司娟寧 郭陽(yáng)寬

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100192）

0 引言

近年來(lái)，工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證得到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。信息化時(shí)代，工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證對(duì)高校培養(yǎng)應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)人才提出了更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和要求，要將以學(xué)生為主體、以成果產(chǎn)出為導(dǎo)向、以持續(xù)不斷改進(jìn)這三大教育理念貫穿人才培養(yǎng)全過(guò)程[1，2]。緊扣學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，不斷改進(jìn)和探索教育模式和教學(xué)方法，增強(qiáng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新精神，提高解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

控制工程基礎(chǔ)是一門(mén)多學(xué)科交叉融合的基礎(chǔ)理論課，是測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課，理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)，要求學(xué)生具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底和專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式和教學(xué)方法已經(jīng)難以適應(yīng)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證和信息化時(shí)代應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的需求。因此，對(duì)控制工程基礎(chǔ)課程進(jìn)行教學(xué)改革是新時(shí)代培養(yǎng)高素質(zhì)、復(fù)合型人才的必然趨勢(shì)。

1 加強(qiáng)課堂教中的師生互動(dòng)

控制工程基礎(chǔ)課程包含大量的理論知識(shí)和抽象概念。本課程涉及的時(shí)域分析、根軌跡、頻率特性分析中包含大量的圖解方法。板書(shū)繪圖直觀生動(dòng)，但是繪圖過(guò)程煩瑣，耗費(fèi)了大量課堂學(xué)時(shí)，這在一定程度上降低了教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。結(jié)合多媒體教學(xué)，可以在幻燈片中顯示一階、二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)、根軌跡、奈氏（Nyquist）圖、或伯德（Bode）圖等，可以有效提高教學(xué)效率，但仍缺少曲線的動(dòng)態(tài)繪制過(guò)程。學(xué)生在課堂上學(xué)到的僅是老師事先準(zhǔn)備好的材料，很多情況下不能根據(jù)學(xué)生的要求現(xiàn)場(chǎng)展示不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的曲線變化，互動(dòng)性和實(shí)時(shí)性較差[3]。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，將MATLAB應(yīng)用于控制工程基礎(chǔ)課程的教學(xué)過(guò)程當(dāng)中，針對(duì)各章節(jié)中不同知識(shí)點(diǎn)演示不同問(wèn)題的MATLAB編程方法和求解過(guò)程，如控制系統(tǒng)建模、編寫(xiě)相應(yīng)的仿真程序、繪制曲線等，將抽象的理論知識(shí)與具體的響應(yīng)特性結(jié)合起來(lái)，幫助學(xué)生在加深對(duì)理論認(rèn)識(shí)的同時(shí)掌握MATLAB編程語(yǔ)言。MATLAB中可以任意修改模型參數(shù)，繪制模型的仿真曲線，并且與電路仿真以及實(shí)物電路的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)課堂的動(dòng)態(tài)演示和學(xué)生的反復(fù)練習(xí)，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生多思考、多動(dòng)手、多探索、多創(chuàng)新，從而大大提高教學(xué)效果。

2 構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式

實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)是密不可分的有機(jī)整體，二者相輔相成。在當(dāng)前工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證、一流專(zhuān)業(yè)建設(shè)、卓越工程師等教育背景下，要求高校在應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的過(guò)程中更加重視實(shí)踐教學(xué)的重要性，要將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新。

根據(jù)測(cè)控專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，進(jìn)一步改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，以Multisim和NI ELVIS III平臺(tái)為基礎(chǔ)，構(gòu)建由基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)組成的實(shí)踐教學(xué)方案，培養(yǎng)善于思考、樂(lè)于動(dòng)手、勤于探索的高素質(zhì)應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)人才。

2.1 基于Multisim軟件完成控制系統(tǒng)的電路仿真

由于控制基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)的實(shí)物電路通常較為復(fù)雜，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于對(duì)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和模型還不熟悉，錯(cuò)誤地連線、盲目地調(diào)節(jié)電位器、電容器等，很容易造成元器件的損壞或電路損壞。如果采用Multisim進(jìn)行硬件電路的仿真，提前在仿真環(huán)境中完成元器件參數(shù)的合理選擇、電路輸入輸出模型的測(cè)試，將會(huì)有效指導(dǎo)實(shí)物電路的搭建。如圖1所示為二階欠阻尼系統(tǒng)，1a為Multisim軟件的仿真電路；1b為該系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

圖1 二階欠阻尼系統(tǒng)仿真結(jié)果

2.2 基于NI ELVIS III平臺(tái)完成實(shí)物電路搭建和參數(shù)測(cè)量

NI ELVIS III是美國(guó)國(guó)家儀器公司提出的一種面向“新工科”的創(chuàng)新工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（見(jiàn)圖2），它將儀器和嵌入式設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的體驗(yàn)相結(jié)合，集成了一套常用的實(shí)驗(yàn)室儀器，包括模擬和數(shù)字I/O以及高性能嵌入式控制器，不僅可通過(guò)USB接口，還可使用WiFi和以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、便捷、快速的采集、測(cè)量和顯示[4，5]。本課程組選擇NI ELVIS III數(shù)據(jù)采集平臺(tái)作為控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)綜合創(chuàng)新平臺(tái)，配套的面包板可供學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)電路圖自由搭建實(shí)物電路，在動(dòng)手過(guò)程中更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。并利用平臺(tái)集成的示波器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)值萬(wàn)用表、邏輯分析儀、波特分析儀、可變電源等模塊，測(cè)量電路各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)。

圖2 虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3 構(gòu)建線上線下融合的多維教學(xué)資源庫(kù)

開(kāi)展線上線下融合的混合式教學(xué)是信息時(shí)代的必然選擇，有利于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)課堂轉(zhuǎn)型，提高教學(xué)質(zhì)量[6]。將線上教學(xué)與線下教學(xué)有機(jī)融合，充分發(fā)揮二者的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合本校實(shí)際情況，構(gòu)建“以學(xué)生為本”的線下線上融合的多維教學(xué)資源庫(kù)。具體來(lái)說(shuō)，基于學(xué)習(xí)通軟件構(gòu)建教學(xué)資源庫(kù)，使學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)不受時(shí)間、地域的限制。根據(jù)控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)大綱的要求細(xì)化知識(shí)點(diǎn)，有針對(duì)性地設(shè)置不同難易程度的任務(wù)點(diǎn)，主要形式包括視頻、文檔、測(cè)試等，覆蓋課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)等各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)?？疾閷W(xué)生對(duì)任務(wù)點(diǎn)的完成時(shí)間、完成程度、正確率、反復(fù)學(xué)習(xí)次數(shù)等，進(jìn)行多維度綜合考評(píng)。通過(guò)學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行考勤簽到、選人回答、小組討論、資料分享、收發(fā)作業(yè)等師生互動(dòng)。

另外，錄制課堂教學(xué)的視頻并及時(shí)發(fā)布在線上教學(xué)平臺(tái)，方便學(xué)生能夠結(jié)合自身情況有針對(duì)性地回放和復(fù)習(xí)。此外，學(xué)習(xí)通平臺(tái)還擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)資源，包括圖書(shū)庫(kù)、期刊庫(kù)及精品課程等資源，方便感興趣的同學(xué)拓寬視野。在整個(gè)“教”與“學(xué)”的過(guò)程中，教師是組織者和引導(dǎo)者；學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，有效地將傳統(tǒng)課堂中以知識(shí)講授為主的被動(dòng)式學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪W(xué)生為中心的主動(dòng)式學(xué)習(xí)模式。課堂不再是教師灌輸知識(shí)的場(chǎng)所，而是師生共同解決問(wèn)題、教學(xué)相長(zhǎng)的殿堂。

4 優(yōu)化課程評(píng)價(jià)體系

根據(jù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和課程教學(xué)大綱，并結(jié)合本校學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況，優(yōu)化和改進(jìn)控制工程基礎(chǔ)的課程評(píng)價(jià)體系。堅(jiān)持以學(xué)生為主體，以提高學(xué)生綜合素養(yǎng)為目標(biāo)的主體思想，構(gòu)建多元化、開(kāi)放化的課程綜合評(píng)價(jià)體系。除了常規(guī)基礎(chǔ)理論的閉卷考試，更加注重過(guò)程考核。把學(xué)生的隨堂小測(cè)、課程實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)等納入考核。此外，從學(xué)生個(gè)人的自評(píng)、同學(xué)之間的互評(píng)以及教師的點(diǎn)評(píng)等多個(gè)角度入手，進(jìn)一步優(yōu)化控制工程基礎(chǔ)課程考核評(píng)價(jià)體系，從而進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行深入分析，通過(guò)學(xué)生的課程達(dá)成度評(píng)價(jià)以及學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋等方面綜合評(píng)價(jià)。對(duì)于教學(xué)過(guò)程中的短板進(jìn)行深入分析和評(píng)價(jià)，堅(jiān)持評(píng)價(jià)——改進(jìn)——再評(píng)價(jià)的閉環(huán)模式，不斷改進(jìn)和完善教學(xué)方法和手段，提高教學(xué)質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和新時(shí)代人才培養(yǎng)需求的不斷變化，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行與時(shí)俱進(jìn)的改革和優(yōu)化是控制工程基礎(chǔ)課程發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文在新工科、工程認(rèn)證、卓越工程師、一流專(zhuān)業(yè)建設(shè)等教育背景下，提出了多元融合的控制工程基礎(chǔ)教學(xué)改革，對(duì)教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)、教學(xué)資源構(gòu)建、課程評(píng)價(jià)體系等進(jìn)行改革與探索，旨在進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)。