黃雙 張海峰

摘? ?要：適應(yīng)科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的新形勢(shì)，為培養(yǎng)具有實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才，本文在新工科的背景下，對(duì)現(xiàn)階段《控制理論基礎(chǔ)》課程在教學(xué)過(guò)程中，存在授課形式單一、教學(xué)內(nèi)容陳舊和師資隊(duì)伍建設(shè)不足等問(wèn)題，提出融入新的教學(xué)內(nèi)容、使用現(xiàn)代教學(xué)工具、合理建設(shè)師資隊(duì)伍、增加課堂教學(xué)互動(dòng)、課程思政融入其中等改革措施，為提高《控制理論基礎(chǔ)》教學(xué)水平和質(zhì)量而積累經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：新工科? 控制理論基礎(chǔ)? 教學(xué)模式改革

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（c）-0181-02

Abstract： To adapt to the new situation of scientific and technological revolution， and cultivate high-quality compound talents with strong practical ability， innovative ability and international competitiveness， this paper puts forward some suggestions on how to integrate the single teaching form， obsolete teaching content and inadequate construction of teachers in the current course of "Control Theory Basis" under the background of “Emerging Engineering Education”. In order to improve the teaching level and quality of “Control Theory Basis”， we should adopt new teaching contents， use modern teaching tools， reasonably construct teachers， increase classroom teaching interaction and integrate curriculum ideological and political education.

Key Words： Emerging Engineering Education; Control Theory Fundament; Reform and Exploration of Teaching Mode

1? 引言

2017年2月，教育部啟動(dòng)新工科建設(shè)以來(lái)，工程教育領(lǐng)域各類高校、專家和學(xué)者已凝聚廣泛共識(shí)，工程科技人才培養(yǎng)的新理念、新標(biāo)準(zhǔn)、新模式、新方法、新技術(shù)和新文化正在加速形成，為全面振興我國(guó)本科教育攻堅(jiān)戰(zhàn)打響了第一炮[1]。新工科要求將智能制造、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器人等用于傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造。相對(duì)于傳統(tǒng)的工科人才，在新工科教學(xué)模式下培養(yǎng)的是實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才[2-3]。

《控制理論基礎(chǔ)》是我校機(jī)械類大三學(xué)生的學(xué)科基礎(chǔ)必修平臺(tái)課，學(xué)生在修讀《控制理論基礎(chǔ)》前應(yīng)具備高等數(shù)學(xué)、電工電子等方面的知識(shí)儲(chǔ)備[4-6]。學(xué)習(xí)《控制理論基礎(chǔ)》主要解決兩個(gè)問(wèn)題：（1）分析某個(gè)給定控制系統(tǒng)的工作原理、元器件組成和分析系統(tǒng)穩(wěn)定品質(zhì);（2）根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并用機(jī)、光、電、液壓元件或設(shè)備等來(lái)實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)。學(xué)習(xí)完這門課程后，學(xué)生應(yīng)對(duì)經(jīng)典控制理論有全面的認(rèn)識(shí)，能應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)針對(duì)具體的對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型并求解，并針對(duì)機(jī)械工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行過(guò)程分析、設(shè)計(jì)、制造、控制與優(yōu)化。該門課程為后續(xù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)》、《智能控制系統(tǒng)》及《機(jī)電傳動(dòng)控制》等課程提供理論基礎(chǔ)。因此，《控制理論基礎(chǔ)》在教學(xué)培養(yǎng)體系中占有重要地位。

2? 現(xiàn)階段《控制理論基礎(chǔ)》教學(xué)中存在問(wèn)題

在新工科的背景下，要求課程適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，但如今《控制理論基礎(chǔ)》在教學(xué)中仍存在很多問(wèn)題。

（1）授課形式單一。

如今，我們教師基本都采用黑板板書與PPT相結(jié)合的方式進(jìn)行授課，但是還是沒(méi)有擺脫以往推導(dǎo)公式、講解例題，然后習(xí)題練習(xí)的模式。在公式推導(dǎo)過(guò)程中，學(xué)生感到枯燥乏味，老師講解起來(lái)也十分困難。針對(duì)一些繪制過(guò)程，如奈氏圖、伯德圖及根軌跡的繪制過(guò)程復(fù)雜，學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)掌握。

（2）教學(xué)內(nèi)容陳舊。

《控制工程基礎(chǔ)》涉及到的是經(jīng)典控制理論，這些控制理論非常成熟，所選書本上的例題也十分陳舊。例如，在數(shù)學(xué)建模部分，所選例子為彈簧-阻尼-質(zhì)量系統(tǒng)和RC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這些例子簡(jiǎn)單，便于列出各部分的微分方程，對(duì)講解數(shù)學(xué)模型建立過(guò)程有很大的幫助。但同時(shí)，這些例子過(guò)于簡(jiǎn)單，不能吸引學(xué)生的注意力。

（3）師資隊(duì)伍建設(shè)不足。

在《控制理論基礎(chǔ)》的課程師資團(tuán)隊(duì)中，有部分年輕老師雖然理論知識(shí)豐富，但是缺乏足夠的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不能將這些控制理論運(yùn)用到實(shí)際的工程系統(tǒng)中，理論和實(shí)際不能很好地相結(jié)合，導(dǎo)致在教授過(guò)程中與實(shí)際脫節(jié)。

3? 新工科背景下《控制理論基礎(chǔ)》教學(xué)模式改革與探索

（1）融入新的教學(xué)內(nèi)容和使用現(xiàn)代教學(xué)工具。

隨著新的控制理論技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)融入一些新的控制理論概念。如在對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的概念進(jìn)行介紹時(shí)，教科書上的例子是恒溫控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等，學(xué)生對(duì)這些興趣不大?？梢约尤胍恍┳钚碌目萍汲晒?，如AlphaGo大戰(zhàn)李世石、無(wú)人機(jī)這些先進(jìn)的閉環(huán)控制實(shí)例。在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，可以將控制對(duì)象換成四旋翼直升機(jī)、獨(dú)輪電動(dòng)車等，這樣會(huì)吸引學(xué)生濃厚的興趣。

在《控制理論基礎(chǔ)》的教學(xué)過(guò)程中，可以適當(dāng)采用一些現(xiàn)代教學(xué)工具，讓學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解。如，Matlab軟件可以分析控制理論中開(kāi)環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的特性。利用rlocus命令可以繪制根軌跡，nyquist命令可以繪制系統(tǒng)奈氏圖，bode命令可以繪制系統(tǒng)伯德圖。另外，PID 控制器設(shè)計(jì)工具PIDTool，可以通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)比例、微分、積分環(huán)節(jié)的參數(shù)，得到各參數(shù)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。應(yīng)用這些現(xiàn)代教學(xué)工具時(shí)，不要求學(xué)生對(duì)這些現(xiàn)代工具掌握的特別熟練，而是讓學(xué)生對(duì)現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)技術(shù)有一定的了解，知道有這些技術(shù)的存在，在以后的工作崗位中可以隨時(shí)拿來(lái)用。

（2）合理建設(shè)師資隊(duì)伍。

《控制理論基礎(chǔ)》是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程。在基礎(chǔ)理論部分，可以由具有深厚理論儲(chǔ)備的資深教師講授。而在后面的實(shí)踐應(yīng)用環(huán)節(jié)，如系統(tǒng)校正部分，可以邀請(qǐng)一些實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)豐富的企業(yè)工程師來(lái)進(jìn)行講授，結(jié)合他們平時(shí)所遇到的一些實(shí)際問(wèn)題，分析解決方案。這樣不僅能彌補(bǔ)教師實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，還能讓學(xué)生對(duì)知識(shí)理解的更為透徹。

（3）增加課堂教學(xué)互動(dòng)。

在目前的教學(xué)模式中，一般以教師講授、學(xué)生聽(tīng)課為主，在這種教學(xué)模式下，學(xué)生的參與感降低，學(xué)習(xí)積極性不高。在以后的教學(xué)中，可以嘗試將授課按照做項(xiàng)目的形式進(jìn)行下去。如，將學(xué)生分為3～4人一組，針對(duì)不同參數(shù)的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，每小組對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)建模、穩(wěn)定性分析、PID控制，還可以采用串聯(lián)校正、反饋校正、順饋校正和干擾補(bǔ)償?shù)却胧?duì)系統(tǒng)進(jìn)行修正。在學(xué)生自己動(dòng)手完成這些要求后，會(huì)對(duì)涉及到的理論知識(shí)有一個(gè)全面的認(rèn)知。

（4）課程思政融入其中。

《控制理論基礎(chǔ)》是機(jī)械專業(yè)學(xué)生一門重要的專業(yè)必修課程，通過(guò)挖掘《控制理論基礎(chǔ)》的思想政治價(jià)值元素，將德育教育、職業(yè)道德和價(jià)值觀、世界觀、人生觀的思考融入專業(yè)知識(shí)的教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感和認(rèn)同感，愛(ài)崗敬業(yè)、辦事公道、奉獻(xiàn)社會(huì)的職業(yè)精神，形成唯物主義辯證思維，加深對(duì)自我的認(rèn)識(shí)，做一個(gè)內(nèi)外兼修、對(duì)社會(huì)有積極貢獻(xiàn)、具有家國(guó)情懷的高級(jí)人才。通過(guò)對(duì)《控制理論基礎(chǔ)》的教學(xué)，在潛移默化中讓學(xué)生樹(shù)立正確的中國(guó)特色社會(huì)主義堅(jiān)定信念，為實(shí)現(xiàn)共產(chǎn)主義而奮斗終生。（1）通過(guò)分析控制領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，分析在國(guó)家提出“中國(guó)制造2025”的大環(huán)境下所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力和勇氣;（2）介紹傳遞函數(shù)的八個(gè)典型環(huán)節(jié)，分析系統(tǒng)工程中分工與合作精神，對(duì)學(xué)生進(jìn)行職業(yè)道德教育，領(lǐng)悟工匠精神，傳遞愛(ài)崗敬業(yè)、辦事公道、奉獻(xiàn)社會(huì)的職業(yè)精神;（3）通過(guò)快速性、穩(wěn)定性和精確性三個(gè)性能指標(biāo)之間的相互關(guān)系，揭示辯證唯物主義的矛盾論，要求分析主要矛盾和次要矛盾，要求學(xué)生具備用辯證的眼光看問(wèn)題，進(jìn)而闡述和諧集體、和諧社會(huì)的思想;（4）通過(guò)分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量，分析做人做事要留有余地，闡述“度”的哲學(xué)觀點(diǎn)，提醒學(xué)生具有謙卑的求學(xué)和處世態(tài)度;（5）分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和降低穩(wěn)態(tài)誤差的主要措施，要求承認(rèn)矛盾的普遍性、客觀性，用科學(xué)把握取人之長(zhǎng)與補(bǔ)己之短的關(guān)系，善于發(fā)現(xiàn)短板、分析短板、補(bǔ)好短板，個(gè)人和社會(huì)才能有更好的發(fā)展。

4? 結(jié)語(yǔ)

在新工科背景下，對(duì)傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造中，針對(duì)《控制理論基礎(chǔ)》存在的授課形式單一、教學(xué)內(nèi)容陳舊和師資隊(duì)伍建設(shè)不足等問(wèn)題，提出融入新的教學(xué)內(nèi)容、使用現(xiàn)代教學(xué)工具、合理建設(shè)師資隊(duì)伍、增加課堂教學(xué)互動(dòng)、課程思政融入其中等改革措施，將《控制理論基礎(chǔ)》課程打造成為生動(dòng)、有趣的實(shí)踐類課程。

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