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新工科背景下《控制理论基础》教学模式改革与探索

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  摘   要:适应科技革命与产业变革的新形势,为培养具有实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才,本文在新工科的背景下,对现阶段《控制理论基础》课程在教学过程中,存在授课形式单一、教学内容陈旧和师资队伍建设不足等问题,提出融入新的教学内容、使用现代教学工具、合理建设师资队伍、增加课堂教学互动、课程思政融入其中等改革措施,为提高《控制理论基础》教学水平和质量而积累经验。
  关键词:新工科  控制理论基础  教学模式改革
  中图分类号:G642                                  文献标识码:A                        文章编号:1674-098X(2020)06(c)-0181-02
  Abstract: To adapt to the new situation of scientific and technological revolution, and cultivate high-quality compound talents with strong practical ability, innovative ability and international competitiveness, this paper puts forward some suggestions on how to integrate the single teaching form, obsolete teaching content and inadequate construction of teachers in the current course of "Control Theory Basis" under the background of “Emerging Engineering Education”. In order to improve the teaching level and quality of “Control Theory Basis”, we should adopt new teaching contents, use modern teaching tools, reasonably construct teachers, increase classroom teaching interaction and integrate curriculum ideological and political education.
  Key Words: Emerging Engineering Education; Control Theory Fundament; Reform and Exploration of Teaching Mode
  1  引言
  2017年2月,教育部启动新工科建设以来,工程教育领域各类高校、专家和学者已凝聚广泛共识,工程科技人才培养的新理念、新标准、新模式、新方法、新技术和新文化正在加速形成,为全面振兴我国本科教育攻坚战打响了第一炮[1]。新工科要求将智能制造、云计算、人工智能、机器人等用于传统工科专业的升级改造。相对于传统的工科人才,在新工科教学模式下培养的是实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才[2-3]。
  《控制理论基础》是我校机械类大三学生的学科基础必修平台课,学生在修读《控制理论基础》前应具备高等数学、电工电子等方面的知识储备[4-6]。学习《控制理论基础》主要解决两个问题:(1)分析某个给定控制系统的工作原理、元器件组成和分析系统稳定品质;(2)根据实际需要进行系统设计,并用机、光、电、液压元件或设备等来实现这一系统。学习完这门课程后,学生应对经典控制理论有全面的认识,能应用数学、自然科学、工程基础和专业知识针对具体的对象建立数学模型并求解,并针对机械工程领域的复杂工程问题进行过程分析、设计、制造、控制与优化。该门课程为后续《机电一体化设计》、《智能控制系统》及《机电传动控制》等课程提供理论基础。因此,《控制理论基础》在教学培养体系中占有重要地位。
  2  现阶段《控制理论基础》教学中存在问题
  在新工科的背景下,要求课程适应时代的发展,但如今《控制理论基础》在教学中仍存在很多问题。
  (1)授课形式单一。
  如今,我们教师基本都采用黑板板书与PPT相结合的方式进行授课,但是还是没有摆脱以往推导公式、讲解例题,然后习题练习的模式。在公式推导过程中,学生感到枯燥乏味,老师讲解起来也十分困难。针对一些绘制过程,如奈氏图、伯德图及根轨迹的绘制过程复杂,学生很难在短时间内掌握。
  (2)教学内容陈旧。
  《控制工程基础》涉及到的是经典控制理论,这些控制理论非常成熟,所选书本上的例题也十分陈旧。例如,在数学建模部分,所选例子为弹簧-阻尼-质量系统和RC网络系统,这些例子简单,便于列出各部分的微分方程,对讲解数学模型建立过程有很大的帮助。但同时,这些例子过于简单,不能吸引学生的注意力。
  (3)师资队伍建设不足。
  在《控制理论基础》的课程师资团队中,有部分年轻老师虽然理论知识丰富,但是缺乏足够的工程实践经验,不能将这些控制理论运用到实际的工程系統中,理论和实际不能很好地相结合,导致在教授过程中与实际脱节。   3  新工科背景下《控制理论基础》教学模式改革与探索
  (1)融入新的教学内容和使用现代教学工具。
  随着新的控制理论技术的发展,应融入一些新的控制理论概念。如在对闭环控制系统的概念进行介绍时,教科书上的例子是恒温控制系统、转速控制系统等,学生对这些兴趣不大。可以加入一些最新的科技成果,如AlphaGo大战李世石、无人机这些先进的闭环控制实例。在建立数学模型时,可以将控制对象换成四旋翼直升机、独轮电动车等,这样会吸引学生浓厚的兴趣。
  在《控制理论基础》的教学过程中,可以适当采用一些现代教学工具,让学生加深对理论知识的理解。如,Matlab软件可以分析控制理论中开环系统、闭环系统传递函数的特性。利用rlocus命令可以绘制根轨迹,nyquist命令可以绘制系统奈氏图,bode命令可以绘制系统伯德图。另外,PID 控制器设计工具PIDTool,可以通过调节各个比例、微分、积分环节的参数,得到各参数对闭环系统响应的影响。应用这些现代教学工具时,不要求学生对这些现代工具掌握的特别熟练,而是让学生对现在的计算机技术有一定的了解,知道有这些技术的存在,在以后的工作岗位中可以随时拿来用。
  (2)合理建设师资队伍。
  《控制理论基础》是一门理论与实践相结合的课程。在基础理论部分,可以由具有深厚理论储备的资深教师讲授。而在后面的实践应用环节,如系统校正部分,可以邀请一些实战经验丰富的企业工程师来进行讲授,结合他们平时所遇到的一些实际问题,分析解决方案。这样不仅能弥补教师实践经验不足,还能让学生对知识理解的更为透彻。
  (3)增加课堂教学互动。
  在目前的教学模式中,一般以教师讲授、学生听课为主,在这种教学模式下,学生的参与感降低,学习积极性不高。在以后的教学中,可以尝试将授课按照做项目的形式进行下去。如,将学生分为3~4人一组,针对不同参数的直流电动机调速系统,每小组对电动机进行系统建模、稳定性分析、PID控制,还可以采用串联校正、反馈校正、顺馈校正和干扰补偿等措施对系统进行修正。在学生自己动手完成这些要求后,会对涉及到的理论知识有一个全面的认知。
  (4)课程思政融入其中。
  《控制理论基础》是机械专业学生一门重要的专业必修课程,通过挖掘《控制理论基础》的思想政治价值元素,将德育教育、职业道德和价值观、世界观、人生观的思考融入专业知识的教学中,培养学生的民族自豪感和认同感,爱岗敬业、办事公道、奉献社会的职业精神,形成唯物主义辩证思维,加深对自我的认识,做一个内外兼修、对社会有积极贡献、具有家国情怀的高级人才。通过对《控制理论基础》的教学,在潜移默化中让学生树立正确的中国特色社会主义坚定信念,为实现共产主义而奋斗终生。(1)通过分析控制领域的发展现状,分析在国家提出“中国制造2025”的大环境下所面临的机遇和挑战,激发学生学习的动力和勇气;(2)介绍传递函数的八个典型环节,分析系统工程中分工与合作精神,对学生进行职业道德教育,领悟工匠精神,传递爱岗敬业、办事公道、奉献社会的职业精神;(3)通过快速性、稳定性和精确性三个性能指标之间的相互关系,揭示辩证唯物主义的矛盾论,要求分析主要矛盾和次要矛盾,要求学生具备用辩证的眼光看问题,进而阐述和谐集体、和谐社会的思想;(4)通过分析控制系统的稳定裕量,分析做人做事要留有余地,阐述“度”的哲学观点,提醒学生具有谦卑的求学和处世态度;(5)分析控制系统的稳态误差和降低稳态误差的主要措施,要求承认矛盾的普遍性、客观性,用科学把握取人之长与补己之短的关系,善于发现短板、分析短板、补好短板,个人和社会才能有更好的发展。
  4  结语
  在新工科背景下,对传统工科专业的升级改造中,针对《控制理论基础》存在的授课形式单一、教学内容陈旧和师资队伍建设不足等问题,提出融入新的教学内容、使用现代教学工具、合理建设师资队伍、增加课堂教学互动、课程思政融入其中等改革措施,将《控制理论基础》课程打造成为生动、有趣的实践类课程。
  参考文献
  [1] 周开发,曾玉珍.新工科的核心能力与教学模式探索[J]. 重庆高教研究,2017,5(3):22-35.
  [2] 胡波,冯辉,韩伟力,等.加快新工科建设,推进工程教育改革创新——“综合性高校工程教育发展战略研讨会”综述[J].复旦教育论坛,2017,15(2):20-28.
  [3] 吴爱华,侯永峰,杨秋波,等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究,2017(1):7-15.
  [4] 陈兴燕,孙书蕾.新工科背景下《机械工程控制基础》课程改革思考[J].山东化工,2018(16):168-169.
  [5] 李艳,何勇,徐洋.高校机械类专业课程思政建设浅谈[J]. 课程教育研究,2018(28):232.
  [6] 段学超,崔传贞,千博,等.中法融合、面向新工科建设的自动控制理论课程体系优化[J].科教導刊(下旬),2018, 342(6):112-113.
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