著眼培養工程素養的控制類課程設計研究

劉淑波?張園?鄧加川

摘 要｜為了在控制類課程中培養工程素養，本文從控制類課程視角定義的寬泛工程素養出發，著眼培養工程素養來對控制類課程進行課程設計，在控制類課程教學計劃中從課程目標、教學策略、學習方法和教學實施四個方面明確培養工程素養的路徑，力圖推進以培養工程素養為目標的該類課程的教學改革。

關鍵詞｜工程素養；控制類課程；課程設計

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培養學生的工程素養是當前工程教育改革的一個重要方向。教育部在“卓越工程師”培養計劃和工程教育專業認證中都把培養學生的工程素養作為專業培養的重要環節和考核點。全美娟等學者認為，工程素養指的是工程師應具備的基本知識、基本理論和基本技能、一定的工程實踐訓練和嚴格有素的工程習慣及綜合能力。具備高工程素養的學生能敏捷地發現問題，并將理論應用于實踐，能夠綜合運用各種資源，將思維構思變成實際產物［1，2］。

在上級“寬口徑、厚基礎，全素質”培養要求下，對我院控制類課程培養學生工程素養提出了新要求。從知識層面看，宜“以工為主”，夯實學生工程基礎，學科基礎模塊積極對接國家高等教育質量標準，設置工科通用基礎課程，實施寬口徑專業教育，強化學生工科基礎，注重學科基礎和工程實踐的有機結合。

我院作為學科基礎模塊的控制類課程“自動控制原理”“自動控制元件”對培養學生的工程素養起著至關重要的作用。作者認為從控制類課程角度出發定義的寬泛的工程素養為科學的“工程辯證思維”，重視事物的普遍聯系和相互作用；理論和實踐的融會貫通；以系統論的視角綜合全面地思考、處理工程問題，始終做到“心中有系統”等。

如何借助控制類課程來培養學生的工程素養呢？就要著眼培養工程素養來對控制類課程進行課程設計。在課程教學實施的綱領性文件——控制類課程教學計劃中明確了培養工程素養的路徑。具體來看，在課程總體目標和分類目標中明確培養工程素養的要求；在教學策略中設計培養工程素養的方法；在學習方法中建議培養工程素養的習慣養成；在教學實施中把工程素養培養要求落地。

1 課程目標明確培養工程素養要求

“自動控制原理”課程通過對貫穿案例的探究學習，“自動控制元件”課程通過對艦載裝備隨動系統中各控制元件的比較探究學習，養成工程思維和辯證思維習慣，初步具備工程實踐能力。

2 教學策略中設計工程素養培養方法

2.1 “自動控制原理”課程通過案例貫穿和理實一體實現

案例貫穿：用三個典型艦載裝備隨動控制系統故障案例，貫穿整個教學內容和所有教學環節。兩個示范案例（示范案例1——某火炮隨動系統和示范案例2——某火箭深彈發射炮隨動系統）用于課堂教學，隨教學進度逐步推進；一個練習案例——隨動操舵系統用于課后作業和實驗，隨示范案例同步推進。案例貫穿全部教學內容和所有教學環節。通過始終不斷線的案例探究，在解決系統局部問題的時候，始終面對的是整個系統，實現知識到能力的轉化，形成系統論和負反饋的思想。

理實一體：每次對案例的探究，首先是理論分析，然后是Matlab/Simulink軟件仿真，最后是實驗箱硬件仿真，理論和實踐始終不脫節，通過理實一體提高實踐能力，從而達到理論和實踐的融會貫通。

2.2 “自動控制元件”課程通過啟發工程辯證思維來實現

每種控制元件學完，引導學生將其傳遞函數放回到艦載裝備隨動控制系統中去，并與前面元件的傳遞函數相連，最終得到整個控制系統的傳遞函數方塊圖。在此過程中深化系統論的觀點。在主反饋元件（測量比較元件）、局部反饋元件（反饋校正元件）的分析中深化負反饋的思想；通過引導學生分析典型元件電磁相互轉化、相互影響的過程，結構與功能的辯證關系、量變到質變轉化過程等，啟發學生的工程辯證思維，加深對教學內容的理解和思考。

3 學習方法中建議工程素養培養的習慣養成

3.1 “自動控制原理”課程建議

能力層面：注意仿真實踐能力的培養。首先思想上要重視實踐環節；其次，軟件仿真時要學會單步調試的方法；硬件仿真時，在預習環節要注重硬件電路圖，以便提高實作效率。

思維層面：注意工程思維習慣的養成。注意思維的“整體性”，即科學的“辯證思維”，重視事物的普遍聯系和相互作用。比如：能夠意識到沒有一個性能指標是完全孤立的，在改善一個的同時，必然會影響其他；以系統論的視角綜合全面地思考、處理工程問題，始終做到“心中有系統”。比如：頻域分析時，能夠意識到幅值和相位是同一系統的不同方面，不能割裂開來。

3.2 “自動控制元件”課程建議

以課堂思考題為主要牽引進行深層次思考。注意采用辯證分析方法，加深對教學內容的理解，并養成辯證思維習慣，深化系統論的觀點和負反饋的思想，養成用系統論和負反饋的思想分析問題的思維習慣。

4 教學實施中把培養工程素養要求落地

4.1 理論課中實施

（1）“自動控制原理”課程

第三章控制系統時域分析中通過典型輸入信號體現的“最不利”原則，以及對時域性能指標之間相互制約關系的分析，培養工程思維和辯證思維，深化系統論的觀點。

第四章控制系統頻域分析中對同一系統，引導學生注意幅值和相位是同一系統的不同方面，不能割裂開來，培養辯證思維；對同一系統，引導學生建立頻域性能與時域性能指標的聯系，將時域分析與頻域分析進行對照，以系統論的視角綜合全面地思考、處理工程問題，始終做到“心中有系統”，深化系統論的觀點。

（2）“自動控制元件”課程

第二章電壓器中通過對變壓器主磁通形成過程的總結，引導學生體會電磁相互轉化、相互影響的過程，啟發學生思考事物的普遍聯系與相互作用，培養辯證思維。

第三章直流電機中通過分析換向器與電刷的作用，啟發學生思考結構與功能的辯證關系。

第四章交流異步電動機中通過分析三相異步電動機轉子的轉動原理，啟發學生對“結構與功能”的辯證關系進行深入思考；通過對不同種類單相異步電動機的結構和原理進行分析，啟發學生對“結構與功能”的辯證關系進行深入思考。

第七章執行元件中通過對交流伺服電動機機械特性的特點均源于“較大的轉子電阻”的分析總結，引導學生體會“量變到質變”的轉化，并思考量變與質變的分界線。

第八章反饋校正元件中通過分析反饋校正元件的局部反饋作用，引導學生體會“量變到質變”的轉化。

4.2 實驗課中實施

（1）“自動控制原理”課程

一個練習案例——隨動操舵系統的分析和設計問題貫穿整個實驗的始終。實驗課課前通過雨課堂預習練習案例各次課課后理論探究的結果，課上先是Matlab/Simulink軟件仿真，然后是硬件實驗箱仿，使用艦載裝備隨動系統遠程虛擬實驗平臺探究參數變化對系統性能的影響，真正做到線上線下理實一體，理論和實踐始終不脫節，從而達到理論和實踐的融會貫通。

（2）“自動控制元件”課程

針對“自動控制元件”課程中自整角機實驗部分學生錯誤接線現象，在原有硬件仿真的基礎上，增加了利用艦載裝備隨動系統遠程虛擬實驗平臺探究力矩式自整角機接線故障的各種現象的仿真實驗，從而在不損傷原有設備的基礎上，一方面讓學生體會實際工程儀器儀表操作按規按綱操作，另一方面也讓學生體會到仿真實驗的真實性和沉浸感。

5 結論

本文結合上級對我院控制類課程培養工程素養提出的新要求，作者從寬泛的工程素養出發，著眼培養工程素養來對控制類課程進行課程設計，并且在控制類課程教學計劃中明確培養工程素養的路徑。

本論文的研究方法可推廣至控制類其他課程的培養工程素養的課程設計教學改革中，也可為其他自動化專業課程相關教學研究提供理論借鑒。

參考文獻

［1］李濤，陶晶，修云．OBE視角下應用型高校大學生的工程素養培養模式［J］．湖北理工學院學報，2021，37（5）：64-67．

［2］申欣．大學新生技術與工程素養研究［D］．上海：華東理工大學，2021，12．

Research on the Design of Control Courses Focusing on Cultivating Engineering Literacy

Liu Shubo Zhang Yuan Deng Jiachuan

Dep. of Basic Sciences of Dalian Naval Academy， Dalian

Abstract： In order to cultivate engineering literacy in control courses， this paper starts from the broad definition of engineering literacy from the perspective of control courses， focusing on cultivating engineering literacy to do the curriculum design for control courses， and clarifies the path to cultivate engineering literacy from four aspects： course objectives， teaching strategies， learning methods and teaching implementation in the teaching plan of control courses， trying to promote the teaching reform of this kind of courses with the goal of cultivating engineering literacy.

Key words： Engineering literacy; Control courses; Curriculum design