王艷輝　姬曉飛

摘 要：實(shí)驗(yàn)作為大學(xué)教育體系中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，對(duì)課程的教學(xué)效果起到直接的影響作用。在工程教育背景下，針對(duì)“控制工程基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)置不能建立直觀的系統(tǒng)概念、實(shí)驗(yàn)類型均為驗(yàn)證型、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式陳舊及忽略實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等問(wèn)題，可以通過(guò)改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)方法和加強(qiáng)教材建設(shè)等措施來(lái)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于開發(fā)學(xué)生的思維、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的綜合分析問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：工程教育；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；控制工程基礎(chǔ)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2017）07-0006-02

實(shí)施高等工程教育專業(yè)認(rèn)證，對(duì)于提高高等教育質(zhì)量，推動(dòng)高等教育在各個(gè)方面的改革有很好的促進(jìn)作用，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)工程教育國(guó)際互認(rèn)和工程師資格國(guó)際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)[1-2]。中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)在

2015年修訂并出臺(tái)了新的通用認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，畢業(yè)要求項(xiàng)包含的12項(xiàng)內(nèi)容中，工程知識(shí)、問(wèn)題分析和研究這三項(xiàng)內(nèi)容要求學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)專業(yè)知識(shí)用于解決復(fù)雜工程問(wèn)題、能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)和自然科學(xué)及工程科學(xué)的基本原理分析復(fù)雜工程問(wèn)題、能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行研究并得到合理有效的結(jié)論，為了達(dá)到這樣的要求，在課程的教學(xué)過(guò)程中對(duì)學(xué)生應(yīng)該有針對(duì)性的訓(xùn)練，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和增加實(shí)驗(yàn)分析對(duì)于學(xué)生的思維開發(fā)、綜合分析問(wèn)題的能力的提高、得出針對(duì)相關(guān)復(fù)雜工程問(wèn)題解決的有效結(jié)論是很有效的。

一、工程教育背景下實(shí)驗(yàn)改革的意義

傳統(tǒng)的高等工程教育把獲取知識(shí)、擁有知識(shí)作為課程的主要目標(biāo)。實(shí)際上，獲取的知識(shí)如果得不到應(yīng)用，就不能深化為能力，這些知識(shí)將很快被遺忘，因此，能力的培養(yǎng)應(yīng)是課程的主要目標(biāo)，要使學(xué)生自覺(jué)主動(dòng)地參與課程的學(xué)習(xí)，教師的職責(zé)不僅是授業(yè)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐中自主學(xué)習(xí)、綜合分析和創(chuàng)新的能力。

“控制工程基礎(chǔ)”課程作為沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)械、航宇和材料等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，2009年被評(píng)為遼寧省省級(jí)精品課程，理論性很強(qiáng)。作為實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)是教學(xué)過(guò)程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)對(duì)于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力、逐步地完成由學(xué)習(xí)者到實(shí)踐者的轉(zhuǎn)化，滿足社會(huì)對(duì)應(yīng)用型專業(yè)人才的需求，具有不可替代的作用[3]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)有助于把枯燥抽象的理論形象化，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，也是培養(yǎng)學(xué)生分析能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力的重要環(huán)節(jié)。

在工程教育背景下，我們必須對(duì)現(xiàn)階段的教學(xué)模式進(jìn)行調(diào)整，培養(yǎng)出具備豐富的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工程師。實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生在掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)的同時(shí)獲得一定的實(shí)踐能力和工程應(yīng)用認(rèn)識(shí)，合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，也能提高學(xué)生的獨(dú)立思考和綜合分析問(wèn)題的能力。因此，如何提高“控制工程基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐的興趣和積極性是當(dāng)前面臨的迫切任務(wù)。

二、“控制工程基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

2005年課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)將實(shí)驗(yàn)改革為Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生直觀地看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，豐富了感性認(rèn)識(shí)。但是，本課程在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法上的弊端已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)階段工程教育的需求，存在如下問(wèn)題。

（一）控制系統(tǒng)直觀概念模糊

實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是由控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)編程繪制出響應(yīng)曲線、頻率特性曲線或零極點(diǎn)分布圖，只能培養(yǎng)學(xué)生在仿真方面的初步能力，學(xué)生接觸到的僅僅是抽象的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，是一堆堆的字符和數(shù)字，對(duì)控制系統(tǒng)的理解仍停留在傳遞函數(shù)階段。這種教學(xué)模式，使得學(xué)生很難將抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)式與實(shí)際的控制系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，難以對(duì)控制系統(tǒng)建立起直觀的概念。

（二）實(shí)驗(yàn)類型設(shè)置不當(dāng)

實(shí)驗(yàn)類型均為驗(yàn)證性，是對(duì)基本理論知識(shí)的驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中可變化的參數(shù)很少，仿照例題的程序，只要稍加改動(dòng)就可以編寫出與思考題相對(duì)應(yīng)的程序，鍵盤輸入無(wú)誤就可以直接運(yùn)行出結(jié)果完成實(shí)驗(yàn)，以此進(jìn)行理論的驗(yàn)證，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的地位，難以建立基本的工程意識(shí)，實(shí)驗(yàn)效果一般。

（三）教學(xué)模式陳舊

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中依然采用傳統(tǒng)的以教師為主體的方式，盡管實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書已經(jīng)編寫得很詳細(xì)，但是實(shí)驗(yàn)開始時(shí)指導(dǎo)教師依然進(jìn)行細(xì)致的講解，學(xué)生運(yùn)行出結(jié)果就等待教師檢查，出現(xiàn)問(wèn)題就等待教師幫助解決，學(xué)生對(duì)指導(dǎo)教師的依賴性很強(qiáng)，教師沒(méi)能起到引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考的作用。

（四）忽視實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫都以學(xué)生抄寫實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)程序?yàn)橹?，?duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題和解決方法沒(méi)有進(jìn)行闡述，對(duì)于得到的實(shí)驗(yàn)曲線或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有給出相應(yīng)的結(jié)論，僅注重?cái)?shù)據(jù)的正確性，不利于培養(yǎng)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)的能力。

三、“控制工程基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的措施

針對(duì)在“控制工程基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，對(duì)提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐的興趣和積極性是當(dāng)前面臨的迫切任務(wù)進(jìn)行了思考，探索出了適應(yīng)工程教育的背景的一些實(shí)驗(yàn)改革措施。光明日?qǐng)?bào)2013年11月27日16版的一篇文章《工程教育認(rèn)證對(duì)于中國(guó)高等教育意味著什么》指出，“教育要首先關(guān)注學(xué)生的感受”、“教學(xué)要從句號(hào)課堂向問(wèn)號(hào)課堂轉(zhuǎn)變”，工程教育的核心理念是“以學(xué)生為中心”，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)也要充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用。

（一）設(shè)置合理的實(shí)驗(yàn)體系

實(shí)驗(yàn)體系的設(shè)置按照“鞏固基礎(chǔ)—知識(shí)綜合—工程實(shí)踐”三個(gè)層次進(jìn)行。鞏固基礎(chǔ)由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)完成，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論的理解和消化，使學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，把理論上所描述的系統(tǒng)和各種實(shí)際控制系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生的基本技能。知識(shí)綜合由綜合性實(shí)驗(yàn)完成，綜合性實(shí)驗(yàn)著重強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生的綜合分析能力和綜合設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，使學(xué)生能夠?qū)⒖刂评碚摰闹R(shí)內(nèi)容融會(huì)貫通，把基礎(chǔ)、提高和創(chuàng)新有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。工程實(shí)踐由設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)完成，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是設(shè)計(jì)一個(gè)恒溫控制系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生調(diào)查論證、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、獨(dú)立思考和綜合分析問(wèn)題的能力。課程設(shè)置的實(shí)驗(yàn)類型如表1所示，充分發(fā)揮每種實(shí)驗(yàn)的作用，三種類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有機(jī)地結(jié)合，有助于提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及類型設(shè)置

（二）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)效果產(chǎn)生直接的作用，為了充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的作用，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，優(yōu)化后的驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組成如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組成圖

采用Multisim仿真分析、Simulink仿真分析和Matlab編程分析三種方式對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，不僅可使學(xué)生掌握各種仿真分析方法，而且能夠彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)中由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞或老化而造成的時(shí)間浪費(fèi)問(wèn)題，還能將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行靈活擴(kuò)展，降低教學(xué)成本，同時(shí)采用Multisim進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的硬件仿真分析，可以使學(xué)生將數(shù)學(xué)模型與控制系統(tǒng)建立起直觀的概念。而采用Simulink仿真分析時(shí)要先繪制出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，有利于鞏固學(xué)生對(duì)于數(shù)學(xué)模型的建立的知識(shí)的掌握。

最后的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是要求設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，采用Proteus軟件仿真并用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)，將實(shí)際的控制系統(tǒng)案例引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以鞏固、加深對(duì)控制理論知識(shí)的理解，在理論和工程實(shí)際之間搭建起聯(lián)系的紐帶。

（三）加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)

針對(duì)以往的實(shí)驗(yàn)教材存在的實(shí)驗(yàn)步驟過(guò)細(xì)、不利于學(xué)生主動(dòng)思考的問(wèn)題，而實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫中存在著機(jī)械抄寫實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟之類無(wú)意義的工作問(wèn)題[5]，對(duì)實(shí)驗(yàn)教材進(jìn)行了重新編寫，將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和實(shí)驗(yàn)報(bào)告合二為一。書中將實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行了淡化，增加了預(yù)習(xí)要求、分析與結(jié)論、心得與收獲三部分，一方面有利于促進(jìn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的積極思考；另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)的能力，再次可以認(rèn)真思考在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所收獲的知識(shí)與能力。

（四）改進(jìn)教學(xué)方法

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教師考慮從學(xué)生出發(fā)，重視發(fā)揮學(xué)生的主體作用，保證學(xué)生的主體地位，不要進(jìn)行過(guò)多過(guò)細(xì)的講解，也不要讓學(xué)生產(chǎn)生對(duì)指導(dǎo)教師的強(qiáng)烈依賴心理，只有這樣才能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高他們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

四、結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和工程應(yīng)用能力的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分。結(jié)合沈陽(yáng)航空航天大學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)類型、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)、教學(xué)方法等方面采取了一系列措施，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和工程實(shí)踐能力。

1.增加了綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)中的比重，提高了學(xué)生綜合分析問(wèn)題的能力和運(yùn)用理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

2.使用多種實(shí)驗(yàn)軟件，建立了實(shí)際物理系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型之間的聯(lián)系紐帶，解決了仿真實(shí)驗(yàn)中數(shù)學(xué)模型與實(shí)際系統(tǒng)脫離的問(wèn)題，提高了實(shí)驗(yàn)對(duì)于理論驗(yàn)證的直觀性。

3.堅(jiān)持“以學(xué)生為中心”的工程教育核心思想，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和欲望，實(shí)驗(yàn)取得了較好的教學(xué)效果。

4.實(shí)驗(yàn)教材和實(shí)驗(yàn)報(bào)告合二為一，注重發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，促使學(xué)生積極思考，增強(qiáng)學(xué)生綜合問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提高了創(chuàng)新能力。

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