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工程本位“自动控制原理”教学模式改革探讨

来源:原创论文网 添加时间:2014-02-16
  摘 要: 从“自动控制原理”学、用分开现象入手,探讨其“理—工”双属性特点,提出“工程本位”教学理念,借助教学内容、教学方法和考核方法三方面改革全面实现工程式教学。教学内容以工程为主线,理论和软件为两翼; 教学方法上以训为主、教为辅,变被动学习为主动探知; 考核上注重考学结合,能力至上评价方法。然后总结教改中遇到的问题及解决办法。最后用问卷数据和大赛成绩证明“工程本位”教学模式的实践效果。“工程本位”教学模式是以应用型人才培养为目标的本科院校教学发展的必然趋势并极具应用和推广价值。
  关键词: 工程本位; 教学内容; 教学方法; 考核方法; 自动控制原理

  多年教学中发现,“自动控制原理”( 简称“自控”) 考核达到 80 分、90 分是轻松的; 然而电子竞赛中,即使最常规PID 控制,学生也不知道怎么实现,如果学不能以致用,学来何用?
  首先从“自控”课程本质出发,“自控”是具有“理—工”双重属性课程。它描述的是系统内部信息的变换过程,涉及较多的数学、物理、电子、电机、机械等学科知识,非常抽象,是一门具有一定深度和难度的理论课程,它的数学本质决定了其目前授课内容是理论讲解和公式推导。另一方面“自控”还具有工程的本质,课程学习终极目标是为了解决工程问题,然而工程问题一般都复杂难以现实展现,不具备课堂讲授条件。所以目前的授课方法在教学效果上,学生只是机械地记住了若干公式定理,仅限于背结论、套公式、做计算题,不了解工程应用意义,不会分析问题的来龙去脉。不能正确把握“自控”的本质属性,片面强调理科属性,忽视了其工科属性,造成学无所用现象。
  目前国内本科院校“自控”教学较多关注理论讲解,属于理论本位教学方式。2007 年孙健提出,综合化与实践化是我国高等工程教育课程改革的趋势,这是对于工程课性质提出的实践教学第一声,是工本位思想的奠基者。2008 年袁广林在基础上继续探讨了工程类课程的包容性。中针对机电专业大胆构造了应用型人才培养理念,该构想将机电专业课程做了大规模整合,期望以实践方式提高学生动手能力。2009 年刘晓芳从“工程化”视角审视和调整了“生物医学信号处理”课程的教学规划,这种教改同本项目在指导思想上是一致的,不同的是文献中朝着工程化方向仅对教学计划作出调整,而并非工程式教学,缺乏完整的工程教学内容设计、教学方法的具体实现和配套考核方式改革。本文中提出“工程本位”教学理念,辅助教学内容、教学方法和考核方法三方面自上而下创新,全面实现工程式教学,以项目形式下发任务,在设计中学习理论和融汇方法。
  精英教育转轨大众教育多年,卓越工程师计划也是我们大力倡导并为之奋斗的,工程本位是理工类课程教学的必然趋势,针对“自控”教学内容、教学方法和考核手段三方面改革,为推动工程本位教学努力作出一些尝试。文中提出教学内容、教学方法和考核手段三方面改革具体措施同样适用于本科教育中一切具有“理—工”属性的课程。“自控”教学内容在横向上以水位控制、温度控制和小车控制系统、通信系统划分为四个并列工程,纵向推进上按照理论难度由浅入深的方式分阶段进行,结合案例,讲解方案介绍定理,最后应用 C 语言编程完成方案。
  以水位控制系统设计为例,工程分为四个阶段推进: 提出问题、分析问题、解答问题和总结问题。即以工程情境引出问题,以数学方式解析出设计指标,方案设计论证以及经验总结、理论升华。具体步骤: 第一,建立数学模型; 第二,系统分析; 第三,控制方案设计; 第四,系统参数整定。第一部分中蕴含系统微分方程模型、传递函数和方框图理论知识;第二部分包括系统时域瞬态和稳态响应分析内容; 第三部分需要介绍的理论内容是经典 PID 控制方案; 第四部分蕴含的理论知识是参数整定和系统校正。通过这四个阶段,基本完成了控制系统基于时域和频域分析设计以及重要定理学习过程。温度控制系统是对上一阶段理论知识和设计方法的应用练习以及巩固应用。
  控制系统频域分析以及设计是通过通信系统展开的。最后用小车自动控制系统设计完成基本知识以及技能掌握情况考核。以往“自控”教学中教师全程讲解,是独角戏的过程,即使配合启发式教学,学生还是难以做到自发主动学习。当学生们全部精力用来消化理论、做题证明时,学生的思想被抽象的定理僵化了,这还是一个被动消化吸收过程,因而鲜有学生能够提出“这个怎么用”“什么情况用”“解决怎样的工程问题”等问题。
  而以训为主的教学中,所有的问题变得具体和鲜活了,学生们有很多问题亟待解决,知识的汲取变得主动而又迫切,这样的教学方法从认知心态的角度保证了学习的效果。将学生划分小组设计和学习工程项目,“训为主”方法使学生的学习主体地位得到保障,有更多机会表达分析问题解决问题的能力。在前三个项目学习中,授课教师给出学生学习态度、学习能力和学习效果评价,在总成绩中占 50 分。
  最后设计小车控制系统考核题目,涵盖时域和复数域 4个知识点、频率域 2 个知识点,考核学生解决问题的能力,在总成绩中占 50 分。当然问题的解决办法不拘于传授框架内的知识,可以拓展采用任何新方法,只要达到系统控制指标,即认为设计是成功的。突出能力至上评价原则,新方法加 10分,考核学生创新能力。这种 50 +50 +10 的考评分数避免了平时不学习、考试抱佛脚的应试考评盲点,同时对于创造性思维学生增加了 50+ 10 的能力 + 创新评价。
  评价方法上遵循能力至上原则,将考学结合,学中有评价,考中有学习。即最后不是用分数对一门课画上句号,而是教师会详细点评每组设计方案,提出改进方向,指出没有掌握的知识点,在考试中上好最后一堂课。教改前期往届学生不记名问卷调查显示,认为“自控”很有兴趣的学生不到 10%,认为还可以的不到 30%。通过“工程本位”教改,以上数据分别提高到 20%和 60%。
  学习兴趣是成绩的保障,成绩是教学质量的证明。所以教学质量提高是兴趣提高的必然结果。采用全国飞思卡尔大赛成绩、毕业生问卷调查作为直接指标,就业率作为间接指标考核教学质量。“工程本位 ”教学实施后,飞思卡尔大赛获奖实现从 0 到 3 项的突破,毕业生认为“工程本位”对当前工作有帮助的达到 50%,就业率提高了 1%。黑龙江八一农垦大学“自控”授课学时是 52 学时,其中理论 46 学时,实验 6 学时。“工程本位”授课方式中贯穿了四个控制工程,势必会造成原有教学时间局促,难以完成教学任务。将 46 理论学时中 8 ~10 学时习题、练习课剥离,与实验 6 学时加在一起,再额外增加 4 学时,用于工程案例及环境介绍、软件编程以及工程方案设计,在时间上保证了教改实施。在本次教学改革中需要特别注意授课进程的掌握,做到详略得当,适度增减,张弛有度,既要掌握好教学进度,又要落实好“工程本位”主导思想。
  以往理论课教学都是在教室或 Newclass 教学平台上开展,实验课是在实验室开展,而本教改授课方式集授课、实验和考核于一体,授课需要在实验室进行,配备电脑,配置 C 语言软件环境,而且授课前期需要完成水位、温度、通信、小车控制系统实物设计。目前国内没有工程式教学教材,没有成熟的经验可以借鉴。2011—2012 年,“工程本位”教改理念通过黑龙江八一农垦大学校级教改课题“自控案例式教学方法”得以初步践行。教改中以一个工程实例贯穿于自控教学全过程,以实例说明理论,用理论升华实例,学用结合,效果非常好。此次教改在原改革基础上深化教学内容改革,完善教学方法和考核方法改革,在原教学大纲和讲稿中增加工程实例,适当位置配置理论讲解,最终形成了此次教改大纲和讲稿。
  改变“自控”理论本位传统教学模式,创新发展工程本位教学模式。在工程中穿插讲解经典控制理论,可以提升学生对“自控”课程的兴趣,加深核心内容掌握程度以及拓展实际应用能力,使学生们真正理解和消化吸收该课程的主要内容,进一步提高理论结合实际的能力,最终实现自动化工程师的培养目标,解决领域内的自控工程问题。转变理论本位教学现状,发展工程本位教学方法是应用型人才培养方式的必然趋势。工程本位教学方法适合以应用型人才培养为目标的本科院校,工程本位教学理念适合应用在各专业工程类课程教学中,例如自动化、电子、通信工程、机械等专业。
  “自控”是自动化、电子、通信等专业学生大学中较早接触到的一门“理—工”课程,以往的教学内容重理轻工,注重普适性分析方法讲解,忽视了学生的学习兴趣和实践能力。工程本位教学方法以工程为主线,辅以数理和工具软件介绍,通过实例,使学生了解工程概念,树立工程思维模式,突破高中以来形成的数理学习思维模式,为后续工程类课程学习奠定了良好基础。因为一旦明白了从理论到实践是怎样转化的,不仅在“自控”中会转化,对后续其他课程应用有举一反三的启迪作用。工程本位教学方法适合并可以推广到“理—工”以及“工”类课程教学中,具有推广价值。
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