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控制工程基础教学内容优化

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[摘要]

高校是人才培养的主阵地,课堂教学是影响人才培养质量的关键因素,而教学内容和教材则是决定教学效果优劣的重要因素。控制工程基础课程教学团队结合课程的特点、学生的实际和学校的特色,采取一系列策略优化教学内容并建成了立体化教材。经过几年实践表明,教学内容的优化与教材的建设可以提高课堂教学的有效性。

[关键词]

教学内容;优化;立体化教材

现阶段,高校学生获取知识,发展素质和提升能力主要依靠课堂教学。教学内容作为课堂教学的重要组成要素,为实现教育教学目标而服务。通过优化教学内容和加强教材建设,可以有效地调动学生学习的积极性,把“教与学”的关系落到实处,起到提高教学效率,增加课堂教学有效性的效果。控制工程基础是我校非控制类专业的一门专业基础课程,在2009年被评为辽宁省省级精品课程。课程涉及多学科知识,理论性与综合性很强,在教学中存在着“教师难教,学生难学”和“内容多,学时少”两个问题。多年来,教学团队从多角度思考课程建设的问题,在优化教学内容和加强教材建设方面取得一些可喜的成果。

一、优化教学内容

教学内容的优化是完成教学目标,提高课堂教学的有效性和促进人才培养的重要途径。本课程教学团队对教学内容进行了优化,在教学内容的组织上遵循循序渐进、逐步深化的原则,强调基本概念的理解和应用,注重学生的工程应用能力的培养。本课程对教学内容进行优化,采取的策略如下。

(一)采用模块化的知识结构采用模块化的知识结构,有利于学生对控制理论的知识体系有一个整体上的把握。本课程总体分为基本知识、系统分析和系统校正三部分内容。基本知识部分包括控制理论的基本概念、控制系统的类型、控制系统的性能指标及控制系统的数学模型的建立几方面的内容。系统分析部分以三大分析方法为主线,明确如何利用时域分析、频域分析和根轨迹分析方法,分析系统的稳定性、准确性和快速性。系统校正部分阐述引入校正环节后,系统的性能有怎样的改善。

(二)体现专业和航空特色教学内容要充分考虑学生的专业特点和我校航空院校的特色,在控制理论应用于工程中的实例介绍中和系统性能讲解过程中,除了机电系统外,还列举一些航空航天领域中与专业相关的工程实例,这样学生就会对所学的理论知识有直观的理解,在参与问题分析和解决的学习活动中提高学习兴趣。

(三)以够用、必需为原则,力求精简过多过繁的理论推导过程不仅会使学生产生厌烦心理,而且不利于学生对知识点的把握,因此授课内容要淡化理论推导过程,以提高学生独立思考和综合分析能力为目的,强化采用控制理论分析问题的能力培养。例如在介绍拉普拉斯变换的性质时,仅仅给出结论,利用定义等所进行的性质的证明过程就不予讲解。

(四)恰当融合先修课程本课程涉及数学、物理和电工学方面的知识,将已开设的大学物理、电工学和复变函数课程及未开设的积分变换课程的相关知识在系统建模的讲授中恰当地进行融合,以学生听懂和学会为目的。

二、加强教材建设

针对本课程在理论学习时存在的枯燥、抽象和难理解的问题,建设了可以最大限度地满足教学需要的立体化教材,包括授课主教材、实验教材、电子教材、电子课件、学习光盘和辅助参考书。几种内容采用不同的编写方式,它们之间既有重复、强调,又有交叉和补充,相互配合,形成一个有机的教学资源整体,可以克服以往教材形式单一的问题,满足现代学习者个性化和自主性的要求。

(一)编写并出版了授课主教材控制工程基础课程所选用的授课教材中存在如下问题:一是内容多而授课学时不足的矛盾;二是没有结合专业和实际的工程实例,使学生缺少学习兴趣;三是没有对各章知识点的引出和总结,使学生难以理解;四是习题数量相对较少,不利于学生巩固所学知识。针对这些问题,教学团队编写了与教学大纲相配套、符合专业特色的控制工程基础教材,教材具有如下特点:1.结构合理,重点突出删除了一般教材中的离散控制系统部分内容,精简了各个知识点的内容,重点突出基本原理。教材内容由四部分组成:第一部分为预备知识部分,主要介绍控制理论的发展历史、应用情况、控制系统的基本概念、控制系统分析时用到的数学工具———拉普拉斯变换及控制系统数学模型的建立;第二部分是系统分析部分,介绍了时域分析、根轨迹分析和频域分析的原理及方法;第三部分为系统校正部分,介绍系统校正前后指标和性能的变化;第四部分为非线性系统分析部分,介绍非线性系统分析的相平面法和描述函数法。2.丰富了感性认识材料为了加强学生的感性认识,绪论中除了介绍蒸汽机转速控制系统之外,还介绍了工业过程控制领域中常见的液位控制系统和自动驾驶仪中的飞机俯仰角控制系统,使学生初步了解自动控制的实现过程。时域性能分析时以电子心率起搏器系统和某直升飞机简化控制系统为例,使学生直观了解控制理论的基本原理和方法的具体应用,丰富了感性认识材料,提高了学生的学习兴趣。3.符合学生认知规律教材按照“为什么学—学什么—会什么”这一主线,每一章都是由引言、章节内容、本章小结、思考题和习题组成,引言部分明确学习本章知识点原因和理论产生的背景;本章小结有利于学生抓住主线知识,明确重点内容;思考题有利于促进和强化学生对基本概念和基本原理的掌握;习题能满足学生多练习的需求,且列举了一些系统实例,有助于学生分析实际控制系统。4.适用面广教材符合教学要求,不仅可以作为机械、动力、飞行器等非控制类专业本科生的教材,还可以作为相关技术人员的参考书。

(二)更新并完善实验教材仿真实验具有建模方法简单、参数调整方便、结果可视性好等优点,克服了常规实验内容单调、缺乏变化以及实验设备易损坏等不足。实验采用MATLAB仿真,逐年完善了实验教材,考虑到一些专业学生没有学习过MATLAB语言,指导书中介绍了常用的变量、数学函数和绘图方法等,实验内容包括时域分析、频域分析和根轨迹分析,设定的思考题不仅使学生能够绘制响应曲线、频率特性曲线和根轨迹,而且可以通过分析,进一步加深对基本理论的掌握。例如,根据时域响应曲线可以分析系统的稳定性、快速性和准确性;稳定性可以通过求特征根来确定,也可以由奈奎斯稳定性判据确定,还可以由伯德图得出的稳定裕量确定。

(三)制作了电子教材和电子课件制作了与教材配套的电子教材和电子课件,详细地介绍了基本原理和例题的求解过程,将此部分内容共享到网站上,便于学生随时随地学习。电子课件以简单清晰为原则,重点和主题突出,内容逐行播放,画面清晰生动,便于学生思考和对重点的掌握。

(四)制作了学习辅助光盘学习辅助光盘是文字教材的拓展。学习辅助光盘按照“总—分”的顺序给出各部分内容,先以分支图形式给出本门课程的要求、重点和难点,然后按章把学习内容分成四个部分:第一部分是每章的学时分配、学习重点、难点和知识点;第二部分是例题,便于学生掌握解题方法;第三部分是测试,结合每章的知识点给出一些选择题并附有答案,便于学生考查自己对于基本知识点的掌握情况,做到心中有数;第四部分是作业,通过完成此内容可以使学生巩固所学知识。

(五)出版了辅助教材任课教师结合工程实践经验编写了辅助教材《微机测控系统原理与设计》,于2013年由高等教育出版社出版。书中介绍了控制系统的应用实例,可以使学生加深对自动控制系统的理解,掌握测控系统的设计方法,提高理论联系实际的能力。

三、结束语

经过几年的教学实践,教学团队在教学内容优化和立体化教材建设研究方面取得了初步的成效,学生的学习积极性得到提高,及格率、优良率的比例呈现上升的趋势,成果包括:(1)结合我校人才培养目标、学生的专业特色、先修课程和学生的认知特点对教学内容进行了优化,取得了良好的教学效果。(2)建立了由主教材、实验教材、电子教材、电子课件、学习光盘和辅助教材组成的多元立体化教材,能激发学生学习的积极性和主动性,满足学生的学习需求。(3)主教材注重取长补短,借鉴了其他教材的优点,分析了其他教材存在的不足,按照学生的认知规律组织了教材的内容和次序。(4)主教材注重理论联系实际,有航空航天特色。例题和习题中列举了一些工程应用实例,有助于培养学生分析问题和解决问题等能力。

[参考文献]

[1]黄振菊.应用型课程教学内容体系的重构与优化[J].黑龙江高教研究,2012(8):176-178.

[2]李进才.优化教学内容的几点思考[J].中国大学教学,2001(5):11-13.

[3]王海峰,嵇会祥,张以科.地方工科院校教材建设的思考[J].长春工程学院学报,2013(4):123-125.

[4]许世华,曹军,谭会恒.关于校本教材建设的几点思考[J].高教论坛,2012(3):49-51.

作者:王艳辉 席剑辉 姬晓飞 单位:沈阳航空航天大学自动化学院

控制工程基础教学内容优化责任编辑:杨雪    阅读:人次