控制工程混合式教學研究

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［摘要］針對教育部新工科研究與實踐的工程教育改革創(chuàng)新要求，以控制工程基礎課程改革為例，結合工程實際，在原有課程內(nèi)容的基礎上研究課程改革方法，提出了基于案例式教學、啟發(fā)式教學、分組討論、虛擬仿真教學相結合的混合教學方法，激發(fā)學生的自主學習和解決問題的能力，促使學生積極的、自主的完成課程的知識構建。

［關鍵詞］控制工程基礎；混合式教學；課程改革

引言

教育部高等教育司下發(fā)了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，國家為實施“一帶一路”倡議，“中國制造2025”等重大戰(zhàn)略，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新，提高新工程科技人員的技術水平，因此，高等學府中的工科類課程改革創(chuàng)新勢在必行。機械類專業(yè)作為工科類的傳統(tǒng)專業(yè)，響應黨的號召，結合工程實踐，從根本上改進新型工程類人才的培養(yǎng)模式和培養(yǎng)方法迫在眉睫?？刂乒こ袒A是機械類專業(yè)所必須學習的一門專業(yè)基礎課程，課程基于傳遞函數(shù)的單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的控制理論，在時域，頻域中對系統(tǒng)的穩(wěn)定性，準確性和快速響應性進行分析，在專業(yè)學習中起到了承上啟下的作用。目前這門課的特點是以數(shù)學模型為基礎進行分析，因此對數(shù)學的基本功要求比較高，理論性較強，課程中的公式和概念較多，數(shù)學推導過多，導致學生在學習這門課程中感到抽象難懂，難以有效地掌握這門課程的內(nèi)容。老師授課過程中過于注重理論分析，導致理論與實際略有脫軌，學生不易理解、消化和吸收，最終產(chǎn)生厭學情緒，掛科率較高。且現(xiàn)在的課時壓縮嚴重，很難在有限課堂時間里使學生理解消化所學內(nèi)容。顯然，傳統(tǒng)的理論講授教學方式不適合學生在短時間內(nèi)掌握這門課程，結合新工科教育改革，對控制工程基礎課程進行教學改革，提高課堂教學質量，提高學生的學習動手能力顯得十分必要。為了提高課堂教學質量，提高學生的學習興趣，許多高校的學者針對這門課程進行了一系列的改革與探索。劉超提出了基于教材、教學內(nèi)容、授課教師科研發(fā)展，對教學的促進、課程設計過程中理論與實際復雜工程問題聯(lián)系等幾個方面結合的教學改革方法[1]。林卿提出利用MATLAB軟件與教學內(nèi)容結合的教學改革模式[2]。許曉琴等通過將工程教育論證理念引入課程的方式，通過優(yōu)化課程教學內(nèi)容、與其他課程融合、改革課程考核方法等措施進行課程改革[3]。宋強通過采用多種仿真軟件結合的方式建設虛擬實驗室增強實踐環(huán)節(jié)的方式[4]。本文基于控制工程基礎課程混合式教學研究與實踐的校教學改革項目，針對本校學生的特點和教學環(huán)境開展多種模式混合的全新課堂教學模式。該模式綜合了傳統(tǒng)的案例式教學、啟發(fā)式教學和虛擬仿真教學的特點，通過分組討論和設計的方式，將學生的自主學習和解決問題的能力，團隊合作的精神融入解決問題和設計項目的過程中，以問題為導向促使學生積極的、自主的完成課程的知識構建。

一、課程總體設計思想

控制工程基礎課程在機械制造，材料成型控制，機械電子，食品加工，交通運輸?shù)雀鱾€領域的應用較為廣泛。本課程是本校機械學院機械制造及自動化，機械電子工程和材料成型與控制專業(yè)的專業(yè)基礎課程。課程存在理論和數(shù)學推導多，內(nèi)容較抽象，課時短內(nèi)容多等特點。針對這些問題，將課程中的教學內(nèi)容與項目或實際案例相結合，改進課堂部分教學內(nèi)容，增加學生課下的實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的自主學習能力和團隊合作能力，幫助同學更好地掌握本門課程的專業(yè)知識內(nèi)容，并達到學以致用的目的。具體實施時，首先根據(jù)教學目標修改教學大綱中教學內(nèi)容和課時，壓縮一定的課時量作為學生課后自學和實踐內(nèi)容；其次改變授課方式，加強課堂上的師生互動。講課以學生為中心，教師作為引導者，以案例形式引出關鍵性知識點，然后拋出更深層次的問題，在課堂中留出足夠的時間，讓學生以小組為單位，對問題進行討論分析并給出答案，加強對關鍵知識點的掌握，同時為學生提供了主動學習交流的機會，課堂中老師與學生的互動環(huán)節(jié)加強。另外，部分課堂教學內(nèi)容以虛擬仿真方式進行講授，增加學生對知識的理解；實驗內(nèi)容以綜合性和實際性問題為主，讓每個學生都能親自動手解決問題，培養(yǎng)學生的操作動手能力。同時增加課后實際環(huán)節(jié)，以實際應用為導向，以小組形式，查找實際案例，結合本門課程，給出分析和設計過程。最后，考核方式增加平時考核環(huán)節(jié)及內(nèi)容。本課程最終成績總計100分，其中平日成績占40%，期末閉卷考試占60%。平日成績的具體考核細則如下：平時成績則由五部分組成，包括平時作業(yè)成績5%，隨堂問題解決成績占10%，課后案例任務成績占10%，實驗成績占10%，平時出勤成績占5%。

二、課程具體教學方案

（一）課程總體方案結合專業(yè)特色，以培養(yǎng)學生的實際應用能力為目的，提出了基于案例式教學+啟發(fā)式教學+分組討論+虛擬仿真教學相結合的混合教學研究方法。首先，根據(jù)教學目的，提出基于理論和實際相結合的案例式教學方法。根據(jù)教學方法，將案例和虛擬實驗環(huán)節(jié)引入到教學文檔中，并考慮課下實踐環(huán)節(jié)，修改教學文檔。實施過程中分課堂、課下和實驗三部分：課堂中，從簡到難的結合工程實例引入知識點，講解難點和重點內(nèi)容，同時基于啟發(fā)式教學和分組討論相結合的教學方法，通過啟發(fā)學生和分組討論的形勢分析解決問題，同時，將信息化的內(nèi)容引入教學過程中，構建基于虛擬仿真演示的教學模式；使課堂內(nèi)容更豐富、更形象。課下，以小組形式結合工程問題，查找案例，從最初的數(shù)學建模，到最后系統(tǒng)的分析和優(yōu)化結合課堂內(nèi)容逐步完成，實現(xiàn)課內(nèi)與課外相結合，最終以報告形式上交。實驗部分，結合虛擬仿真軟件對時域、頻域、穩(wěn)定性和誤差進行仿真分析，提交實驗報告。最后對所有內(nèi)容進行總結分析，提出改進意見，在具體教學中根據(jù)實際出現(xiàn)的問題進行不斷的完善。

（二）授課方式案例式教學：在課堂中，教師將工程應用實例帶入課堂，將課程理論知識與工程實際聯(lián)系起來，盡量弱化理論推導以及理論驗證性的舉例，重點講解理論的運用實例，加深學生對基本概念與原理的理解。例如在講解數(shù)學模型時，往往直接給出質量—彈簧—阻尼系統(tǒng)的抽象模型，學生很難理解實際系統(tǒng)為什么會簡化成該模型。應該改變講解方式，由實體模型入手，啟發(fā)學生進行抽象概括，總結出簡化模型，再進行微分方程建模。以第二章節(jié)為例，通過學生們實際操作過的車床為例，講解數(shù)學建模，講解如何將車床等效為質量—彈簧—阻尼系統(tǒng)，加深學生對模型的深入理解。

（三）學習方式啟發(fā)式教學+分組討論：在課程中的適當章節(jié)中先進行拋錨式教學，提出結合實際的問題，引發(fā)學生學習興趣；課程快結束時，結合本節(jié)課的內(nèi)容給出小課題，學生分組課下討論構思，設計實現(xiàn)課題指標，下次課程由小組進行分組講解，使每個學生都能積極的參與到學習中。以建模為例，課下采用分組形式，讓小組同學結合身邊常見的案例，從系統(tǒng)的原理分析，到畫流程圖，建立微分方程，求傳遞函數(shù)等一系列的過程，完成課題設計，通過查資料、討論的方式幫助學生加深對所學內(nèi)容的認知和理解，同時培養(yǎng)同學的自學能力和團隊合作能力。

（四）實驗環(huán)節(jié)虛擬仿真教學：課程中包含時域響應分析、頻域響應分析、穩(wěn)定性分析等章節(jié)，純理論推導導致課程枯燥乏味。在這些環(huán)節(jié)中引入計算機輔助技術，基于Matlab軟件開發(fā)虛擬仿真實驗，課程中通過軟件仿真動態(tài)演示分析結果，使課程變得生動。并結合實驗教學，使同學們通過計算機親自動手編程、演示結果進一步理解所學內(nèi)容。

（五）考核環(huán)節(jié)課程由14次課堂理論內(nèi)容，2次機房實驗內(nèi)容組成。平日成績占100分的40%，其中平時出勤成績占5%，要求學生課堂提前5—10分鐘進入教室，點名采取隨機點名方式，無故缺席3次，平時出勤成績?yōu)?，且不得參加期末考試。平時作業(yè)成績5%，以個人為單位給成績，如出現(xiàn)抄襲情況，一律為0分。隨堂問題解決成績占10%，以小組為單位給成績，課堂上根據(jù)教學內(nèi)容提出問題，小組協(xié)作完成，以計時的方式提交答案，課下根據(jù)完成度給出成績。課后案例任務成績占10%，小組課下完成，并于第二次上課前提交報告，完成的作業(yè)需標注每位成員的具體分工，依據(jù)每人的貢獻大小給分。教師會在課題上根據(jù)每人完成的具體分工提問，保證內(nèi)容的真實性。實驗成績占10%，要求學生提前5—10分鐘進入機房，并打開計算機做實驗前的準備工作。學生在老師的指導和安排下獨立完成實驗，并提交實驗報告，根據(jù)實驗表現(xiàn)、實驗內(nèi)容完成度、實驗內(nèi)容結果準確度給成績，如發(fā)現(xiàn)雷同報告，需重做實驗并重新完成報告。最后，按照學校的要求，期末考試采用閉卷筆試的形式，卷面成績總分100分，占課程總成績的60%，嚴格按照標準給成績。學生的總成績由最終的平日成績和期末卷面成績組成。對比分析了2018—2019學期和2019—2020學期所教專業(yè)的期末成績，未教改前的2018—2019學期不及格率達50.00%，教改后的2019—2020學期不及格率為21.54%，成績有所提升。

三、總結

通過研究案例式教學+啟發(fā)式教學+分組討論+虛擬仿真教學相結合的混合教學方法。遵循學生學習能力的培養(yǎng)規(guī)律，由易到難，結合工程實際，循序漸進地設計課程內(nèi)容和學習任務，通過啟發(fā)引出問題，小組討論分析解決問題，并利用虛擬仿真教學優(yōu)勢，提高“教、學、做”一體化水平，為控制工程基礎課程提供可借鑒的教學模式。

參考文獻

［1］劉超.《控制理論基礎》課程教學改革初探［J］.教育教學論壇,2018(12):149-150.

［2］林卿.《控制工程基礎》課程教學方法的改革［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2015,4(28):144-146.

［3］許曉琴,凌福林.基于工程教育論證的《控制工程基礎》教學改革［J］.科技經(jīng)濟導刊,2018,26(33):192.

［4］宋強,師會超.基于虛擬仿真技術的控制工程基礎實踐教學改革和創(chuàng)新能力培養(yǎng)［J］.中國教育技術裝備,2018,16(422):38-40.

作者：孫玲 李一辰 單位：大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院