控制工程基础课程教学改革实践论文

控制工程基础课程教学改革实践论文

　　（一）

　　一、目前课程教学中存在的问题

　　1.1具体来讲，有以下几个方面的问题

　　（1）内容多，学时少

　　本课程是一门较为开放的学科，涉及的数学知识、电子技术等其他学科的内容越来越多，尤其是随着计算机的发展，新内容不断涌入，控制论的知识越来越丰富，然而在教学过程中，学时却被一再压缩，目前已减少至38～40学时（其中还有4个学时的实验内容），教学内容多、课时少的矛盾越来越突出。

　　（2）实验单一，理论与实践脱节

　　实验是理论教学的不可或缺的有益补充，同时也是提升学生主动学习的积极性和原动力的主要方面，然而，目前由于近几年招生规模的扩大，实验室设备明显不足，通常采用三、四个学生一组的方式，就造成学生没有动手的机会，更给缺乏学习主动性的部分学生提供不做实验的借口，而且实验室所开设的实验大都是验证性实验，缺少综合性、设计性和创新性实验，造成学生理论与实验、实践环节脱节，根本无法满足不同学习层次的学生的需要。

　　（3）教学方式单一

　　在传统的教学模式中，教师和教科书是信息传递的主要媒介，还有黑板、粉笔、挂图、模型、仪器等，虽然有教师采用多媒体教学，但仍停留在以PowerPoint演示文稿为载体，照搬教材文字和内容进行教学的方式，起不到应有的教学效果，这已大大不适应信息社会对《控制工程基础》教学的要求。

　　（4）考核方式单一

　　在中国传统教育中，考试作为评价学生学习过程和教师教学活动的唯一标准和方式，抹杀了个别学生的个性发展，这种考核方式不对学生的创新能力进行评价，必然导致部分学生在学习该课程时，过分追求考试结果而忽视学习过程，忘记了学习的本质，丧失了学习的动力，同时教师也缺乏进行教学内容和方法创新的动力。

　　二、课程教学改革的若干方法与实践

　　为适应高等教育改革进一步发展的趋势，满足培养应用型机械工程技术人才的需要，我们课题组全体教师对《控制工程基础》课程进行了一些有益的改革和实践，具体如下。

　　（1）优化教学内容

　　根据控制理论的学科的发展趋势，结合我校对机械类工科学生的人才培养的整体要求，教研室全体教师集体讨论，在既注重强调基础训练、抽象思维能力及综合应用能力的培养又符合时代特色和学科自身发展规律的基础之上，制定新的教学大纲，优选合适的教材，优化整合教学内容：增加了实际工程中经常用到的根轨迹法和现代控制论的初步内容，强化MATLAB软件在控制领域的应用内容，删去一些不够典型且已陈旧的例题和习题，取而代之的是与工程应用结合紧密、具有代表性的习题和例题，精简了一些要求过高的内容，比如高阶系统的时间响应分析、信号流图和Mason公式以及赫尔维茨判据内容，既减轻学生的负担，又能保证对控制论整体知识的理解和掌握。

　　（2）加强实验教学

　　注重理论教学和实验教学的结合，针对以往实验教学过程中的不足，在实验内容设计时，正确处理课程内容的技术性、综合性和探索性的关系，以验证性实验为基础，加大综合性、设计性和创新性实验的比例，在已有2个实验的基础上增加了系统的频率特性测试及校正、PID调节器设计等实验，这些内容突破传统的实验模式，既有实物的实验，也有计算机软件模拟仿真的实验，例如我们在针对一阶系统、二阶系统的典型输入信号的时域响应的实验时，我们只给出实验目的和实验原理，让学生自己设计实验方案，一种是在实验室搭建真正的电路，另一种是采用计算机仿真软件如MATLAB或MULTISIM实现，或者让二者结合，互相验证，从而使学生发挥自己的主观能动性和创造力，结合自己的兴趣点，完成实验内容，达到实验教学的目的。

　　（3）教学手段多样化

　　将多媒体教学与传统教学科学合理地有机结合，有效提高课堂教学效率。对于多媒体课件，一定要精心组织内容，绝对不作教材内容的“搬运工”。课件将工程实践中与教学相关的图片、视频等形象、直观地向学生展示，信息量大，且时常更新，做到短时间内传递大量信息，抽象的理论与具体的工程实物结合，有效地弥补了教材的不足，使学生的理解、体会更加深刻，顺利地突破这些教学重点和难点。在使用多媒体课件授课时，绝对不局限于仅仅做一个幻灯片的播放者，不能一味地依赖课件，一定要结合黑板板书等传统的授课形式，或者做一些简单的推导和证明，注意学生课堂上的反应，对学生进行启发，调动学生积极参与课堂讨论，既做到在有限的课堂提供给学生尽量多的信息，又尽可能地留给学生做笔记的时间和思考问题的空间，加深学生对问题的理解运用，使教学效率及效果得到真正意义上的提高。

　　（4）建立信息反馈平台，教学相长

　　教师向学生传授知识的过程，从控制论的角度来说，理想状态应该是一个带有信息反馈的过程。所以，如果要达到理想的教学目的，在教学实践中，有效的信息反馈平台必不可少，我们采用利用网络、QQ群、课外学习小组、课后作业、课后答疑、平时测试、课堂提问等多种方式，有效地和学生建立了学习情况的反馈机制，通过这个平台，根据教师可以根据学生对已学知识的掌握情况，及时研究和调整教学方法，适时改变教学进度和节奏，教学相长，把教师和学生这两个不同的主体紧密的联系起来，使得教师应传授的知识与学生实际掌握的知识的误差趋近于零。

　　（5）丰富考核方式

　　根据控制工程基础对理论性和实践性要求都比较强的特点，在课程考核方面，我们尝试采取理论考核、实验考核和平时考核三者结合起来进行综合评价，合理分配三者之间的比例，其中平时考核占20%，主要由平时上课出勤情况、作业完成情况、课堂回答问题情况等组成，实验考核占30%，主要从实验态度、动手能力、创新能力、完成情况、实验报告等组成，考试占50%，采用开卷和闭卷相结合的灵活方式，对于常识性、客观性的内容采用闭卷形式，开卷主要以主观应用型题目为主，避免学生花大量时间死记硬背公式，着重考核学生对知识的深入理解和灵活应用能力。

　　三、结语

　　《控制工程基础》作为工科机械类专业中的一门核心课程，对学生的工程能力的培养是具有重要意义的。教学改革的目的是提高教学效果，培养学生学习的主动性和积极性，从而培养学生在工程实践中的创新意识和创新能力。多年来，我们教研室全体教师一直以此为目标，不断更新教育观念，积极尝试进行教学的改革和探索，初步形成具有校院自身特色的教学模式，达到了较满意的教学效果，教学质量得到了持续改善，适应对工程应用型人才的培养需求。

　　作者：赵转哲 许德章 裴九芳 王海 陈玉 单位：安徽工程大学机械与汽车工程学院

　　（二）

　　一、传统教学方法中存在的问题

　　1.传统理论授课分析

　　本课程传统课堂授课过程中，主要以教师为主，学生只是被动接受知识。授课教师从传递函数讲起，引出时域分析方法和频域分析方法，然后讲解根轨迹和控制系统的综合校正方法。这个授课过程和步骤比较适合于基础较好的学生，苏州科技学院（以下简称“本校”）本专业主要为本二及本三的学生开设，学生相对基础较弱。不仅如此，机械专业先修课程中的“复变函数”一课是考查课，不作为考试课，因此学生们对知识理解不够深入，对于空间的概念、变换的概念也没有完全建立起来。在这样的条件下，进行“控制工程基础”的理论授课，讲拉氏变换，讲空间，讲频域变换，学生们就普遍反映课程难学，听不懂。由此，上课睡觉的情况也逐渐增多，课堂纪律无法保证。面对这样的问题，针对本专业学生基础和特点，改革传统的授课方法及授课内容，迫在眉睫。

　　2.传统实验环节分析

　　本课程的传统实践环节一般进行MATLAB软件上机实验。MATLAB软件功能强大，可以进行控制系统相关的时域方法验证、频域方法验证，同时还可以针对控制系统让学生设计校正装置，被许多学校采用作为课程的实验环节软件。然而，对于本专业学生，由于学生的基础相对不好。经过2年的MATLAB上机实验，两届学生都反映用该软件上机效果不好，不够直观，虽然曲线做出来，是怎么回事还是不明白。学生反映就是在simulink里面用模块搭来搭去，在MATLAB里不停的写程序语言写m文件，而又由于学生的c语言基础不扎实，反而增加了学习的难度，降低了学习的兴趣。因此，在实践环节上，也需要构造和本专业学生契合的实践环节。

　　3.传统教学考核分析

　　传统课程的考核以闭卷考试作为考核手段，学生往往在期末突击复习。加上平时听课效果不能保证，所以期末集中学习的效果并不好，大部分学生的考试成绩总是集中在及格分数段，优秀的很少。基于这一点，应该寻找加强学生平时学习的方法，改革平时考核和期末考核的方法手段，尽最大可能让学生学到知识，考查学生的学习能力和对知识的掌握水平。基于以上分析，针对本专业学生的特点，迫切需要寻找适合的理论教学方法、实践教学方法和考核方式。

　　二、教学改革具体措施

　　经过笔者的探索，“控制工程基础”课程的改革具体措施主要集中在以下几个方面：课堂教学方法，将实例教学与理论教学紧密结合；实践教学，将传统的MATLAB软件环境实验改为实物实验；将课程考核方式进行改革，不仅依靠期末卷面成绩，还加入平时环节，更加适用于本专业学生，具体手段措施如下。

　　1.探索理论教学方法

　　本校机械设计制造及其自动化专业的“控制工程基础”课程每周上4个课时，学期总的理论课时为64课时，实验10课时。在理论授课中，课程大纲中删掉了关于现代控制理论的一章内容。主要考虑到学生们理解能力有限，学习能力有限，面对内容繁多的经典控制理论的掌握不够扎实，讲解现代控制理论的内容，并不能起到为学生打造全局观的目的，反而占用了本来不多的课时。经过3年的实施，笔者将有限的课时数全部放在经典控制理论中，给学生讲清楚讲明白，事实证明比之前的教学效果显著。同时，在教案和多媒体课件制作的过程中，添加了很多机械专业相关的实例和实际生活的实例，课程的每一个知识点都以实例引出。例如在引入传递函数，讲述控制系统的概念时候，由汽车驾驶方向盘转动引出反馈的概念，再根据淋浴器烧水给学生加深反馈控制的概念。在教学中大量加入机械实例，离心调速机、机器人关节、数控机床、自动导引车、柔性制造系统等等，让学生们认识到这门课不是空中楼阁似的理论，而是实实在在存在于专业中，存在于以后的工作中。授课的同时，鼓励学生多观察生活中的反馈控制应用实例，鼓励学生思索。曾经有学生主动提出问题“正反馈与负反馈有什么区别”，正是由于加入了大量的实例，教学氛围变好。同时注意随时督促学生注意知识的连贯性，前后联系，随时复习前面的知识，把握整体。

　　2.实践教学的改革

　　本课程对实践教学环节进行改革，实验不仅采用MATLAB软件，同时将80%的实践内容放在实物实验中。学院为本课程购买了TKKL-4型控制理论/计算机控制技术实验箱，该实验箱上面包含有源电路、无源电路、电阻、电容等器件。学生根据指导手册自己构造控制系统，进行实验。因为有实际器件，相对于软件实验，学生普遍反映更加喜欢这种实验形式。经过对比，20%的实验环节采用MATLAB软件让学生在电脑上操作，80%的实验环节采用TKKL-4实验箱操作，学生们表示课堂学到的知识可以通过实际动手操作联系起来，加深理解，更加喜欢实验箱的实物形式。另一方面，以前的实验不分节。有的实验班级里优秀学生做好了，无事可做。其他学生偷懒直接拿u盘拷贝结果于电脑上，或者直接把实验板上的线原封不动挪到自己的实验板上，电气线的颜色都一模一样，以免抄错。面对这样的情况，笔者对实践环节进行了改革。课程的题目设计遵循由简到繁的原则，以此帮助学生一步一步提高。让学生先解决简单问题，然后进行复杂问题的处理，锻炼学生分析问题解决问题的能力。同时增加实践环节的开放性。在实验设计的时候，一个实验设计成几个小实验，给学生较为宽松的时间，先做完一个小实验，给老师检查，然后再做下一个小实验，再交给老师检查。小实验中设计必做实验和选做实验，选做实验给有能力的学生，发展他们的创造性。必做实验满足大部分学生的达标要求。评分标准既有一定的基本要求，也体现尊重学生的原则，这样，在达到课程基本要求的同时有助于发挥学生的特点。同时，这样的实验设计能让所有学生的实验时间都充分利用起来，避免早早做完无事可做的现象。同时严禁学生实验时带u盘和手机等移动存储设备，全部放讲台保管，大大降低抄袭现象。同时要充分照顾愿意学习，有能力学好的学生，将MATLAB软件仿真的结果放到课堂上，在讲授环节中加入利用MATLAB/simulink快速构建的模型进行分析和设计的例子。通过多媒体课件给学生讲解系统的控制，加强学习的目的性，给愿意学习的学生以直观的指导。

　　3.课程考核形式改革

　　本课程的考核形式采用平时成绩+实践成绩+期末卷面成绩综合的形式，避免期末考试失误而总评成绩不好的情况。同时，加大平时成绩的比值。上课的时候以提问的形式计算平时成绩，取代以前以考勤和作业作为平时成绩的做法。因为考勤并不能起到督促学生学习的作用，本专业学生有时候存在这样的情况，虽然人坐在教室，但是上课睡觉根本不听讲。作业也是同样，学生不认真学习，就会出现一次跟不上，次次跟不上的情况。然后作业抄袭，严重者一个班作业只有一个版本或两个版本，根本起不到巩固课堂知识的作用。采用提问的形式，学生必须面对站起来回答问题这一关，为了避免因答不上而平时成绩为0的情况，大部分学生都会提高注意力，仔细听讲，比写作业本要效果好。同时提问采取随机提问的方式，不按学号顺序，这样由于无法估计谁回答提问，所以可以进一步督促学生到课及听讲。

　　三、课堂和实验课教学效果

　　通过改革课堂的教学内容和实践教学内容，经过3年的实施，学生们在课堂上表现出了较大的兴趣，能够积极主动地进行思考。课程的实例让学生感到有兴趣，学生们愿意听，愿意做实验，反过来促进课堂上氛围，形成良性循环，实现“正反馈”。到目前为止，接受课程改革的3届学生能够在教师的引导下，主动构建实验设计环节的实验内容，锻炼了动手能力和操作能力，能够主动查阅参考书目自学。在实验课上，形成了良好的竞争局面，学生们相互竞争，看谁更早做好选做实验，学习比从前更加积极主动，真正由“要我学”转变到“我要学”，改革效果显著。总之，课程改革使学生在学习过程中极大地发挥了主体作用，提高了学生们的综合分析能力和创新能力。

　　作者：李泽 杨歆豪 单位：苏州科技学院电子与信息工程学院

　　（三）

　　一、现有教学模式存在的问题

　　随着计算机技术和多媒体技术在教学中的普遍运用，现有的教学模式已经有了重大的改变并取得了长足的进步。例如，讲解理论时结合多媒体演示工程实例，利用Matlab对时域分析、频域分析及系统校正等各章节相关知识点进行模拟仿真等。但现有的教学模式仍然存在着不足，主要表现在：

　　1.学生基础理论相对薄弱与课程需求之间的问题

　　我校是典型的应用型工科院校，学生的数学基础相对薄弱，而传统的教学模式要求学生具有较强的工程数学基础，特别是复变函数课程中的拉氏变换部分。对于这种强调数学基础的课程，如果不改变教学模式，将会使部分学生（特别是三表学生）失去学习的兴趣和动力。同时，“控制工程基础”这门课的预修课程较多，如机械设计、电工学、大学物理、理论力学等方面的知识。这就对学生学习本门课程提出了更高的要求：补习工程数学知识的同时，还要复习其他专业基础知识。

　　2.理论知识与实际应用结合的问题

　　尽管“控制工程基础”这门课程所涉及的知识面广，对学生知识储备要求高，但学时分配却非常有限。为使学生更好地掌握理论知识，在教学过程中采用多种教学方法，引入工程实例并开设相关的实验课程，但大部分实验是基础实验，和工程实际结合不够紧密，而且学生对实践环节没有足够重视，缺乏动手能力，这就使学生在学完课程以后仍然不知道这门课程到底是做什么的，该怎样用。因此，要在有限的学时内使学生尽快掌握理论知识，并能运用理论去思考、解决一些相关的工程实际问题，把理论和实际应用有机结合起来成为教学模式改革的关键。

　　3.课程知识点系统性强与学生缺乏系统认知的问题

　　实际上，“控制工程基础”是一门系统性非常强的课程，而在以学习知识点为中心的教学中，学生只是掌握了一些孤立的知识点，却很难将各知识点串起来，因而缺乏对机械工程控制系统的整体认知能力、系统分析与综合设计的能力，不能很好地满足企业对人才的需求。因此，在学习的过程中，应该使学生首先明确课程研究的对象是系统输入、输出及系统本身三者之间的关系。研究的主要任务是系统分析，即已知系统和系统输入，求系统的输出并分析系统。在分析系统时采用的两个主要方法是时域法和频域法，而分析内容则是控制系统的基本要求：稳定性、准确性和快速性。这样就把整个课程的主要内容穿插起来，但这远远不够，还需要通过其它方式进一步培养学生对系统的认知和理解。结合“控制工程基础”课程现有教学模式存在的问题，本文提出引入“CDIO教学理念+案例教学”教学模式，使学生更好地理解理论知识的同时，提高学生动手能力和理论应用于实践的能力。

　　二、“CDIO+案例教学”教学模式改革的实施

　　1.什么是“CDIO+案例教学”教学模式

　　CDIO工程教育模式是以美国麻省理工学院为首的全球几十所著名大学倡导的现代工程教育框架，即构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）、运作（Operate）的缩写。它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程的理论、技术与经验。案例教学法被定义为“在课堂教学中以案例为中心，教师的教和学生的学通过案例的组织、分析、讨论和总结把抽象的理论和呆板的法条与实际相结合，使普遍性的理论观点和特殊的事实材料相统一，记忆性的知识学习和操作性的分析思考相统一。根据“控制工程基础课程”自身的特点，本文提出授课时采用“CDIO+案例教学法”有机结合的新型教学模式，学生和老师一起设计和构思工程案例，把知识点和其它专业课的知识融入在工程实例中加以分析和验证，这必定会充分调动学生学习的主动性和积极性，增强学生对系统的认知，提高学生理论应用于实践的能力。

　　2“.CDIO+案例教学”教学模式在“控制工程基础”课程中的开展途径

　　CDIO教学模式的核心思想是让学生在“做中学”，以“工程项目”或“项目案例”为载体来组织整个学习过程，以过程中不同阶段的知识需求为驱动来安排教学内容和方法。由于“控制工程基础”这门课程主要内容包括建立系统数学模型，根据系统模型对系统进行时域分析、频域分析（分析系统的快速性、准确性、稳定性）和系统校正，课程系统性强，适合通过案例结合CDIO模式进行教学。在教学过程中，本文提出的“CDIO+案例教学”教学模式分为两条路线和四个过程：两条路线包括教师路线和学生路线；四个过程是构思过程、设计过程、实践过程和考核过程。首先，教师要对教学设计进行构思。一个好的教学设计可以激发学生的学习兴趣，使枯燥的学习内容生动起来，呆板的学习过程活泼起来。其次，要对所讲授的知识点进行设计，力争把每堂课所要讲授的主要知识点融入到具体实例中。在该环节里，可以把学生分成若干小组，给学生分配任务，针对所要学习的知识点，查阅资料，设计相关案例并进行分组讨论，加深对知识的理解。再次，合理穿插前面学过的知识，设计综合实验并让学生亲自动手实践，不能通过实践验证（没有实验条件）的综合实验可以通过模拟仿真加以验证。特别需要注意的是，该阶段主要是培养学生对实践结果进行分析并总结归纳到相对应的理论知识点的能力。最后，改变原有“一次考试定乾坤”的考核方式，加大实践部分的考核分值。根据学生的实验态度、动手能力、创新能力等来综合评分，这种考核方式更能体现出学生对知识的应用能力，同时具有较强的灵活性。具体的“CDIO+案例教学”教学模式开展途径。

　　3“.控制工程基础”课程实施“CDIO+案例教学”教学模式存在的困难

　　（1）短时间内制作出完善和全面的优秀案例存在困难。如果把每个知识点都穿插在好的案例中，是一个庞大的工程，这需要有经验的教师经过长时间的思考、归纳和总结。

　　（2）课程计划学时少与该教学模式所需教学学时较多的矛盾。由于实践环节和学生讨论环节的增多，整个教学过程所需学时必然会增加，针对这一困难，可以将某些案例讨论的内容放在课下分组进行，老师批阅每个小组的讨论结果并在课上进行总结，这样就会大大缩短案例讨论所占用的时间，而不影响学习效果。

　　三、结束语

　　以应用型人才培养目标为导向，提出了在理论教学中融入“CDIO理念+案例教学”，结合实验室实验和Matlab模拟仿真组成的新的“控制工程基础”课程教学模式。改变现有“控制工程基础”课程教学占主导的现状，以“做中学”的形式培养学生创造能力及解决实际问题的能力，进而培养出具有扎实专业技术基础、综合工程系统能力和良好团队协作能力的当代应用型人才。

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