邱鵬飛

【摘 要】應(yīng)用型本科機(jī)械類專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中，控制工程基礎(chǔ)是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課。本文分析了該課程的特點(diǎn)，目前存在的一些問題，總結(jié)了目前各高校針對控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的一些方法，最后提出了基于工程案例倒推法，引導(dǎo)學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)解決問題所需要的經(jīng)典控制理論知識。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)用型；控制工程基礎(chǔ)；工程案例

中圖分類號： TP13-4；G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0094-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.039

0 引言

高等教育在中國已經(jīng)得到了普及，各個(gè)學(xué)校都有自身的發(fā)展定位，比如學(xué)術(shù)研究型大學(xué)、應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)。越來越多的高校將自身定位在應(yīng)用型技術(shù)大學(xué)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國有超過300所應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)。各地也相繼成立了很多聯(lián)盟，如61所高校成立的應(yīng)用技術(shù)大學(xué)（學(xué)院）聯(lián)盟，各省（地區(qū)）也成立了省應(yīng)用型高校聯(lián)盟，如四川、安徽、長三角地區(qū)、浙江、湖北等聯(lián)盟，越來越多的本科院校正在積極加入應(yīng)用型本科行列。

《控制工程基礎(chǔ)》是機(jī)械類專業(yè)重要核心課程，而機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)在智能制造領(lǐng)域顯得尤為重要，自中國提出智能制造2025計(jì)劃，智能制造已上升到國家發(fā)展戰(zhàn)略，人才緊缺，各大應(yīng)用型技術(shù)大學(xué)也在加快轉(zhuǎn)型升級，凸顯應(yīng)用特色。如何將該課程講好，提升學(xué)生工程能力及素養(yǎng)成為應(yīng)用型大學(xué)機(jī)械類專業(yè)的重要組成部分。

1 控制工程基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)

目前全國高校機(jī)械類專業(yè)都開設(shè)了《控制工程基礎(chǔ)》或《自動控制原理》，一般作為專業(yè)必修課開設(shè)。課程要求學(xué)生掌握控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，能夠求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，能夠?qū)€性系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析及其軌跡描述、能夠判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性及非穩(wěn)定系統(tǒng)校正。目前應(yīng)用型高校普遍安排48學(xué)時(shí)或更少的32學(xué)時(shí)，學(xué)生在這么短的時(shí)間，要完成這樣具有大量計(jì)算、大量分析、邏輯性很強(qiáng)、前后課程關(guān)聯(lián)度很大的教學(xué)內(nèi)容，實(shí)屬不易。

目前國內(nèi)很多高校教師進(jìn)行了《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)改革，比如大連民族大學(xué)的邵強(qiáng)[1]提出實(shí)踐教學(xué)方面加大實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提高實(shí)驗(yàn)綜合型，采用Matlab軟件進(jìn)行仿真，加強(qiáng)學(xué)生感官認(rèn)識。

2 教學(xué)過程一些問題

（1）過多強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識。目前很多高校控制工程基礎(chǔ)都把現(xiàn)代控制理論部分刪除，也把經(jīng)典控制理論中非線性系統(tǒng)內(nèi)容刪除，仍存在課時(shí)不足的情況，剩下內(nèi)容中要把系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立，求解系統(tǒng)傳遞函數(shù)，進(jìn)一步進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、穩(wěn)定性分析等這些基礎(chǔ)知識講解清楚需要大量學(xué)時(shí)，然后繼續(xù)把根軌跡和線性系統(tǒng)校正刪除才勉強(qiáng)能夠完成該課程。授課教師（含實(shí)驗(yàn)教師）對知識詳細(xì)講解，學(xué)生被動的學(xué)，被動的完成仿真實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果，一有問題就問老師，對授課教師依賴性很強(qiáng)，教師難以引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，主動思考。

（2）過多強(qiáng)調(diào)解題。國內(nèi)有不少的論文基于教學(xué)研究，提出更簡單、更方便或更系統(tǒng)的方法梳理知識，解決題目。出發(fā)點(diǎn)仍然在題目上，如安陽工學(xué)院宋強(qiáng)[2]提出應(yīng)用計(jì)算機(jī)檢索法和分叉法解決梅遜公式求解復(fù)查系統(tǒng)，中國石油大學(xué)李春明詳細(xì)研究了系統(tǒng)方框圖的相加點(diǎn)與分支點(diǎn)的互換方法用以解決結(jié)構(gòu)圖化簡求系統(tǒng)傳遞函數(shù)。老師備課也非常辛苦，特別是一些年輕老師，課前精心準(zhǔn)備的推導(dǎo)過程及講解過程，課堂上講給學(xué)生，往往結(jié)果是老師滿頭大汗，學(xué)生無動于衷，能跟上老師進(jìn)度的學(xué)生不多。站在學(xué)生角度，學(xué)生不知道學(xué)了這么多知識如何應(yīng)用，換個(gè)參數(shù)往往就不會了。另一方面考核方式仍然以閉卷為主，需要學(xué)生去記去背大量公式，否則無法做出考題，很多學(xué)生只是機(jī)械的記住這些公式例題然后去套用，稍作改動就解不出題，造成卷面不及格率偏高多次重修后仍難以通過。

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然以Matlab仿真為主。目前大部分實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中仿真實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證行，可變化的參數(shù)很少，學(xué)生按照例題模板改變部分參數(shù)觀察系統(tǒng)輸出圖形變化，以此來驗(yàn)證理論學(xué)習(xí)過程中畫出的各種結(jié)果，如根軌跡，伯德圖，奈奎斯特曲線等，學(xué)生一直處于被動學(xué)習(xí)，沒有工程意識，實(shí)驗(yàn)效果不好。

3 國內(nèi)外關(guān)于控制工程基礎(chǔ)教改的措施

（1）重視學(xué)生學(xué)習(xí)效果。南陽理工學(xué)院何一文[3]提出重視緒論學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，適當(dāng)補(bǔ)習(xí)部分基礎(chǔ)理論知識，注重理解與應(yīng)用，適當(dāng)減少公式推演，精選工程案例，貫穿于課程教學(xué)的始終。將工程實(shí)際中簡化而來的小型系統(tǒng)案例雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)貫穿于課程教學(xué)的始終，這樣便于學(xué)生理解各章節(jié)內(nèi)容在該工程實(shí)例中的作用，有了具體的工程案例，可以提高學(xué)生求知欲望，進(jìn)而探究解決問題的方法。廣東科技學(xué)院趙楊[4]通過貫徹主動學(xué)習(xí)教學(xué)策略，幫助學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容。上海理工大學(xué)景大雷[5]建議教師可以充分鼓勵(lì)和指導(dǎo)學(xué)生參加相關(guān)的機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新大賽等活動，通過參加學(xué)科類競賽等相關(guān)活動讓學(xué)生檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)成果，培養(yǎng)自己利用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力；另一方面還可以培養(yǎng)學(xué)習(xí)的積極性和主動性，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心和成就感。

（2）重視工程案例教學(xué)。重慶科技學(xué)院蘇盈盈[6]圍繞已找到的實(shí)際控制問題，反復(fù)推敲，建立符合教學(xué)時(shí)間、教學(xué)規(guī)范的案例庫。通過這些案例，學(xué)生能夠在實(shí)際問題中掌握各個(gè)知識點(diǎn)，快速地舉一反三，推廣理論的應(yīng)用價(jià)值。南華大學(xué)鄧攀[7]將微課與“交互式教學(xué)”“范例教學(xué)”“小組合作學(xué)習(xí)”等多種教學(xué)模式相結(jié)合，進(jìn)行多種教學(xué)模式試驗(yàn)，并對教學(xué)效果進(jìn)行評價(jià)，找出最優(yōu)化的教學(xué)模式。石河子大學(xué)趙咪[8]建議教學(xué)過程中積極開展開放性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，提高工程應(yīng)用能力。

近年來國際工程教育提出統(tǒng)籌構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）的CDIO工程教育模式。它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。強(qiáng)調(diào)工程基礎(chǔ)的、真實(shí)產(chǎn)品、真實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)行（CDIO）過程。國外經(jīng)典教材《自動控制原理與設(shè)計(jì)》很好的體現(xiàn)了這一思想，如以汽車巡航控制模型為導(dǎo)入，研究系統(tǒng)微分方程，求解系統(tǒng)傳遞函數(shù)。將理論和工程實(shí)際相結(jié)合，容易激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效率。

（3）重視利用微信、微課、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等現(xiàn)代化教學(xué)手段豐富教學(xué)。華北電力大學(xué)袁桂麗[8]開發(fā)了基于微信平臺的輔助教學(xué)，她認(rèn)為該模式不僅能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)"網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的不足，打破課堂教學(xué)的時(shí)空限制和原有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的局限性，還在此基礎(chǔ)上豐富了教學(xué)手段，增加了學(xué)習(xí)趣味，這一輔助教學(xué)不僅僅變革了教學(xué)形式，還改變了教學(xué)理念，使灌輸式學(xué)習(xí)變革為交互式學(xué)習(xí)，同時(shí)，更加注重學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量學(xué)習(xí)體驗(yàn)，它進(jìn)一步推動了教育信息化的發(fā)展，完善了教學(xué)內(nèi)容。東北大學(xué)王海芳[9]應(yīng)用慕課嘗試對該課程進(jìn)行了互聯(lián)網(wǎng)+的教學(xué)模式的教學(xué)改革探索。中國礦業(yè)大學(xué)李中凱[10]將雙語教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂模式引入控制工程基礎(chǔ)的教學(xué)過程，探討教學(xué)方法并分析實(shí)踐結(jié)果。

4 教學(xué)改革的一些建議

如果能夠找到一些機(jī)械工程實(shí)際案例，最好是學(xué)生專業(yè)領(lǐng)域常見的案例，針對這個(gè)控制系統(tǒng)，先建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，然后在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的時(shí)域分析、穩(wěn)定性分析、頻域分析、誤差分析展開討論和實(shí)例分析與設(shè)計(jì)，最后對系統(tǒng)整體性能進(jìn)行校正分析，校正后再驗(yàn)證，不斷優(yōu)化，最終得到一個(gè)穩(wěn)定的、快速的、準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)。整個(gè)過程是逐步推進(jìn)的，強(qiáng)調(diào)提出問題—分析問題—解決問題的思路，并在這個(gè)過程中將理論知識、實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系并達(dá)到連貫。這個(gè)過程最重要的是思想理念的轉(zhuǎn)變，讓學(xué)生先做，遇到問題，然后去學(xué)習(xí)解決該問題的知識點(diǎn)，去尋找解決該問題的方法。簡單來講就是解決問題過程中不斷完善學(xué)科知識，真正做到學(xué)以致用。

舉個(gè)例子，以倒立擺系統(tǒng)作為研究對象，或者Segway代步車這類使用反饋控制系統(tǒng)保持直立的案例。我們都知道倒立擺是一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng)，把解決這個(gè)問題分為兩個(gè)步驟，第一步先驗(yàn)證倒立擺是一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng)，我們可以先建立倒立擺的運(yùn)動微分方程，對微分方程求解拉普拉斯變換，求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，也可以通過運(yùn)動微分方程建立結(jié)構(gòu)圖，然后利用結(jié)構(gòu)圖化簡或梅遜公式求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。經(jīng)典控制理論里面系統(tǒng)穩(wěn)定性有三種方法，可以分組讓每組學(xué)生使用一種方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，學(xué)生通過這個(gè)過程學(xué)會了如何科學(xué)驗(yàn)證倒立擺系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。第二步要進(jìn)行校正，如何讓系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，讓學(xué)生去尋找能夠讓系統(tǒng)穩(wěn)定的方法，比如PID調(diào)節(jié)能夠達(dá)到理想的校正效果。

再例如多搜集一些這樣的案例，進(jìn)行分類整理，挑選幾個(gè)能夠把相關(guān)知識點(diǎn)都用到的案例作為必修內(nèi)容，留一些案例作為學(xué)生最終大作業(yè)，甚至可以以大作業(yè)的形式作為學(xué)生最終的成績。也可以鼓勵(lì)學(xué)生積極參加如機(jī)械創(chuàng)新大賽、機(jī)器人比賽等眾多賽事，以比賽的實(shí)物作為研究對象，如何讓該系統(tǒng)穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的執(zhí)行任務(wù)，最終寫成學(xué)習(xí)報(bào)告進(jìn)行匯報(bào)交流。

5 小結(jié)

本文分析了目前應(yīng)用型技術(shù)大學(xué)機(jī)械類專業(yè)控制工程基礎(chǔ)教學(xué)特點(diǎn)和現(xiàn)狀，通過將多個(gè)工程實(shí)際應(yīng)用問題，引導(dǎo)學(xué)生去解決這些工程問題。以倒推的方式，解決問題需要用到什么知識點(diǎn)或方法再去學(xué)什么知識點(diǎn)或方法。培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用意識，用真實(shí)的工程問題來檢驗(yàn)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]邵強(qiáng)，葛平舒，等.《控制工程基礎(chǔ)》課程的教學(xué)改革與探索[J].高教學(xué)刊2017（03）.

[2]宋強(qiáng).師會超.“控制工程基礎(chǔ)”課程中梅遜增益公式的應(yīng)用技巧[J].安陽工學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（03）.

[3]何一文.李珍.等.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程建設(shè)與教學(xué)改革探索[J]南陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（06）.

[4]趙楊.主動學(xué)習(xí)教學(xué)策略在控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].大學(xué)教育，2017（07）.

[5]景大雷.機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)初探[J].科教導(dǎo)刊，2016（05）.

[6]蘇盈盈.案例式教學(xué)模式下卓越工程師人才培培養(yǎng)改革探索[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2017（02）.

[7]鄧攀.等.獨(dú)立學(xué)院自動控制原理課程的微課開發(fā)與應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2017（05）.

[8]袁桂麗.王寶源等.基于微信平臺的自動控制原理輔助教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2017（02）.

[9]王海芳，褚天爭.基于慕課的機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程改革探索[J].江蘇科技信息，2017（10）.

[10]李中凱，侯昆峰.控制工程基礎(chǔ)的翻轉(zhuǎn)課堂雙語教學(xué)改革實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2016（12）.