本科控制工程基础教改研究
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摘要:“控制工程基础”是机电类专业一门重要的专业基础课，主要培养学生对控制系统建模、各种性能分析等的综合能力。课题组介绍了“控制工程基础”课程现状，提出了优化课程网络资源建设、采用线上线下结合的多样化教学模式、在专业课程教学中融入思政元素、尝试与不同课程融合教学等具体的课程教改方案。课程教改实践取得了良好的教学效果，在帮助学生准确理解和掌握专业知识的同时，达到了培养学生工匠精神的育人效果，学生学习积极性也有所提高，实现了从被动接受到主动学习的转变。
关键词:控制工程；专业课程；教学模式；课程思政
应用型本科应该面向当地发展的需求，坚持以质量求生存，以效益求发展，走以质量提升为核心的内涵式发展道路[1-3]。专业课程是本科教学的主要内容，促进各专业知识与思想教育的结合，体现专业教学的特色至关重要。随着信息化、智能化技术的发展，自动控制已被用于各个方面，促进人类社会向前发展，智能化是现代人类文明发展的趋势。特别是在智能制造、人工智能大力发展的时代，“控制工程基础”作为工科类专业课程，除了要让学生掌握基本的理论，更要重视工程伦理的教育，培养学生的大国工匠精神，激发学生的爱国情怀、民族自豪感以及科技报国的使命担当。
1“控制工程基础”课程现状
“控制工程基础”课程是机电类专业一门重要的专业基础课，它主要涉及经典控制理论的内容及应用。现代意义上的控制，起源于维纳1948年发表《控制论》。控制无形之中对现代科技造成了非常重大的影响。该课程侧重理论分析，主要讲解控制系统的动态数学模型、时域瞬态响应分析、控制系统的频率特性、控制系统的稳定性分析、控制系统的误差分析和计算、控制系统的综合与校正、根轨迹、计算机控制系统等[4-6]。通过系统学习“控制工程基础”课程中的原理、方法及有关设计计算，学生能够具有系统的一般概念，了解控制理论在工程中的应用和发展。对工程中的实际系统能利用控制系统的数学模型分析系统的性能，培养学生理论分析工程实例、应用知识分析解决工程问题的能力。目前，厦门工学院机电专业该课程是“32学时理论课+16课时实验课”。由于这门课理论性很强，要求学生具有较强的数学、电学、机械等相关知识，同时还需要具有MATLAB编程能力，采用传统的教学模式时，学生学习过程十分吃力，对于知识的应用更是觉得困难。如何在有限的课时中让学生掌握知识点，同时又能在课堂中将思政素材巧妙地融入课堂需要教师认真深入研究。
2“控制工程基础”课程建设
“控制工程基础”课程建设目的在于培养学生实践能力、学习能力、团队协作能力等，使学生能够主动学习、提出问题、分析问题、解决问题、掌握专业知识，课程建设包含以下几方面。
2.1优化课程网络资源建设
利用超星平台优化课程网络资源建设，精心设计教案、课件、题库等，特别是针对课程重点、难点设计制作动画、视频等。教案设计中包含学情分析（学生知识经验、学生学习能力、学生思想状况）、课堂教学目标（知识目标、能力目标、价值目标）、教学知识点、思政资源（思想政治教育素材、思想政治教育元素）、教学内容、教学手段和过程以及专业知识与思政的融合。2）精心设计制作课件，加入动画，融入思政元素。布置作业，除了让学生掌握基本的理论之外，还需要设计一些开放性课题，一方面让学生掌握知识点的应用，另一方面也让学生的思想得到升华。
2.2采用多样化教学模式
采用情景教学、案例教学、小组讨论等翻转课堂教学方法，利用讲授、问答、讨论、案例等方式来引导学生，有针对性地将思政元素融入专业知识教学中[7]。学生利用线上资源进行预习和复习。引用案例，利用网络资源，有些内容可以采用小组讨论的方式，课前下发任务，课上讨论，小组成员发言、互相点评等，引导学生积极参与、思考，同时激发学生对“控制工程基础”课程的学习兴趣，将专业知识结合具体的工程应用，把价值观融入其中。将MATLAB及Simulink仿真软件应用到课堂教学中，改变传统的理论讲解、手工绘图的教学模式，简化公式的推导和概念的叙述，增强教学生动性和直观性，有利于加深学生对所学知识的理解[8]。例如，对于奈奎斯特稳定性判据这一知识点，利用计算机绘图代替传统手工绘制奈奎斯特图，一方面提高图像的精确性，另一方面降低学习难度，增加学习的趣味性，利用图像分析稳定性，加深学生对知识点的掌握。教学过程中发挥教师的主导作用和学生积极参与的能动性。课程教学中需要增加实践教学环节，理论教学可以采用不同的形式增加考核权重，如作业、讨论、情景剧等。在教学过程中，通过课程网络平台上学生学习轨迹、课堂表现、课后作业效果等大数据，密切关注学生的学习状态，适时引导督促。优化实践教学。实践教学是本课程必不可少的环节，是对理论知识的有益补充，也是提高学生兴趣、主动性的方法。传统的“控制工程基础”课程的实验都是采用试验箱进行相应的验证实验，内容陈旧、单一，与工程实际脱节。同时实验设备少，通常3~4人一组，学生得不到充分的实操机会，给了不主动学习、不积极做实验的学生偷懒的借口。采用虚拟仿真实验室，学生自主性将增加，灵活性将增强，从而提高教学效果。例如稳定性分析，学生可以自己设计系统，输入传递函数，利用不同的方法判断稳定性，而且还可以对比每一种方法的优缺点，对该知识点进一步认识。或者在不断改变传递函数参数时进行仿真，对比仿真结果。再比如针对典型信号时域响应，教师仅给出实验目的和原理，学生可以根据自己设定的系统采用MATLAB或者Simulink进行仿真，还可以直观地看仿真动画，直观地理解实验原理。考核可以采用期末考试和项目考核结合的形式，强调过程性考核，降低期末考试的比重。项目的内容包括：①列举工程简单实例；②通过分析画出系统方框图；③分析系统的稳定性等达到综合运用知识的能力。以学生为主体，采用引入问题、分析问题、解决问题的方式，激发学生自主学习动力，鼓励学生讨论、合作、设计研究等。4~5人为一个小组，教师将项目实践的任务、资料下发给学生，各小组设定好题目，组员之间分工合作。学生依据任务书查阅相关资料，撰写资料总结体会。教师向学生提出一些可能出现的问题或者思路方案。依据方案，学生进行相应的设备选型和设计，选择合理的控制方法。搭建控制系统，然后编程实现相应的功能。学生根据项目题目及课程进度，按时完成资料查阅以及系统设计、建模、分析等工作，掌握有关工程设计文件的编写方法等，为今后能够独立进行某些控制工程的开发建设及工作打下一定的基础[9]。这一过程既锻炼学生的实践能力，又培育学生的团队协作精神。建立信息反馈平台。从控制论来说，理想的状态应该要有一个信息反馈的过程。为了达到理想的教学效果，教师采用QQ、微信、超星讨论区等多种方式有效地与学生进行交流，根据学生反馈的信息及时调整教学进度和方法，教师和学生紧紧地联系一起。
2.3在课程中融入思政元素
2019年8月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于深化新时代学校思想政治理论课改革创新的若干意见》，提出深度挖掘高校各学科门类专业课程蕴含的思想政治教育资源，解决好各类课程与思政课相互配合的问题，发挥所有课程的育人功能，构建全面覆盖、类型丰富、层次递进、相互支撑的课程体系，使各类课程与思政课同向同行，形成协同效应[10]。所有高校、教师及课程都需要承担起育人的责任。为了更好地结合课程的特点，深入巧妙地挖掘思政案例，将思政元素融入课程教学中，达到润物无声的育人效果[11]，十分有必要挖掘“控制工程基础”课程蕴含的思想政治教育资源[12]，部分内容如表1所示。教师通过扮演指导者的角色，引领学习者在问题的解决过程中对学习内容进行更深层次的理解与掌握，梳理课程的知识体系，拓展学生知识面，培养学生自主学习、终身学习的能力。
2.4与不同课程融合教学
机电类专业课程之间存在知识的交叉和重复，单一课程的讲解造成专业技能没有系统化。任课教师独立授课、自成体系，导致学生学到的是一个个独立的知识点，缺乏全局及联系的观念，从而难以胜任工作岗位。厦门工学院机械电子专业中控制类课程如“工业机器人”“机电传动与控制”等，是本专业的主干课程，且都是以工程机器为研究对象，依据控制工程的原理和手段进行不同方式的控制。因此，这些课程在控制工程基础的理论、系统的分析方法、控制思路和方案上存在一定的相似性，在不同课程的教学中可以相互融会贯通[13]。工业机器人是一个非常复杂的非线性控制系统，如何对机器人实施快速、准确控制是机器人技术中的主要问题，也是核心问题[14]。以工业机器人中单关节机器人的位置控制为例，机器人的运动设计包括运动轨迹设计、数学模型建立、选取控制方法、建立仿真模型并进行仿真。首先上课前先布置任务，预先规划好机器人行走路线，让学生查阅相关机器人的一些基本知识。建立机器人数学模型，包括机器人的单杆、直流电机和减速器的数学模型，在此基础上利用MATLAB或Simulink建立机器人的仿真模型。设计控制器，结合“控制工程基础”课程选择简单的控制方法PID控制，这一部分详细介绍PID控制原理、特性、优缺点。利用MATLAB对机器人控制效果进行综合评价。在这个过程中，详细讲述机器人系统的特性，包括系统的平稳性、快速性、鲁棒性等知识点。通过这样的实施过程，学生了解了机器人，同时又掌握了相应的控制工程的课程知识点，提高了学习的兴趣。
3教学总结
“控制工程基础”课程教学过程中通过线上线下结合、项目式教学、翻转课堂等创新的教学方式，将思政元素融于专业课程之中，取得了良好的教学效果，学生实现了从被动接受到主动学习的转变。但是在教学具体实施过程中也还存在一些问题：有些工程实例涉及的知识面很广，不适合目前学生的知识水平。在讲解过程中有些内容还做不到巧妙引入思政元素，或者做不到层层深入、环环相扣，引发学生深入思考。这些内容在之后的课程教学中需要不断整理和改进。
作者:张春红 沈杨 李淑梅 单位: 厦门工学院柔性制造装备集成福建省高校重点实验室 厦门工学院机械科学与电气工程学院
