械工程測試的知識與控制工程基礎知識有效串接，激發(fā)學生的學習興趣，另一方面可以增加學生的工程意識，提高他們的應用能力，完全符合CDIO改革初衷，提高了學生的能力素質。

（4）實踐教學。傳統(tǒng)的控制工程基礎開設的實驗課都是基于Matlab的軟件操作，脫離了實際。按照CDIO理念，實驗項目的設置要完全基于實際工程項目，要注重鍛煉學生的思維能力、分析問題能力、獨立解決問題能力以及動手能力。因此我們在設置實驗課時，取消了傳統(tǒng)的基于Matlab軟件操作的實驗項目，取而代之的是讓學生自己搭建一些實驗測試系統(tǒng)，綜合運用其他課程知識，并靈活運用控制工程基礎理論完成測試控制實驗。比如時域分析，設置前面所述的齒輪系統(tǒng)的振動測試項目，頻域分析設置基于頻譜分析儀以及matlab的簡易式懸臂梁的動力特性測試項目，控制系統(tǒng)的校正與設計設置基于PID控制水泵速度控制水箱水位的實驗項目等。

（5）考評。傳統(tǒng)的控制工程基礎課程考核，一般都是平時成績占30%，閉卷考試卷面分占70%。而平時成績一般又分三塊，實驗占10%，作業(yè)占10%，出勤占10%，通常這三塊又跟卷面成績掛鉤，基本上卷面分高，平時成績也一定高。而試卷只能檢驗基本理論的掌握情況，不能作為評判學生的靈活運用能力和綜合素質的評判依據(jù)。CDIO模式是強調加強學生綜合素質和能力的培養(yǎng)，為了合理評判學生的學習成效，筆者在控制工程基礎的考試方式上進行了改革，課程考試設置為開卷，避免了學生花大量時間去記一些沒必要記住的公式和定義，且分數(shù)只占總成績的40%，平時成績作為重點，注重學生的平時學習過程和表現(xiàn)，其中作業(yè)占30%，發(fā)現(xiàn)作業(yè)抄襲現(xiàn)象的，雙方記零分并進行教育批評以杜絕抄襲現(xiàn)象再次發(fā)生，實驗占30%，主要根據(jù)實驗考勤、實驗態(tài)度、創(chuàng)新能力、動手能力以及綜合素質給成績。

4　結語

任何教學改革目的都是為了提高學生學習效果，激發(fā)學生學習興趣，提高學生的綜合素養(yǎng)。筆者在長期的控制工程基礎課程教學中，通過不斷自我學習，不斷總結教學經(jīng)驗，且不斷引入新的教學理念和教學模式，通過對比，發(fā)現(xiàn)基于CDIO模式的控制工程基礎課程教學，能有效提高學生的綜合素質，大幅度提高學生的動手能力，能適應工程應用型人才的培養(yǎng)需求。

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Teaching Reform and Practice for Control Engineering FoundationCourse based on CDIO

DENG Wei-Ke1，LIU Zhi-Hui1，2

（1.Department of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 422000，China；
2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China）

This paper analyzes the problems existing in course teaching of Control Engineering Foundationin mechanical engineering undergraduate students.It puts forward the reform ideas for the Control Engineering Foundation teachingbased on the CDIO model，especiallydiscussesteaching reform from trainingplan，teaching outline，handout，theory teaching，practice teaching，evaluationandsoon indetails.

Control Engineering Foundation；CDIO；teaching reform

A

2095-980X（2016）09-0117-02

2016-07-29

鄧維克（1964-），男，湖南邵陽人，高級工程師，主要從事控制工程基礎課程教學工作。