面向“卓越计划”的“控制工程基础”教学改革探索

面向“卓越计划”的“控制工程基础”教学改革探索作者：张段芹王辉来源：《中国电力教育》2013年第20期摘要：随着智能化、信息化、数字化技术的迅速发展，“控制工程基础”作为众多工科院系的专业基础课，其在工程技术领域中的重要性日益明显。

面向“卓越工程师教育培养计划”，培养具有工程实践能力与创新能力的高质量工程技术人才成为本课程重要的一项教学目标。

分析了本课程教学中存在的若干问题，提出理论教学中的“5化”措施，培养学生对本课程的感性认识与理性认识；通过多样化的实验教学培养学生综合应用专业理论知识与工程实践能力，探索为我国现代制造业发展培养机械类卓越工程师的途径。

关键词：控制工程基础；卓越计划；教学改革；实践教学作者简介：张段芹（1981-），女，河南浚县人，郑州轻工业学院机电工程学院，讲师；王辉（1977-），男，河南信阳人，郑州轻工业学院机电工程学院，讲师。

（河南郑州450002）基金项目：本文系郑州轻工业学院项目（项目编号：000153）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）20-0072-02教育部启动“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”），旨在培养创新能力强、适应经济社会发展高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。

[1]机械制造业是国民经济发展的重要支柱，随着智能化、信息化、数字化的迅速发展，“控制工程基础”作为机械类工科院系的专业基础课，其在工程技术领域中的重要性日益明显。

面向“卓越计划”，“控制工程基础”的教学目标不仅是培养工科本科生掌握基础控制理论知识，而且要求培养学生具有工程实践能力与创新能力。

本课程理论性和抽象性较高，并且涉及知识面广、可实践性强，按照传统的教学方法很难引起学生的学习兴趣和主动性，影响教学质量，对学生综合分析能力与工程实践能力的培养极其不利。

[2]面向“卓越计划”的“控制工程基础”课程的教学改革是迫切需要解决的问题。

根据对这门课多年的教学实践，总结出本课程教学中存在的若干问题；针对这些问题提出教学改革的方案，并分析教学改革的成效。

一、教学中存在的若干问题“控制工程基础”课程的理论性与实践性均很强，课程安排通常由理论教学与实践教学组成。

理论教学的重点是将“控制工程基础”中的基本理论、基本概念、基本分析方法与工程应用思路等传授给学生。

实践教学的重点是指导学生如何将理论知识应用在工程实践中，培养学生的工程能力与创新能力。

围绕本课程理论教学与实践教学的培养目标，在教学中主要存在以下若干问题：1.学生对预备基础知识掌握不足“控制工程基础”是一门综合性很强的专业基础课，其基本理论与分析方法的展开依赖高等数学、复变函数、大学物理、机械学与电工学等基础理论知识。

目前普通二本院校的学生对这些基础知识的掌握情况往往不容乐观，导致学生学习本课程的难度增大。

2.学生缺乏对本课程的基本认识，学习积极性不高“控制工程基础”的理论体系是对机械工程中众多的实际动力学问题的高度概括与凝炼。

控制理论中的基本概念抽象度较高，部分学生会问“这门课这么难学，学了有什么用呢”。

这个问题可能会贯穿整个理论教学中。

学生没有对本课程形成应有的最基本感性认识，学习积极性不高。

3.实践教学内容的合理性有待完善本课程作为工程类专业的必修课，大都开设相关的实践教学环节。

目前，实践教学环节存在的问题有：实践环节与理论教学脱节，主要体现在实践环节内容没有起到辅助理论教学的作用，没有体现对理论体系的综合应用；学生对实践环节重视不足。

4.理论实践教学内容繁多与相对课时较少之间的矛盾本课程涉及知识面广，理论性与实践性均很强，能够让学生系统性地学习并吸收相关基础理论知识，并将这些理论认识转变为实践能力。

相对较少的课时与繁多的理论实践教学内容之间的矛盾突出，如何在有限的时间内完成理论与实践教学内容是本课程艰巨的任务。

二、教学改革措施1.课堂采用信息化教学课堂教学以多媒体方式为主，将理论教学环节信息化，具体表现为教学内容的“5化”处理，即抽象概念具体化、复杂原理简单化、数学计算仿真化、分析方法案例化与理论体系系统化，让学生主动成为课堂教学信息的加工处理者，由教师与学生共同作用，提高教学的质量与效率。

[3]抽象概念具体化集中体现在第一章内容（控制工程基础绪论），如工程控制论的研究对象、反馈、稳定性等概念抽象性比较强，应结合工程实际案例，采用图示法或视频观摩法为学生讲解其中蕴含的共性问题，引出这些抽象概念。

例如讲解控制论的研究对象时，多数教材以质量—阻尼—弹簧系统为例进行展开，但是此模型对于没有太多实践经验的本科生来说仍然显得抽象性与理论性太强。

所以在课堂教学中，教师有必要从原始实际案例出发引出质量—阻尼—弹簧模型，如降落伞打开过程或汽车减震系统。

复杂原理简单化是指将原理的表述简化，使学生在较短的时间内了解原理内容、原理的应用，而对复杂的原理推导点到为止，学习精力充沛的学生可以在课下慢慢吸收与体会。

如讲解奈奎斯特（Nyquist）稳定判据时，首先指明此判据是用于判断闭环系统的稳定性。

如何判断呢？根据其开环传递函数所对应的开环频率特性曲线即Nyquist图逆时针包围点（-1，j0）的圈数N决定；如果N等于开环传递函数在[s]平面的右半平面的极点数P，那么相应的闭环系统稳定；反之，闭环不稳定。

当学生了解此判据后，再向学生讲解如何利用辐角原理、开环与闭环传递函数的零极点关系推导判据。

这样讲解不仅可以提高效率，而且兼顾不同层次的学生。

基础知识薄弱的学生即使不理解判据推导过程，仍可以形成对此稳定判据的基本认识和应用，不会对其学习的积极性造成太大的伤害。

数学计算仿真化是指将MATLAB软件引入课堂，简化繁琐的数学推导过程，并提高教学效率。

控制论中传递函数、时域分析与频率分析中涉及高等数学与复变函数等方面的内容，在讲解这些时，复习拉普拉斯变换与反变换的定义、相关定律与拉氏反变换的求法是必要的，但点到为止最好，讲得太多会增加部分学生的学习压力。

例如在分析系统的时间响应时，只要求学生了解采用拉氏变换能够求解系统时间响应，具体的时间响应结果采用MATLAB软件求解，通过图形绘制命令给出响应曲线。

数学计算仿真化的优势是提高授课效率，促进学生了解MATLAB软件的各部分功能，为MATLAB用于控制系统仿真打基础。

分析方法案例化是指对于涉及的控制系统，尽可能以真实的控制系统为例，通过实际系统的真实照片的播放直观了解系统的组成部分与相互间的联系。

例如在学习闭环控制系统的组成与工作原理时，以恒温箱控制系统为案例，介绍系统的组成（被控对象、执行器、传感器与控制器），各组成部分的功能与特性以及整个系统的工作原理。

理论体系系统化是指在学习各章节时考虑全局，如本课程以控制系统的基本要求“稳、快、准”为主线，各章节均以此展开，整个课程有一个系统性很强的完整理论体系。

并且在课堂中，通过典型控制系统的数学建模、MATLAB仿真响应特性，综合分析系统的稳定性、快速性与准确性。

2.实验教学面向工程实践能力培养为实现理论性与实践性的有机结合，培养学生主动运用基本控制理论思考实际工程问题的能力，需要在实验教学中开展内容与形式多样化的实验教学。

[4]本课程实验采用观摩式实验、仿真性实验、综合性实验与设计性实验教学。

观摩式实验针对真实的典型控制系统进行观摩，在了解系统的硬件组成基础上了解软件（或控制算法）的控制作用，对系统的工作原理与性能进行分析。

例如在实验室实地观摩电机调速控制系统与科研项目中涉及基于压电驱动的微纳定位控制系统。

观摩式实验培养学生对控制系统的感性认识，并且激发学生学习控制理论的激情。

另外，对于典型的简单控制系统的设计过程与运行情况可以制作成录像，通过观看视频加速学生对实际控制系统的认识。

观摩性实验费时较少，时间安排往往在学习第一章绪论时开始，在此后的学习中不间断进行。

仿真性实验与综合性实验侧重于MATLAB软件及其仿真工具箱Simulink在控制工程中的应用。

实验内容包括利用MATLAB软件进行系统的时域分析与频率分析；利用Simulink对系统进行数学建模、仿真与性能分析，以及经典PID的控制原理仿真。

设计性实验是综合性非常高的实验。

[5]学生根据设计题目，通过查阅相关文献资料与信息，整理资料，提出系统的整体设计方案（选择合适的执行器、传感器与控制用硬件）；再通过数学建模、系统性能仿真分析、控制算法的融入进行系统的校正，得到满足要求的详尽方案；通过搭建硬件与编写程序，进行实验与数据处理，对实际系统的性能进行分析。

通过设计性实验不仅将基本控制理论用于实际控制系统中，而且将其他相关学科的知识融入，培养学生综合应用专业理论知识的能力与实践动手能力。

为了节约有限的实践教学课时，部分视频观摩式实验与部分仿真性实验以作业的形式让学生利用课余时间完成。

对于设计性实验，课堂中给出设计题目，总体方案需要以作业的形式提交。

三、结论“控制工程基础”是大机类专业一门重要的专业基础课，具有很强的理论性与实践性。

积极推进理论与实践教学改革，在理论教学中实施教学内容的“5化”处理，通过引入实际工程案例、MATLAB软件与深入浅出的教学风格，降低本课程的学习难度，提高学生学习的自主性，培养学生对控制理论从感性认识到理论认识的转变。

实践教学的多样化不仅辅助理论教学，有利于学生加深对控制理论的感性认识，而且综合性与设计性实验有助于培养学生综合应用专业理论知识的能力与实践动手能力。

“控制工程基础”的教学改革面向“卓越计划”，对在工程技术领域培养高素质应用型的卓越工程师具有重要意义。

参考文献：[1]林健.“卓越工程师教育培养计划”通用标准研制[J].高等工程教育研究，2010，（4）：21-29.[2]杨叔子，杨克冲，吴波，等.机械工程控制基础[M].第六版.武汉：华中科技大学出版社，2011.[3]刘贵富.大学信息化教学模式研究[J].电化教育研究，2006，（10）：58-61.[4]梁双翼，尹辉俊，宋世柳.面向实践能力培养的《机械工程控制基础》教学探索[J].装备制造技术，2012，（3）：195-197.[5]齐晓慧，董海瑞，李建增，等.自动控制类基础课程实践教学体系的探索[J].实验室研究与探索，2005，（S1）：202-205.（责任编辑：刘辉）。