新工科背景下应用型本科《自动控制原理》课程改革与实践.pdf

/长春工程学院学报(社会科学版)年 第 卷 第 期.(.)./:./.新工科背景下应用型本科自动控制原理课程改革与实践收稿日期:基金项目:吉林省教育厅教改课题(项目编号:)吉林省教育科学规划课题(项目编号:)吉林省高教科研课题(项目编号:)长春工程学院校级教学改革专项研究课题(项目编号:)长春工程学院“专创融合”示范课程建设成果作者简介:张允()女(汉)吉林长春博士教授主要研究智能控制技术张 允胡议丹李方竹韩红岩(.长春工程学院.电气与信息工程学院.大学生创新创业学院长春.吉林水利电力职业学院 发展研究中心长春.长春鹿鸣谷生态旅游建设有限公司长春)摘 要:以新工科建设为背景根据专业毕业要求修定应用型本科院校自动控制原理课程教学目标、优化教学内容、改革课程教学模式及考核评价方式培养学生解决复杂工程问题的能力在课程改革研究与实践方面为其他地方高校提供有益借鉴关键词:新工科应用型本科自动控制原理课程改革与实践中图分类号:.文献标识码:文章编号:()一、引言“中国制造”“互联网 ”等重大战略对新兴工程科技人才培养提出迫切需求为应对新一轮科技革命 年教育部提出新工科建设方案将培养具有较强工程实践能力、创新思维能力的应用型人才作为新时代高校工科学生人才培养的基本要求 应用型本科院校作为直接服务于行业产业和区域经济社会发展的主力军肩负着培养面向生产、建设、服务和管理第一线需要的应用型本科人才的重要使命 因此主动适应“新工科”建设不仅是地方应用型高校服务国家战略的需要更是不断拓展学校自身生存和发展空间、提高自身竞争力的必然选择 课程建设是人才培养最基本、最显效的环节是应用型本科院校紧密对接区域产业发展需求、助力地方经济提质增效升级和振兴发展的最直接的切入点与创新点 因此应用型本科院校紧抓“新工科”建设机遇加强“新工科”建设背景下专业课程改革与研究对提升地方高校内涵建设及发展水平更好地服务区域经济社会发展具有积极现实意义二、自动控制原理 课程教学现状分析自动控制原理课程是我校自动化等工程类专业的基础课该课程在各专业知识体系中均起到了重要的承上启下的作用 近年来针对该课程我校进行了一系列改革取得了一定的成效但是面对新工科建设旨在“培养具有较强工程实践能力、创新能力的高素质人才”这一基本要求以及高校毕业生日益严峻的就业形势自动控制原理课程原有教学在应用型人才培养方面待解决的问题也日益凸显首先在课程目标的确立上原有课程目标未能明确将培养新工科工程技术创新人才作为应用型本科院校自动控制原理课程的培养目标造成学生解决复杂工程问题的能力和创新能力薄弱 其次从课程知识结构上看由于受学时所限原有自动控制原理课程大纲中只侧重于对线性连续系统的建模、分析与校正缺少对离散系统和非线性系统的分析研究造成学生所学的自动控制理论知识结构不完整不利于培养学生系统、科学的工程思维方法第三从课程内容上看原有授课内容理论知识与对应的工程实践知识未能水乳交融地结合讲解造成授课内容与自动控制的工程属性相悖 第四从实践环节上看由于学时有限各专业均缺少课程设计环节学生应用基本理论知识解决本专业工程实际问题的能力偏弱 第五从教学模式上来看传统单一的线下教学模式不利于解决日益突出的课时少与学时多的矛盾也不利于开拓学生视野、拓展学习思路、培养其创新能力与工程应用能力 第六从考核评价方式上来看原有单一性考核方式不利于全面、全周期地掌握学生各阶段的学习情况不利于根据学生掌握情况实时动态地调整教学活动因此以新工科建设为背景优化课程目标与教学内容、改革教学模式和考核方式加强对学生应用控制理论基本知识对复杂控制系统进行分析与设计能力的培养、引导学生养成控制工程思维逻辑提高学生解决复杂工程问题能力激发学生的创新精神与创新能力是地方高校自动控制原理课程改革与实践的核心问题三、“新工科”背景下应用型本科院校自动控制原理课程教学改革策略(一)以新工科建设为背景以专业需求为导向制定课程目标以我校自动化专业自动控制原理课程教学改革为例课程组教师在新工科建设方案指导下遵循成果导向()教育理念采用逆向设计方式以抓住应用型本科工程教育的本质为前提突出对学生解决本专业复杂工程实践问题能力的培养基于本专业的 项毕业要求指标点制定 级课程目标 具体课程目标与毕业要求对应表 如下所示表 课程目标与课程承担的毕业要求指标点课程目标知识目标能力目标素质目标毕业要求指标点.了解自动控制的基本概念和自动控制系统的基本组成、结构、分类与基本要求 了解控制系统数学模型的概念掌握线性定常连续和离散控制系统建模方法、各类数学模型表示及其相互转换方法非线性系统经典数学模型描述方法等内容.能够利用自动控制的基本知识和基本理论正确描述自动控制系统.能够利用自动控制的基本理论和基本方法针对复杂控制工程实际问题进行抽象、简化、归纳依据物理、化学、电学等定律运用微分方程、积分变换、复变函数等知识建立控制系统数学模型.通过了解控制理论的发展过程、发展趋势与应用途径明确自动化技术对国家、社会、个人的重要性培养学生的职业自豪感、民族自豪感和爱国主义情怀.通过讲述数学大家的事迹、贡献与思维方法让学生感受和学习强烈的科技报国思想引导学生掌握辩证的思维方法学会抓住主要矛盾化繁为简、养成良好的科研和职业素养.能够运用数学、自然科学、工程科学的语言工具恰当表 述 控 制 工 程问题.掌握线性定常连续系统的分析方法(包括时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法)并掌握用这些分析方法分析系统的稳定性、动态性能、稳态性能了解离散定常系统的分析方法非线性系统的经典分析方法.能够利用时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法针对复杂控制工程问题分析其自动控制系统的稳定性、稳态性能和动态性能准确计算控制系统时、频域性能指标.通过控制系统的性能分析引导学生从“系统”的角度重新认识社会、定位自己 并认清稳定是国家经济社会发展的基本前提.通过系统性能指标是“矛盾”的辩证统一启发学生感悟“取舍”之道.通过学习根轨迹的绘制方法引导学生做人做事要遵规守法同时学会分析内外因作用变化对事物的影响学会用发展的眼光看问题.通过学习频域分析法引导学生领会“难事必作于易大事必作于细”的思想学会由简入繁化繁为简的双向思考方法.能够运用工程基础和专业知识以及数 学 模 型 的 方法推演、分析控制工程领域相关问题.掌握线性定常连续系统的各种校正方法、基本思想和常用的校正装置.能够将自动控制的理论知识以及数学模型方法用于复杂控制工程领域相关问题解决方案的比较与综合.通过学习不同校正方法引导学生学会从不同的角度、采取不同的方法认知、思考、分析与处理问题学会辩证看待事物的好与坏实践出真知.能够将工程基础和专业知识以及数学模型方法用于控制工程领域相关问题解决方案的比较与综合.能够根据自动化系统的性能指标要求分析控制工程问题并制定相应的实验方案.能够结合实际控制系统确立合理的实验方案.通过实验引导学生养成控制工程思维逻辑树立理论联系实际的科学观点.能够根据控制对象特征选择研究路线设计实验方案.能够根据实验方案正确搭建实验系统安全进行实验获取实验数据并正确筛选、处理和分析实验数据得出合理有效的结论.通过实验能够加深学生理解系统参数对系统稳定性、动态特性、稳态性能的影响并能根据实验数据获取合理有效的结论.培养学生基本实验技能使学生具备一定的科学研究能力 培养学生协作意识、责任意识、规划意识.能够根据实验方案构建实验系统安全地开展实验正确地采集实验数据长春工程学院学报(社会科学版)()续表.能够利用计算机仿真软件构建控制系统仿真模型并正确分析在典型信号作用下系统的动态性能、稳定性等各项性能能够分析系统参数变化对其性能的影响理解仿真在系统分析和设计中的作用和局限性.能够利用 软件进行辅助设计、分析、计算与仿真使学生获得一定的现代工具的使用能力提高学生的建模分析综合实践的能力.通过在物理实验中引入仿真环节培养学生的创新精神与创新意识.能对实验结果进行分析和解释并通过信息综合得到合理有效的结论(二)基于新工科建设课程目标重组知识结构、优化教学内容以新工科建设为背景以培养学生科学、系统的思维方法为目标重组自动控制原理课程知识结构、优化理论与实践教学内容 改变以往由于受学时所限在自动化专业自动控制原理课程理论教学中缺少非线性系统分析与设计以及离散系统的分析与设计两部分内容的现状在理论教学中采用对比研究的方式引入线性系统的分析与设计、非线性系统分析与设计连续系统的分析与设计、离散系统的分析与设计模块在此基础上将学科与专业发展最前沿的工程案例、科研案例、创新创业大赛项目案例融入理论课教学内容针对课程原有实践内容只有实验环节缺少结合工程生产实例进行课程设计以及未能将所学课程基本知识充分应用于相关学科竞赛的现状分别在各对应章节中加入基于时域分析法的海底隧道钻机设计与仿真基于根轨迹分析法的激光操纵控制系统设计与仿真基于频域分析法的雕刻机控制系统设计与仿真转子绕线机控制系统设计与校正等综合性设计内容 与此同时利用课外、线上的时间辅导学生积极参与电工杯数学建模大赛等与本课程密切相关的学科竞赛按照查阅文献设计总体方案系统建模系统性能分析系统设计与校正计算机仿真及仿真结果分析这一技术路线培养学生应用自动控制基本理论知识分析和解决本专业各种复杂工程问题的能力 优化后的课程内容如图 所示8*B0DB001CB0AAA1-P(*PPB0M435*AB0435F535/3535 3535AA!图 自动控制原理课程内容构建图(三)构建线上线下相混合的“智慧教学”模式构建传统课堂与信息化课堂深度融合的“智慧教学”模式 课前教师通过学习通把本门课程的大纲、教学视频、参考资料、文献、案例等相关资料上传到平台督促学生提前预习培养其自主学习能力鼓励学生带着课前预习思考和不解的问题走进课堂 课上教师不再是按照传统方式依次讲述各个教学重点与难点而是针对所讲内容精心设计循序渐进地提出各个问题并组织学生分组讨论引导学生“边学边思、以思促学”课后教师把作业及其标准答案、考试类型题等信息及时公布在学习通上同时学生有任何问题也可以在学习通上给教师留 张 允等:新工科背景下应用型本科自动控制原理课程改革与实践言教师课下逐一认真回复 教师通过一部手机线上课程与线下课堂两条战线拓展了传统课堂的物理空间、资源空间与社交空间实现信息技术支持下的传统课堂与信息化课堂深度融合的“智慧教学”把宝贵的面对面课堂时间用来进行有意义的分析、研讨、探究、创新学习活动激发了学生自主学习的内生动力培养了学生的应用、分析、评价、创新、创造等高阶能力锻炼了学生的团结合作、协作交流的能力线上线下相混合的智慧教学模式如图 所示L!FB0.AAB?NC$L!#B$.ANB-L-QL-A51+A5+QL-?NC.A,B%.A图 智慧教学模式图(四)基于成果导向的全过程、多元化考核与评价方式研究针对传统的单一性与终结性考核及评价方式难以客观科学地考查学生学习效果的弊端将全过程、多元化考核与评价方式融入教学 采取形成性考核与终结性考核相结合线上测验考核与线下项目考核、作业考核、实验考核与试卷考核相结合师生评价、生生互评相结合的考核评价方式 通过对学生学习行为数据的分析进而对教学内容、方法和模式的改进提供数据支持使考核结果能够客观详尽地反映出各项课程目标的达成情况 考核与评价方式如表 所示表 考核与评价方式表类型考核方式评分标准与评价方式比例形成性课前自主学习()课前预习课前布置学生按照课程进度计划预习教科书中相应章节的内容并在指定的平台网站上自主学习相关教学视频根据课程平台后台数据统计学生每少看一个规定的视频则扣去 分 评价方式为教师评价()课前测试教师针对学生课前视频学习内容提出问题考查学生关于视频的学习情况学生以个体的形式完成每题 分要求学生在规定时间之前在线提交答案 评价方式为教师评价长春工程学院学报(社会科学版)()续表 类型考核方式评分标准与评价方式比例形成性课中互动式研究式学习课后拓展学习()课堂讨论、翻转课堂教师针对课程学习内容结合工程案例采用启发式、讨论式、案例教学、教学法、翻转课堂等教学方式引导学生独立分析、讨论、解决实际问题讨论过程中对积极动脑思考并给出正确解答的学生每次加 分 评价方式为教师评价()课程学习笔记鼓励学生对线上、线下每次课的内容进行及时的归纳与总结、做出学习笔记并将笔记以图片的形式通过课程平台在线提交每次笔记成绩满分 分 评价方式为教师评价()课程思维导图每章内容结束之后要求学生按照自己的理解画出本章节所有知识点间内在逻辑关系的知识结构思维导图归纳各章节的主要内容以个体的形式完成 要求学生通过课程平台在线提交每张思维导图满分 分 评价方式为教师评价()随堂测试针对重点章节内容进行随堂测试考查学生本章节核心知识点的学习情况主要为概念题、填空、选择、判断、计算题等试题满分 分要求学生在规定时间之前在平台上提交答案 评价方式为教师评价()实验实验包括物理实验与计算机仿真实验两种类型每个实验成绩满分 分实验评价按照预习情况、实验表现、实验报告三方面进行评分 评价方式为教师评价()平时作业每章内容学习之后针对重点和难点内容布置作业考查学生本章学习情况主要为概念题、计算题等试题满分 分要求学生在规定时间之前在平台上提交答案 评价方式为教师评价()项目设计针对各章内容结合具体工程实践问题分别确定项目设计内容 包括系统建模、系统分析、设计、仿真等环节 围绕这些环节学生需要在课外通过小组合作的形式完成设计研究任务然后将项目研究过程和结果制作学术海报或者 的形式在课堂上汇报与老师和其他学生进行讨论项目设计成绩满分为 分每次活动从设计质量与汇报表现两个方面进行评价 评价方式为教师评价 生生互评()章节知识点测验每章内容学习之后进行章节知识点测验考查学生本章学习情况主要为概念题、计算题等试题满分 分要求学生在规定时间之内在平台上提交答案 评价方式为教师评价终结性期末闭卷考试以个体形式完成期末考试满分 分评价方式为教师评价四、结语本文基于新工科建设内涵要求对我校自动化专业自动控制原理课程进行了教学改革针对毕业要求指标点按照螺旋递进的理念制定了课程的知识、能力与素质目标按照专创融合、思创融合、赛创融合与科创融合的思路优化了教学内容引入了线上线下相混合的“智慧教学”模式建立了线上线下、课内课外、师生评价、生生互评的多元化考核评价方式定量计算自动化专业 级 名学生课程目标 的达成度分别为、改革实践证明学生解决复杂控制工程问题的综合实践能力、创新意识、创新精神与创新能力均得到了提高改革方案为地方应用型本科院校新工科人才培养提供了有益借鉴参考文献 林健.新工科专业课程体系改革和课程建设.高等 张 允等:新工科背景下应用型本科自动控制原理课程改革与实践工程教育研究():.刘宝玲.新工科背景下应用型本科院校自动控制原理课程建设与教学研究.知识经济():.唐求张小刚张帆.“新工科”背景下“自动控制原理”课程“三结合”实验教学模式改革.实验技术与管理():.陶洪峰.自动控制原理课程的混合式教学模式探索.大学教育():.董红生.应用型本科院校自动控制原理课程教学改革探讨.中国现代教育装备():.():.:(上接第 页).():.:长春工程学院学报(社会科学版)()