控制工程混合式教學(xué)研究

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［摘要］針對(duì)教育部新工科研究與實(shí)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(shí)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(wèn)題的能力，促使學(xué)生積極的、自主的完成課程的知識(shí)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(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》，國(guó)家為實(shí)施“一帶一路”倡議，“中國(guó)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(shì)在必行。機(jī)械類專業(yè)作為工科類的傳統(tǒng)專業(yè)，響應(yīng)黨的號(hào)召，結(jié)合工程實(shí)踐，從根本上改進(jìn)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(chǔ)是機(jī)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(shí)域，頻域中對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性和快速響應(yīng)性進(jìn)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(diǎn)是以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，因此對(duì)數(shù)學(xué)的基本功要求比較高，理論性較強(qiáng)，課程中的公式和概念較多，數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)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(guò)程中過(guò)于注重理論分析，導(dǎo)致理論與實(shí)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(shí)壓縮嚴(yán)重，很難在有限課堂時(shí)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(shí)間內(nèi)掌握這門課程，結(jié)合新工科教育改革，對(duì)控制工程基礎(chǔ)課程進(jìn)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(dòng)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(duì)這門課程進(jìn)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(duì)教學(xué)的促進(jìn)、課程設(shè)計(jì)過(guò)程中理論與實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題聯(lián)系等幾個(gè)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(guò)將工程教育論證理念引入課程的方式，通過(guò)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(jìn)行課程改革[3]。宋強(qiáng)通過(guò)采用多種仿真軟件結(jié)合的方式建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室增強(qiáng)實(shí)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(shí)踐的校教學(xué)改革項(xiàng)目，針對(duì)本校學(xué)生的特點(diǎn)和教學(xué)環(huán)境開(kāi)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(diǎn)，通過(guò)分組討論和設(shè)計(jì)的方式，將學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和解決問(wèn)題的能力，團(tuán)隊(duì)合作的精神融入解決問(wèn)題和設(shè)計(jì)項(xiàng)目的過(guò)程中，以問(wèn)題為導(dǎo)向促使學(xué)生積極的、自主的完成課程的知識(shí)構(gòu)建。

一、課程總體設(shè)計(jì)思想

控制工程基礎(chǔ)課程在機(jī)械制造，材料成型控制，機(jī)械電子，食品加工，交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。本課程是本校機(jī)械學(xué)院機(jī)械制造及自動(dòng)化，機(jī)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(shí)短內(nèi)容多等特點(diǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題，將課程中的教學(xué)內(nèi)容與項(xiàng)目或?qū)嶋H案例相結(jié)合，改進(jìn)課堂部分教學(xué)內(nèi)容，增加學(xué)生課下的實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，幫助同學(xué)更好地掌握本門課程的專業(yè)知識(shí)內(nèi)容，并達(dá)到學(xué)以致用的目的。具體實(shí)施時(shí)，首先根據(jù)教學(xué)目標(biāo)修改教學(xué)大綱中教學(xué)內(nèi)容和課時(shí)，壓縮一定的課時(shí)量作為學(xué)生課后自學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容；其次改變授課方式，加強(qiáng)課堂上的師生互動(dòng)。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(shí)點(diǎn)，然后拋出更深層次的問(wèn)題，在課堂中留出足夠的時(shí)間，讓學(xué)生以小組為單位，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行討論分析并給出答案，加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的掌握，同時(shí)為學(xué)生提供了主動(dòng)學(xué)習(xí)交流的機(jī)會(huì)，課堂中老師與學(xué)生的互動(dòng)環(huán)節(jié)加強(qiáng)。另外，部分課堂教學(xué)內(nèi)容以虛擬仿真方式進(jìn)行講授，增加學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以綜合性和實(shí)際性問(wèn)題為主，讓每個(gè)學(xué)生都能親自動(dòng)手解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的操作動(dòng)手能力。同時(shí)增加課后實(shí)際環(huán)節(jié)，以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，以小組形式，查找實(shí)際案例，結(jié)合本門課程，給出分析和設(shè)計(jì)過(guò)程。最后，考核方式增加平時(shí)考核環(huán)節(jié)及內(nèi)容。本課程最終成績(jī)總計(jì)100分，其中平日成績(jī)占40%，期末閉卷考試占60%。平日成績(jī)的具體考核細(xì)則如下：平時(shí)成績(jī)則由五部分組成，包括平時(shí)作業(yè)成績(jī)5%，隨堂問(wèn)題解決成績(jī)占10%，課后案例任務(wù)成績(jī)占10%，實(shí)驗(yàn)成績(jī)占10%，平時(shí)出勤成績(jī)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)引入到教學(xué)文檔中，并考慮課下實(shí)踐環(huán)節(jié)，修改教學(xué)文檔。實(shí)施過(guò)程中分課堂、課下和實(shí)驗(yàn)三部分：課堂中，從簡(jiǎn)到難的結(jié)合工程實(shí)例引入知識(shí)點(diǎn)，講解難點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容，同時(shí)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(guò)啟發(fā)學(xué)生和分組討論的形勢(shì)分析解決問(wèn)題，同時(shí)，將信息化的內(nèi)容引入教學(xué)過(guò)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(wèn)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(shí)現(xiàn)課內(nèi)與課外相結(jié)合，最終以報(bào)告形式上交。實(shí)驗(yàn)部分，結(jié)合虛擬仿真軟件對(duì)時(shí)域、頻域、穩(wěn)定性和誤差進(jìn)行仿真分析，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。最后對(duì)所有內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)分析，提出改進(jìn)意見(jiàn)，在具體教學(xué)中根據(jù)實(shí)際出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)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(shí)例帶入課堂，將課程理論知識(shí)與工程實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，盡量弱化理論推導(dǎo)以及理論驗(yàn)證性的舉例，重點(diǎn)講解理論的運(yùn)用實(shí)例，加深學(xué)生對(duì)基本概念與原理的理解。例如在講解數(shù)學(xué)模型時(shí)，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(shí)際系統(tǒng)為什么會(huì)簡(jiǎn)化成該模型。應(yīng)該改變講解方式，由實(shí)體模型入手，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行抽象概括，總結(jié)出簡(jiǎn)化模型，再進(jìn)行微分方程建模。以第二章節(jié)為例，通過(guò)學(xué)生們實(shí)際操作過(guò)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(duì)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(dāng)章節(jié)中先進(jìn)行拋錨式教學(xué)，提出結(jié)合實(shí)際的問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；課程快結(jié)束時(shí)，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(jì)實(shí)現(xiàn)課題指標(biāo)，下次課程由小組進(jìn)行分組講解，使每個(gè)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(jiàn)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(guò)程，完成課題設(shè)計(jì)，通過(guò)查資料、討論的方式幫助學(xué)生加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的認(rèn)知和理解，同時(shí)培養(yǎng)同學(xué)的自學(xué)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

（四）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)虛擬仿真教學(xué)：課程中包含時(shí)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(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，基于Matlab軟件開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，課程中通過(guò)軟件仿真動(dòng)態(tài)演示分析結(jié)果，使課程變得生動(dòng)。并結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使同學(xué)們通過(guò)計(jì)算機(jī)親自動(dòng)手編程、演示結(jié)果進(jìn)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(jī)房實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組成。平日成績(jī)占100分的40%，其中平時(shí)出勤成績(jī)占5%，要求學(xué)生課堂提前5—10分鐘進(jìn)入教室，點(diǎn)名采取隨機(jī)點(diǎn)名方式，無(wú)故缺席3次，平時(shí)出勤成績(jī)?yōu)?，且不得參加期末考試。平時(shí)作業(yè)成績(jī)5%，以個(gè)人為單位給成績(jī)，如出現(xiàn)抄襲情況，一律為0分。隨堂問(wèn)題解決成績(jī)占10%，以小組為單位給成績(jī)，課堂上根據(jù)教學(xué)內(nèi)容提出問(wèn)題，小組協(xié)作完成，以計(jì)時(shí)的方式提交答案，課下根據(jù)完成度給出成績(jī)。課后案例任務(wù)成績(jī)占10%，小組課下完成，并于第二次上課前提交報(bào)告，完成的作業(yè)需標(biāo)注每位成員的具體分工，依據(jù)每人的貢獻(xiàn)大小給分。教師會(huì)在課題上根據(jù)每人完成的具體分工提問(wèn)，保證內(nèi)容的真實(shí)性。實(shí)驗(yàn)成績(jī)占10%，要求學(xué)生提前5—10分鐘進(jìn)入機(jī)房，并打開(kāi)計(jì)算機(jī)做實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作。學(xué)生在老師的指導(dǎo)和安排下獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，根據(jù)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成度、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)果準(zhǔn)確度給成績(jī)，如發(fā)現(xiàn)雷同報(bào)告，需重做實(shí)驗(yàn)并重新完成報(bào)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(jī)總分100分，占課程總成績(jī)的60%，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)給成績(jī)。學(xué)生的總成績(jī)由最終的平日成績(jī)和期末卷面成績(jī)組成。對(duì)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(jī)，未教改前的2018—2019學(xué)期不及格率達(dá)50.00%，教改后的2019—2020學(xué)期不及格率為21.54%，成績(jī)有所提升。

三、總結(jié)

通過(guò)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(shí)際，循序漸進(jìn)地設(shè)計(jì)課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)任務(wù)，通過(guò)啟發(fā)引出問(wèn)題，小組討論分析解決問(wèn)題，并利用虛擬仿真教學(xué)優(yōu)勢(shì)，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(xiàn)

［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(jī)電產(chǎn)品開(kāi)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(jì)導(dǎo)刊,2018,26(33):192.

［4］宋強(qiáng),師會(huì)超.基于虛擬仿真技術(shù)的控制工程基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)改革和創(chuàng)新能力培養(yǎng)［J］.中國(guó)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(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院