控制工程基础课程内容体系与教学体系改革研究与实践

2022-09-11

《控制工程基础》课是机械工程类专业的一门专业基础课, 面向机械学院学生开设。本门课程主要研究经典控制理论的基本内容, 其具有理论性强、系统性强, 应用范围广等特点。对于机械工程类专业的本科生来讲, 理应掌握有关控制系统的工作原理、分析控制系统动态性能的频域分析法及时域分析法、改善系统性能的有效途径等方面的基本理论和基础知识, 为解决工程中的实际控制问题建立良好的基础, 为后续课程学习打下理论基础, 但是, 本课程学时少 (48学时) , 原有的课程内容和教学体系难以适应本科生对控制理论知识的需求, 学生学习本门课程之后不知如何系统应用;另一方面, 随着本科生招生规模不断扩大, 师生比、实验设备资源与学生比更加紧张, 单一的课堂教学模式满足不了教学要求, 要求本科生教育内容及教育模式必须改革;同时, 随着本科生就业市场竞争的不断加剧, 本科生考研比例逐渐增大, 本门课程作为许多学校考研课程之一, 对本门课程的教学质量提出了更高的要求。为了适应机械工程类本科生培养规模不断扩大新形势下的本科生教育, 根据高等教育质量实施工程要求和《控制工程基础》课程的特点, 按照重视基础理论, 提高应用能力, 加强实践教学、激发创新思维的本科生培养新理念, 对本科生培养质量具有重要影响的《控制工程基础》课程内容体系及教学体系改革创新, 提出《控制工程基础》课程内容新体系, 并进行相应的教学新体系改革研究与实践, 取得了较明显的教学效果。

1 课程内容体系改革框架

《控制工程基础》课程内容原有体系实际上仅有基础理论教学部分和基本实验教学部分, 改革后的课程内容新体系包括基础理论教学部分、循序渐进示例教学部分、基于MATLAB的控制系统的计算机辅助分析教学部分、实验教学部分等四部分。

1.1 基础理论教学部分

控制工程基础课的基础理论教学部分是以“经典控制理论”为主, 教学要求上作为本科生必需掌握的课程内容。为适应计算机技术的迅猛发展, 基础理论部分增加了离散控制系统一章内容。在原有自编的CAI多媒体教学课件基础上, 根据课堂教学要求和课程内容要求, 不断改进自编的CAI多媒体教学课件, 增加部分实例的动画效果, 在教学中使用, 效果好。通过调整教学内容, 增加例题和习题讲解, 重点加强基础理论方面的教学, 为学习后续课程打下了坚实的理论基础。

1.2 循序渐进示例教学部分

为了使学生更系统地掌握控制理论并且学会如何应用该理论一步一步解决实际控制问题, 在《控制工程基础》课教学中, 精心组织了一个循序渐进的学习示例——具有速度负反馈的直流电动机调速系统, 将它贯穿于各章教学的始终。通过一个完整的示例, 将控制理论的基本概念、基本组成、时域与频域数学模型的建立、系统稳定性、快速性和准确性的分析、系统综合与校正等各部分理论知识与解决实际问题联系起来, 一步一步揭示了如何进行控制系统的分析和设计。这有利于帮助学生对前面各章讲解的各个知识点的深入理解和掌握, 从而系统学习控制理论、建立系统工程概念、提高应用控制理论设计实际控制系统的能力。学生在学习过程中反映, 通过这一示例将经典控制理论的基本内容系统起来, 有助于更进一步地理解控制理论在实际工程上的应用。

根据多年教学改革与教学实践成果, 编写了教材《控制工程基础》, 并在2006年6月由中国计量出版社出版, 该教材的重要特色之一是把多年在循序渐进学习示例方面教学实践成果编在教材中, 即每一章增加一节循序渐进学习示例, 该教材在两届本科生教学中使用, 效果很好。

1.3 基于MATLAB的控制系统的计算机辅助分析教学部分

在课堂教学中增加基于M A T L A B的控制系统的计算机辅助分析。本门课程在每一章安排一节用M A T L A B交互式软件进行控制系统的计算机辅助分析内容, 在教学中教师注意充分利用CAI多媒体教学课件的优势, 加大课程信息量和图形演示功能, 将与控制工程基础课的教学内容相结合, 发挥其强大的运算功能和图形显示功能, 使学生掌握用MATLAB软件编程解决控制理论问题的基本方法, 另外利用MATLAB软件中simulink工具箱的图形显示功能和交互式的功能, 将实际控制系统参数变化与时间响应曲线、频率特性曲线等有机联系起来, 使教学更加形象生动, 学生对知识点易于理解和掌握。这有利于培养学生应用计算机辅助分析和设计控制系统的能力, 同时激发了学生学习控制工程基础课的兴趣。

1.4 实验教学部分

本课程原来安排了6学时的实验, 其中包括:随动系统实验频率特性实验、典型环节及其阶跃响应实验、二阶系统阶跃响应实验等。为加强学生动手能力和理论联系实际能力的培养, 在保留原有实验的基础上, 利用控制工程实验室的良好的计算机条件, 新增加了应用MATLAB语言进行控制系统的计算机辅助分析的相应实验。在此基础上编写了控制工程基础课新的实验指导书。

在《应用MATLAB语言进行控制系统的计算机辅助分析》实验中, 学生可以利用MATLAB软件中的simulink工具箱进行一阶系统和二阶系统的仿真实验;可以进入M A T L A B软件中的d e m o工具箱里, 观察不同控制系统参数与曲线之间的关系;学生还可以自编M A T L A B程序进行绘制控制系统曲线、分析控制系统性能。总之, 该实验为同学提供了进行M A T L A B软件学习、使用及创新设计的良好环境, 学生的学习积极性较高。

2 教学新体系改革框架

与课程内容新体系相应的教学新体系改革为三部分:采用多媒体与板书相结合的课堂教学部分、系列实验教学部分、辅助课堂教学的网络教学等三部分, 教学新体系三部分互相补充、相得益彰, 构成了以课堂教学和实验教学为主、网络教学为辅的新教学体系。

2.1 课堂教学部分

《控制工程基础》课程内容新体系中的前三部分即基础理论教学部分、循序渐进学习示例、基于MATLAB的控制系统计算机辅助分析为课堂教学改革的三个方面。配合课程内容新体系得改革, 在教学中, 在原有自编的CAI多媒体教学课件基础上, 根据课堂教学要求和课程内容要求, 不断改进自编的CAI多媒体教学课件, 增加循序渐进学习示例、基于MATLAB的控制系统的计算机辅助分析部分, 增加控制工程基础课程实例的动画效果, 在教学中使用, 效果好。此外, 教师也非常注意黑板教学与CAI多媒体教学课件教学有机结合, 使教学形象生动, 学生对知识点易于理解和掌握。

2.2 开发控制工程基础课多媒体网络教学系统

本课程充分利用网络的优势, 自行研制开发了符合自身教学特点的控制工程基础课多媒体网络教学辅助系统。在网络教学系统平台上建立电子教室, 包括课程大纲、电子教案、多媒体课件、实验指导及交互式实验等, 网络教学系统平台上还包括网上进行答疑、自测考试、师生交流及较为丰富的辅导资料等, 引导不同基础的本科生, 课内外结合, 进行课程自主性、研究性的学习。

在电子教室的交互式实验中, 将MATLAB软件与控制工程基础课的教学内容相结合, 发挥其强大的运算功能和图形显示功能, 使实际控制系统参数变化与时间响应曲线、频率特性曲线等有机联系起来, 使网上教学形象生动, 学生对知识点易于理解和掌握。

网络教学系统设置了管理系统, 教师可以针对教学要求和教学内容的变化随时对多媒体网络教学系统上的内容进行调整和修改, 达到及时与学生沟通交流的目的。

本网络教学辅助系统于2005年6月开发成功, 在机械学院的控制工程基础课教学中使用, 收到了很好的辅助教学的效果。

该系统对课堂教学起辅助补充作用, 改善了单一的课堂教学模式, 形成资源共享;有力促进了教师不断深化教学改革, 改善教学环境, 提高教学质量;促进不同基础的本科生, 课内外结合, 进行课程自主性、研究性的学习, 激发学生创造精神, 培养自学能力, 适应现代化社会高素质、高水平、高能力的人才的需要。

2.3 系列实验教学部分

为配合本科生学习控制理论课程开设了系列实验课程。本科生既可与理论课程学习配套进行相应的实验课程, 也可自行拟定实验方案, 自行组合实验系统, 进行自主性、研究性的控制系统实验。通过实验, 使本科生加深对所学控制理论课程的理解和感悟, 同时加强本科生工程实践能力的培养, 启迪、激发本科生的创新思维、创新意识和创新能力。

3 结语

通过多年来的教学改革与实践, 在教学水平、课程建设、教学质量提高等方面取得了一定成效: (1) 提高了学生应用控制理论系统分析问题解决问题能力和实践能力, 调动了学生主动学习积极性。 (2) 提高了教师的教学水平, 任课教师多次获得校课堂教学质量优秀一、二等奖。 (3) 该课程被评为省级精品课程。 (4) 本项教学改革项目获校教学研究一等奖。 (5) 开发的控制工程基础课多媒体网络教学系统, 起到了辅助教学、资源共享的作用。 (6) 编写的控制工程基础课本科生教材获校优秀教材二等奖。在质量工程的实施进程中, 如何进一步完善教学内容、深化课程教学体系改革、加强实践教学和网络辅助教学、提高教学质量仍需要我们长期不懈的努力。

摘要：根据高等教育质量实施工程要求, 针对当前本科生控制工程基础课面临的问题, 根据我校的实际情况, 提出《控制工程基础》课程内容新体系, 并进行相应的教学新体系改革研究与实践, 取得了较明显的教学效果。

关键词：质量实施工程,控制工程基础,课程内容体系,教学体系,改革与实践