控制工程混合式教学研究

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［摘要］针对教育部新工科研究与实践的工程教育改革创新要求，以控制工程基础课程改革为例，结合工程实际，在原有课程内容的基础上研究课程改革方法，提出了基于案例式教学、启发式教学、分组讨论、虚拟仿真教学相结合的混合教学方法，激发学生的自主学习和解决问题的能力，促使学生积极的、自主的完成课程的知识构建。

［关键词］控制工程基础；混合式教学；课程改革

引言

教育部高等教育司下发了《关于开展新工科研究与实践的通知》，国家为实施“一带一路”倡议，“中国制造2025”等重大战略，迫切需要加快工程教育改革创新，提高新工程科技人员的技术水平，因此，高等学府中的工科类课程改革创新势在必行。机械类专业作为工科类的传统专业，响应党的号召，结合工程实践，从根本上改进新型工程类人才的培养模式和培养方法迫在眉睫。控制工程基础是机械类专业所必须学习的一门专业基础课程，课程基于传递函数的单输入单输出线性定常系统的控制理论，在时域，频域中对系统的稳定性，准确性和快速响应性进行分析，在专业学习中起到了承上启下的作用。目前这门课的特点是以数学模型为基础进行分析，因此对数学的基本功要求比较高，理论性较强，课程中的公式和概念较多，数学推导过多，导致学生在学习这门课程中感到抽象难懂，难以有效地掌握这门课程的内容。老师授课过程中过于注重理论分析，导致理论与实际略有脱轨，学生不易理解、消化和吸收，最终产生厌学情绪，挂科率较高。且现在的课时压缩严重，很难在有限课堂时间里使学生理解消化所学内容。显然，传统的理论讲授教学方式不适合学生在短时间内掌握这门课程，结合新工科教育改革，对控制工程基础课程进行教学改革，提高课堂教学质量，提高学生的学习动手能力显得十分必要。为了提高课堂教学质量，提高学生的学习兴趣，许多高校的学者针对这门课程进行了一系列的改革与探索。刘超提出了基于教材、教学内容、授课教师科研发展，对教学的促进、课程设计过程中理论与实际复杂工程问题联系等几个方面结合的教学改革方法[1]。林卿提出利用MATLAB软件与教学内容结合的教学改革模式[2]。许晓琴等通过将工程教育论证理念引入课程的方式，通过优化课程教学内容、与其他课程融合、改革课程考核方法等措施进行课程改革[3]。宋强通过采用多种仿真软件结合的方式建设虚拟实验室增强实践环节的方式[4]。本文基于控制工程基础课程混合式教学研究与实践的校教学改革项目，针对本校学生的特点和教学环境开展多种模式混合的全新课堂教学模式。该模式综合了传统的案例式教学、启发式教学和虚拟仿真教学的特点，通过分组讨论和设计的方式，将学生的自主学习和解决问题的能力，团队合作的精神融入解决问题和设计项目的过程中，以问题为导向促使学生积极的、自主的完成课程的知识构建。

一、课程总体设计思想

控制工程基础课程在机械制造，材料成型控制，机械电子，食品加工，交通运输等各个领域的应用较为广泛。本课程是本校机械学院机械制造及自动化，机械电子工程和材料成型与控制专业的专业基础课程。课程存在理论和数学推导多，内容较抽象，课时短内容多等特点。针对这些问题，将课程中的教学内容与项目或实际案例相结合，改进课堂部分教学内容，增加学生课下的实践环节，培养学生的自主学习能力和团队合作能力，帮助同学更好地掌握本门课程的专业知识内容，并达到学以致用的目的。具体实施时，首先根据教学目标修改教学大纲中教学内容和课时，压缩一定的课时量作为学生课后自学和实践内容；其次改变授课方式，加强课堂上的师生互动。讲课以学生为中心，教师作为引导者，以案例形式引出关键性知识点，然后抛出更深层次的问题，在课堂中留出足够的时间，让学生以小组为单位，对问题进行讨论分析并给出答案，加强对关键知识点的掌握，同时为学生提供了主动学习交流的机会，课堂中老师与学生的互动环节加强。另外，部分课堂教学内容以虚拟仿真方式进行讲授，增加学生对知识的理解；实验内容以综合性和实际性问题为主，让每个学生都能亲自动手解决问题，培养学生的操作动手能力。同时增加课后实际环节，以实际应用为导向，以小组形式，查找实际案例，结合本门课程，给出分析和设计过程。最后，考核方式增加平时考核环节及内容。本课程最终成绩总计100分，其中平日成绩占40%，期末闭卷考试占60%。平日成绩的具体考核细则如下：平时成绩则由五部分组成，包括平时作业成绩5%，随堂问题解决成绩占10%，课后案例任务成绩占10%，实验成绩占10%，平时出勤成绩占5%。

二、课程具体教学方案

（一）课程总体方案结合专业特色，以培养学生的实际应用能力为目的，提出了基于案例式教学+启发式教学+分组讨论+虚拟仿真教学相结合的混合教学研究方法。首先，根据教学目的，提出基于理论和实际相结合的案例式教学方法。根据教学方法，将案例和虚拟实验环节引入到教学文档中，并考虑课下实践环节，修改教学文档。实施过程中分课堂、课下和实验三部分：课堂中，从简到难的结合工程实例引入知识点，讲解难点和重点内容，同时基于启发式教学和分组讨论相结合的教学方法，通过启发学生和分组讨论的形势分析解决问题，同时，将信息化的内容引入教学过程中，构建基于虚拟仿真演示的教学模式；使课堂内容更丰富、更形象。课下，以小组形式结合工程问题，查找案例，从最初的数学建模，到最后系统的分析和优化结合课堂内容逐步完成，实现课内与课外相结合，最终以报告形式上交。实验部分，结合虚拟仿真软件对时域、频域、稳定性和误差进行仿真分析，提交实验报告。最后对所有内容进行总结分析，提出改进意见，在具体教学中根据实际出现的问题进行不断的完善。

（二）授课方式案例式教学：在课堂中，教师将工程应用实例带入课堂，将课程理论知识与工程实际联系起来，尽量弱化理论推导以及理论验证性的举例，重点讲解理论的运用实例，加深学生对基本概念与原理的理解。例如在讲解数学模型时，往往直接给出质量—弹簧—阻尼系统的抽象模型，学生很难理解实际系统为什么会简化成该模型。应该改变讲解方式，由实体模型入手，启发学生进行抽象概括，总结出简化模型，再进行微分方程建模。以第二章节为例，通过学生们实际操作过的车床为例，讲解数学建模，讲解如何将车床等效为质量—弹簧—阻尼系统，加深学生对模型的深入理解。

（三）学习方式启发式教学+分组讨论：在课程中的适当章节中先进行抛锚式教学，提出结合实际的问题，引发学生学习兴趣；课程快结束时，结合本节课的内容给出小课题，学生分组课下讨论构思，设计实现课题指标，下次课程由小组进行分组讲解，使每个学生都能积极的参与到学习中。以建模为例，课下采用分组形式，让小组同学结合身边常见的案例，从系统的原理分析，到画流程图，建立微分方程，求传递函数等一系列的过程，完成课题设计，通过查资料、讨论的方式帮助学生加深对所学内容的认知和理解，同时培养同学的自学能力和团队合作能力。

（四）实验环节虚拟仿真教学：课程中包含时域响应分析、频域响应分析、稳定性分析等章节，纯理论推导导致课程枯燥乏味。在这些环节中引入计算机辅助技术，基于Matlab软件开发虚拟仿真实验，课程中通过软件仿真动态演示分析结果，使课程变得生动。并结合实验教学，使同学们通过计算机亲自动手编程、演示结果进一步理解所学内容。

（五）考核环节课程由14次课堂理论内容，2次机房实验内容组成。平日成绩占100分的40%，其中平时出勤成绩占5%，要求学生课堂提前5—10分钟进入教室，点名采取随机点名方式，无故缺席3次，平时出勤成绩为0，且不得参加期末考试。平时作业成绩5%，以个人为单位给成绩，如出现抄袭情况，一律为0分。随堂问题解决成绩占10%，以小组为单位给成绩，课堂上根据教学内容提出问题，小组协作完成，以计时的方式提交答案，课下根据完成度给出成绩。课后案例任务成绩占10%，小组课下完成，并于第二次上课前提交报告，完成的作业需标注每位成员的具体分工，依据每人的贡献大小给分。教师会在课题上根据每人完成的具体分工提问，保证内容的真实性。实验成绩占10%，要求学生提前5—10分钟进入机房，并打开计算机做实验前的准备工作。学生在老师的指导和安排下独立完成实验，并提交实验报告，根据实验表现、实验内容完成度、实验内容结果准确度给成绩，如发现雷同报告，需重做实验并重新完成报告。最后，按照学校的要求，期末考试采用闭卷笔试的形式，卷面成绩总分100分，占课程总成绩的60%，严格按照标准给成绩。学生的总成绩由最终的平日成绩和期末卷面成绩组成。对比分析了2018—2019学期和2019—2020学期所教专业的期末成绩，未教改前的2018—2019学期不及格率达50.00%，教改后的2019—2020学期不及格率为21.54%，成绩有所提升。

三、总结

通过研究案例式教学+启发式教学+分组讨论+虚拟仿真教学相结合的混合教学方法。遵循学生学习能力的培养规律，由易到难，结合工程实际，循序渐进地设计课程内容和学习任务，通过启发引出问题，小组讨论分析解决问题，并利用虚拟仿真教学优势，提高“教、学、做”一体化水平，为控制工程基础课程提供可借鉴的教学模式。

参考文献

［1］刘超.《控制理论基础》课程教学改革初探［J］.教育教学论坛,2018(12):149-150.

［2］林卿.《控制工程基础》课程教学方法的改革［J］.机电产品开发与创新,2015,4(28):144-146.

［3］许晓琴,凌福林.基于工程教育论证的《控制工程基础》教学改革［J］.科技经济导刊,2018,26(33):192.

［4］宋强,师会超.基于虚拟仿真技术的控制工程基础实践教学改革和创新能力培养［J］.中国教育技术装备,2018,16(422):38-40.

作者：孙玲 李一辰 单位：大连工业大学 机械工程与自动化学院