控制工程混合式教學(xué)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(chǔ)課程改革為例，結(jié)合工程實際，在原有課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上研究課程改革方法，提出了基于案例式教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、分組討論、虛擬仿真教學(xué)相結(jié)合的混合教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和解決問題的能力，促使學(xué)生積極的、自主的完成課程的知識構(gòu)建。
［關(guān)鍵詞］控制工程基礎(chǔ)；混合式教學(xué)；課程改革
引言
教育部高等教育司下發(fā)了《關(guān)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(shù)水平，因此，高等學(xué)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(yīng)黨的號召，結(jié)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。控制工程基礎(chǔ)是機械類專業(yè)所必須學(xué)習(xí)的一門專業(yè)基礎(chǔ)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(yīng)性進行分析，在專業(yè)學(xué)習(xí)中起到了承上啟下的作用。目前這門課的特點是以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)進行分析，因此對數(shù)學(xué)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(xué)推導(dǎo)過多，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)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(dǎo)致理論與實際略有脫軌，學(xué)生不易理解、消化和吸收，最終產(chǎn)生厭學(xué)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(xué)生理解消化所學(xué)內(nèi)容。顯然，傳統(tǒng)的理論講授教學(xué)方式不適合學(xué)生在短時間內(nèi)掌握這門課程，結(jié)合新工科教育改革，對控制工程基礎(chǔ)課程進行教學(xué)改革，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動手能力顯得十分必要。為了提高課堂教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，許多高校的學(xué)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(xué)內(nèi)容、授課教師科研發(fā)展，對教學(xué)的促進、課程設(shè)計過程中理論與實際復(fù)雜工程問題聯(lián)系等幾個方面結(jié)合的教學(xué)改革方法[1]。林卿提出利用MATLAB軟件與教學(xué)內(nèi)容結(jié)合的教學(xué)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(xué)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(jié)合的方式建設(shè)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(chǔ)課程混合式教學(xué)研究與實踐的校教學(xué)改革項目，針對本校學(xué)生的特點和教學(xué)環(huán)境開展多種模式混合的全新課堂教學(xué)模式。該模式綜合了傳統(tǒng)的案例式教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)的特點，通過分組討論和設(shè)計的方式，將學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和解決問題的能力，團隊合作的精神融入解決問題和設(shè)計項目的過程中，以問題為導(dǎo)向促使學(xué)生積極的、自主的完成課程的知識構(gòu)建。
一、課程總體設(shè)計思想
控制工程基礎(chǔ)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(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。本課程是本校機械學(xué)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(chǔ)課程。課程存在理論和數(shù)學(xué)推導(dǎo)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(xué)內(nèi)容與項目或?qū)嶋H案例相結(jié)合，改進課堂部分教學(xué)內(nèi)容，增加學(xué)生課下的實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和團隊合作能力，幫助同學(xué)更好地掌握本門課程的專業(yè)知識內(nèi)容，并達到學(xué)以致用的目的。具體實施時，首先根據(jù)教學(xué)目標修改教學(xué)大綱中教學(xué)內(nèi)容和課時，壓縮一定的課時量作為學(xué)生課后自學(xué)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(xué)生為中心，教師作為引導(dǎo)者，以案例形式引出關(guān)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(xué)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(guān)鍵知識點的掌握，同時為學(xué)生提供了主動學(xué)習(xí)交流的機會，課堂中老師與學(xué)生的互動環(huán)節(jié)加強。另外，部分課堂教學(xué)內(nèi)容以虛擬仿真方式進行講授，增加學(xué)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(xué)生都能親自動手解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的操作動手能力。同時增加課后實際環(huán)節(jié)，以實際應(yīng)用為導(dǎo)向，以小組形式，查找實際案例，結(jié)合本門課程，給出分析和設(shè)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(wù)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(xué)方案
（一）課程總體方案結(jié)合專業(yè)特色，以培養(yǎng)學(xué)生的實際應(yīng)用能力為目的，提出了基于案例式教學(xué)+啟發(fā)式教學(xué)+分組討論+虛擬仿真教學(xué)相結(jié)合的混合教學(xué)研究方法。首先，根據(jù)教學(xué)目的，提出基于理論和實際相結(jié)合的案例式教學(xué)方法。根據(jù)教學(xué)方法，將案例和虛擬實驗環(huán)節(jié)引入到教學(xué)文檔中，并考慮課下實踐環(huán)節(jié)，修改教學(xué)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(jié)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(xué)和分組討論相結(jié)合的教學(xué)方法，通過啟發(fā)學(xué)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(xué)過程中，構(gòu)建基于虛擬仿真演示的教學(xué)模式；使課堂內(nèi)容更豐富、更形象。課下，以小組形式結(jié)合工程問題，查找案例，從最初的數(shù)學(xué)建模，到最后系統(tǒng)的分析和優(yōu)化結(jié)合課堂內(nèi)容逐步完成，實現(xiàn)課內(nèi)與課外相結(jié)合，最終以報告形式上交。實驗部分，結(jié)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(jié)分析，提出改進意見，在具體教學(xué)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(xué)：在課堂中，教師將工程應(yīng)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(dǎo)以及理論驗證性的舉例，重點講解理論的運用實例，加深學(xué)生對基本概念與原理的理解。例如在講解數(shù)學(xué)模型時，往往直接給出質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)的抽象模型，學(xué)生很難理解實際系統(tǒng)為什么會簡化成該模型。應(yīng)該改變講解方式，由實體模型入手，啟發(fā)學(xué)生進行抽象概括，總結(jié)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(xué)生們實際操作過的車床為例，講解數(shù)學(xué)建模，講解如何將車床等效為質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)，加深學(xué)生對模型的深入理解。
（三）學(xué)習(xí)方式啟發(fā)式教學(xué)+分組討論：在課程中的適當章節(jié)中先進行拋錨式教學(xué)，提出結(jié)合實際的問題，引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；課程快結(jié)束時，結(jié)合本節(jié)課的內(nèi)容給出小課題，學(xué)生分組課下討論構(gòu)思，設(shè)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(xué)生都能積極的參與到學(xué)習(xí)中。以建模為例，課下采用分組形式，讓小組同學(xué)結(jié)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(shè)計，通過查資料、討論的方式幫助學(xué)生加深對所學(xué)內(nèi)容的認知和理解，同時培養(yǎng)同學(xué)的自學(xué)能力和團隊合作能力。
（四）實驗環(huán)節(jié)虛擬仿真教學(xué)：課程中包含時域響應(yīng)分析、頻域響應(yīng)分析、穩(wěn)定性分析等章節(jié)，純理論推導(dǎo)導(dǎo)致課程枯燥乏味。在這些環(huán)節(jié)中引入計算機輔助技術(shù)，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(jié)果，使課程變得生動。并結(jié)合實驗教學(xué)，使同學(xué)們通過計算機親自動手編程、演示結(jié)果進一步理解所學(xué)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(xué)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(xué)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(wù)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(xué)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(xué)生在老師的指導(dǎo)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(jié)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(xué)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(xué)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(xué)期和2019—2020學(xué)期所教專業(yè)的期末成績，未教改前的2018—2019學(xué)期不及格率達50.00%，教改后的2019—2020學(xué)期不及格率為21.54%，成績有所提升。
三、總結(jié)
通過研究案例式教學(xué)+啟發(fā)式教學(xué)+分組討論+虛擬仿真教學(xué)相結(jié)合的混合教學(xué)方法。遵循學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)規(guī)律，由易到難，結(jié)合工程實際，循序漸進地設(shè)計課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)任務(wù)，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(xué)優(yōu)勢，提高“教、學(xué)、做”一體化水平，為控制工程基礎(chǔ)課程提供可借鑒的教學(xué)模式。
參考文獻
［1］劉超.《控制理論基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革初探［J］.教育教學(xué)論壇,2018(12):149-150.
［2］林卿.《控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)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(chǔ)》教學(xué)改革［J］.科技經(jīng)濟導(dǎo)刊,2018,26(33):192.
［4］宋強,師會超.基于虛擬仿真技術(shù)的控制工程基礎(chǔ)實踐教學(xué)改革和創(chuàng)新能力培養(yǎng)［J］.中國教育技術(shù)裝備,2018,16(422):38-40.
作者：孫玲 李一辰 單位：大連工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院
