面向控制论思维方式培养的机械工程控制基础课程教学方法探索

面向控制论思维方式培养的机械工程控制基础课程教学方法探索（共8篇）

面向控制论思维方式培养的机械工程控制基础课程教学方法探索 篇1

董明晓1 李瑞川2 陈继文1 逢波1

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101;2.山东五征集团，山东日照262300）

[摘要] 根据“机械工程控制基础”课程特点，研究如何从让机器动起来的形象思维方式成功转型到只用数学公式表达机器运动的抽象思维方式，然后再将抽象的内容具体化、实践化、工程化，实现课程理论性、实践性、工程性的有机结合，激发学生的学习兴趣和主动性，使学生尽快掌握“机械工程控制基础”课程的学习方法和思维方式，培养学生用控制论解决机械工程实践问题的能力。

[关键词] 机械工程控制基础；控制论；思维方式；教学方法

[中图分类号]G642.421

[文献标识码] A

[文章编号] 1005-4634 01-0055-03

引言

“机械工程控制基础”是20世纪80年代初兴起的一套控制理论，是经典控制理论在机械工程领域中的应用，现在已经发展成为机械工程专业的一门专业基础必修课。在这门课程的教学之初，注重的是理论教学，强调课程体系的系统性和逻辑性，教学形式是以课堂授课为主，教学内容以介绍基本概念和基本原理为主，这使学生初步领悟到控制论的深奥，也领会到控制论的缜密性、逻辑性和系统性。但是，由于学生的数理基础和机械工程专业背景有限，普遍感觉课程内容抽象，而且理论性太强，在有限的时间内让学生接受这些理论和方法，往往感觉力不从心。在教学过程中不断探索、不断积累经验，逐渐体会到在“机械工程控制基础”这门课程的教学过程中，首先要培养学生的逻辑思维方式，通过生活实例和典型工程案例巧妙地将课程的基本理论与工程实践有机地结合起来，将抽象的内容具体化，将无形的理论有形化，将缜密的证明过程简单化，激发学生的学习兴趣，培养学生运用控制论的思维方式解决机械工程领域的实践问题，使该课程逐渐成为广受学生欢迎的实用性较强的一门专业基础课程。

1 “机械工程控制基础”课程特点

面向控制论思维方式培养的机械工程控制基础课程教学方法探索 篇2

关键词：水污染控制工程,实践教学,存在问题,改进对策

“水污染控制工程”是环境工程专业本科教学的一门核心专业课, 在传授水污染控制基础知识和不同废水处理技术等方面起到了启蒙和推广的作用, 其配套的实践教学课程为学生加深理论知识、加强实验技能的训练和培养学生一定的工程设计、运行与管理能力奠定了基础。近年来随着国民经济的快速发展和城镇化建设的推进, 水污染治理越来越受到重视, 而培养水污染治理的专业人才则可有效保证水污染治理的顺利实施[1], 从而对人体健康和生态环境的保护起到积极作用。然而, 目前环境工程专业的本科学生在毕业求职时往往因缺乏实际工程经验和专业操作技能较差等原因而面临一定的就业困难[2], 因此开展“水污染控制工程”课程实践教学方式的改革探索将有助于帮助学生理解与掌握专业知识, 提高学生的实际工程设计与运行管理能力, 加强学生的专业操作技能, 从而提升专业人才的培养质量和增强学生就业时的社会受欢迎程度, 使学生学有所用并能更好地服务于社会。

一、存在的问题

目前, “水污染控制工程”课程的实践教学一般包括实验、实习、课程设计和毕业设计 (论文) 四大环节[3], 每个环节目标明确且任务不同, 各环节之间紧密联系、相互支撑, 共同构建起一个完整的课程实践教学体系。西安建筑科技大学的环境工程专业为国家重点学科, 其“水污染控制工程”课程开设有混凝、气浮、氧转移系数测定、离子交换法处理含铬废水、电渗析法除盐和光催化高级氧化等六项实验, 以此加深学生对不同水污染控制技术的理解与掌握。但学生却没有掌握废水BOD值和一些关键性水质指标的动手测试能力, 不能准确了解废水的可生化性和对水环境的危害程度;实习有认识实习、生产实习和毕业实习三个环节[4], 但学生现场观察、提出问题和分析问题的能力普遍欠缺, 对不同污水处理工艺的对照分析能力较差;课程设计包含城镇污水处理厂工艺设计和企业含铬废水处理工艺设计两个环节, 但学生在沿用实际处理工艺的基础上并不能给出自己独到的见解和提出改进性的或创新性的想法;毕业设计是对学生大学四年所学基础理论知识与专业知识的理解与掌握、方案设计与绘图能力以及解决具体环境问题能力等的综合性考察, 但大部分学生的毕业设计成果与工程初步设计和施工图的要求还相差甚远, 设计成果质量较差。上述问题的存在凸显了西安建筑科技大学环境工程专业“水污染控制工程”课程实践教学方式的不足与缺陷, 不能满足当今时代用人单位提出的“继续加强实践能力培养, 不断总结提高, 为今后更多用人单位培养优秀人才打下扎实基础”的要求。因此, 有必要对课程实践过程中存在的问题进行原因查找, 以此改革实践教学方式, 以达到提高学生实践能力、为社会培养有用人才奠定坚实基础的目的。

二、原因分析

针对“水污染控制工程”课程实践教学环节中存在的问题, 应结合专业课程设置和不同的教学目的逐一进行分析。首先, 废水BOD值、总磷的未测试认为与微生物的接种及培养时间 (5天) 过长、污水中磷需要消解等因素有关, 而水中金属离子、毒性有机物的未测试则不具备分析条件, 因为重点实验室的大型分析仪器如ICP-MS、AAS、离子色谱、气相色谱、液相色谱及HPLC-MS等仅对研究生开放, 目前环境工程专业的本科学生仅能对污水的PH、COD、氨氮和溶解氧等一些较简单的基础指标进行测定, 不能掌握污水的可生化性及毒理特性。其次, 在从认识实习到生产实习以及最后毕业实习的由浅及深的实习过程中, 实习任务的未细化量化、学生查阅文献与对照分析能力的不足以及教师实际工程经验的欠缺是造成学生对所学水污染控制技术理解与掌握不深、理论与实践联系不紧密、对不同污水处理工艺对照分析能力差的主要原因。根据多年的实践教学经验可知, 学习专业课之前的认识实习主要是通过专家讲座和现场的参观使学生对污水的来源、城市污水一级、二级和三级处理的工艺以及污水处理的重要性有个初步了解, 从而对“水污染控制工程”课程的学习起到入门和培养兴趣的目的;课程学习后的生产实习则主要针对不同的工业生产废水处理、企业难生化降解废水治理和不同工艺的城市污水处理厂进行现场实习, 同时联系企业技术人员进行现场讲解、视频介绍和问题答疑。但由于实习前后未安排学生进行相关文献查阅及对不同水质、不同工艺的处理效果的对照分析任务, 使得学生对所学知识点理解不深、现场提问与问题分析能力不足, 再加上年轻教师缺少一定的实际工程经验而现场指导不力, 造成学生实践能力锻炼不够、实习报告质量差, 进而影响到后续的毕业实习;针对不同的毕业设计题目, 毕业实习环节安排学生对相关的污 (废) 水处理工艺和构筑物进行现场更详细的考察, 联系实习单位提供设计图纸以供学生学习和理解。但由于缺少图纸设计单位技术人员的现场讲解与答疑, 学生对工程图纸的理解不深、掌握程度偏浅, 在此基础上完成的毕业实习报告质量不高。第三, 在课程设计环节中, 由于学生未进行广泛而深入的文献查阅、未对可选工艺进行认真的优缺点对比分析、未执行严格的工程绘图标准以及教师过程管理松散等原因, 造成学生对课程设计任务重视度不够、理解不到位而未能提出自己真正的见解和一些改进性的建议, 所提交的课程设计成果仅是实际应用工艺的模仿, 未能真正领悟所采用处理工艺的优缺点, 设计图纸质量较差且不规范。最后, 在毕业设计环节中, 受学生毕业找工作、到用人单位实习、研究生复试和出国考试等一系列外在因素的影响, 很多大四学生不能静下心来认真进行毕业设计, 在沿用课程设计成果的基础上未能进一步提高工程设计能力和绘图水平, 造成毕业设计 (论文) 成果质量较差, 达不到实际工程初步设计及施工图的要求。

三、改进对策

西安建筑科技大学的环境工程专业在国内有着一定的知名度, 其自编的“水污染控制工程”教材也多次被国内高校所采用, 为我国西北地区培养了大批优秀的环境保护专业人才。然而, 随着时代的飞速发展, 环境工程领域的新知识、新技术不断涌现, 社会和企业对环保专业人才的要求也不断提高, 加上国内重点高校对环境保护的重视和在该领域的迅速崛起, 有必要改革“水污染控制工程”课程的实践教学方式, 针对课程实践教学过程中存在的问题提出改进对策, 从而提高教学质量和培养出具有扎实专业基础、实践能力和设计能力强的高级工程技术人才[5]。首先, 在专业课程设置上, “水污染控制工程”课程之前开设有“环境监测”和“环境工程微生物学”两门课程。由于“环境工程微生物学”课程开设有微生物形态观察及活性污泥生物观察等实验, 因此建议在该课程实验中增加污水BOD值的测试实验, 通过购置数台BOD快速测定仪来对污水BOD值进行测试, 同时结合污水COD值的实验来了解污水的可生化性;在“环境监测”课程的校园生活污水水质监测综合性实验中, 建议增加污水中总磷的过硫酸钾消解、钼酸铵分光光度法测试实验;另外, 应加大本科实验经费投入, 逐步购置分光光度计、AAS、离子色谱、气相色谱、液相色谱等大型分析仪器来改善本科实验条件, 增加对污水中重金属离子、有毒有害物质等非常规指标的测试, 使学生在熟悉污水常规指标测试方法的基础上掌握污水毒理性指标的测试技术, 为进一步的水污染治理奠定实验基础。其次, 在实习环节中应重点量化生产实习任务, 有针对性地给学生布置实习前的文献查阅任务和实习后的工艺对照分析任务;安排年轻教师先进行工程实践锻炼, 合格后再与有经验的实习老师搭配带领学生进行生产实习;严把实习报告质量关, 不合格的报告坚决退回去让学生修改或重写, 真正让学生掌握不同水污染控制技术的原理和优、缺点。在毕业实习环节中, 安排设计院有经验的工程技术人员进行工艺剖析、设备选择、图纸绘制以及经济核算等方面的讲座;现场实习基础上进行图纸查看, 安排设计人员进行图纸讲解和现场答疑, 为毕业设计奠定牢固基础。第三, 安排学生对课程设计任务进行广泛而细致的文献查阅工作, 认真比选备选工艺, 给出选择理由和自己对工艺的见解与建议;严格过程管理, 制定教师指导日程表并考核学生课程设计的出勤情况;严格执行工程绘图标准, 规范绘图要求, 以此提高学生的课程设计成果质量。最后, 在前期实践教学基础上, 采用走出去、请进来的方式, 探索高校与设计院所、工程公司联合指导学生毕业设计的培养模式, 有计划地将部分优秀学生的毕业设计安排到设计院和工程公司, 使学生能够直接参与实际工程的设计。在尽量排除外在干扰因素的情况下, 教师加强对学生毕业设计的指导, 严格把关阶段性设计成果质量, 使大部分学生的毕业设计成果基本达到初步设计和施工图的要求。

本科学生的质量代表着大学培养的水平, 在面对国内知名高校同专业竞争的压力下, 作者通过分析“水污染控制工程”课程实践教学过程中存在的问题, 在结合多年教学经验和了解课程设置的基础上, 从四个环节提出相应的改进对策, 籍此提高西安建筑科技大学环境工程专业本科学生的“水污染控制工程”实践能力和设计能力, 提升学生的培养质量, 解决学生就业困难的问题, 为国家水污染治理培养有用的专业人才。希望本文所提出的改进对策能对国内兄弟院校该专业课程的实践教学起到一点借鉴作用, 以此提高该课程的实践教学水平。

参考文献

[1]荆国华, 周作明, 许绿丝.环境工程专业实践教学体系的改革与强化[J].化工高等教育, 2008, (4) :65-67.

[2]张迎明, 刘永德, 谢玲玲.环境工程专业生产实习的教学实践[J].化工高等教育, 2012, (4) :66-68.

[3]陈荣平.以培养学生能力为导向的环境工程实践教学体系探讨[J].化工时刊, 2012, 26 (11) :50-51, 56.

[4]于妍, 徐东耀.基于创新能力培养的环境工程专业实践教学环节改革与探索[J].中国校外教育, 2011, (10) :61-62.

面向控制论思维方式培养的机械工程控制基础课程教学方法探索 篇3

【摘要】本文圍绕CDIO工程教育模式，分析了目前教学方法的不足，从四个方面探索了本门课程教改的可行性。

【关键词】CDIO工程教育模式，机械工程控制基础

【中图分类号】TH-4

1. CDIO工程教育模式

为培养适应社会主义现代化建设需要、德智体全面发展、具有创新精神、注重实践、基础扎实、能力强、获得机械工程师基本训练的高级应用型人才，切实推进机械设计制造及其自动化专业综合改革工作，笔者以“机械工程控制基础”课程为例，采用CDIO工程教育的新模式对普通本科院校“机械工程控制基础”课程的教学改革进行初步探索。

课程教学改革以国际工程教育改革的最新成果CDIO工程教育模式为核心，改变传统的教学模式，新模式以学生为主体，要求学生积极参与课堂互动，而且课程教学内容要紧密结合工程实践，过CDIO模式的课程学习，使学生掌握基础性和专业性的工程技术知识。CDIO的含义为：构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运行（Operate），它以产品研发到产品运行的周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系方式的学习工程。CDIO以培养学生工程基础知识、个人能力、团队能力和工程系统能力四个层面，使学生在这四个层面达到预定目标，为学生提供一种强调工程基础的、建立在真实世界的产品和系统的构思-设计-实现-运行（CDIO）过程的背景环境基础上的工程教育。它对整个模式的实施和检验进行了系统的、全面的指引，使得工程教育改革具体化、可操作、可测量，并对学生和教师都具有重要指导意义。CDIO体现了系统性、科学性和先进性的统一，代表了当代工程教育的发展趋势。

2. CDIO教学内容的改革探索

CDIO工程教育模式是一个呈现系统性、有中心及层次的、物化的整体性思维活动，体现了一个学生的基础理论和专业知识的全面性和知识应用的灵活性。就目前教学情况而言，学生学习一般缺乏主动性，老师们大部分只是按部就班地在讲台上讲述，而学生则是生硬地去接受，因此，在这教学过程中，很多老师缺少相关知识点的启示以及因果关系、逻辑关系方面的思考，从而导致师生之间的教和学的严重脱节。

笔者认为，一个好的产品来源于一个好的构思，他直接决定了产品质量以及研发周期，因此，一个好的老师不仅在课堂上要传授知识，而且还要启发学生的思维能力。《机械工程控制基础》综合了多门学科知识，如高数、力学、复变函数及电工电子学、机械原理、液压传动、机械振动学等，因此，一套有效的控制系统可以采用多种思路进行设计，需要综合各个因素进行分析研究，比如设计的可行性分析、能否实现预期功能并成功运行，特别是设计的可行性分析过程中，一定要结合实际并考虑后面的实现和运行。在这个过程中既需要老师的合理开导，也需要同学们个人能力和团队能力共同完成。因此，笔者根据CDIO工程教育模式对目前的教学方法进行改革探索。

（1） 增加工程实际案例

老师在教学过程中，结合讲课内容适当的插入一些实际的工程案例，这样不仅可以提高学生们的学习兴趣，而且还可以让学生更好地理解和掌握教学内容。如热水器的温度控制、水塔的液面高度控制等。通过这些常见的简单案例，既解释了闭环控制系统这个概念的含义，又可以提高学生对这门课程的积极性，锻炼学生的构思和设计能力。

（2） 课堂讨论

由于本门课程的理论性太强，如果老师在课堂上一味地讲授相关定义、工作原理、公式推导等理论，很容易打消学生的学习激情、并产生听觉和视觉疲劳，大大降低上课质量。因此，在教学过程中应该根据课堂内容结合实际工程问题适当增加讨论互动环节，特别是一些比较重要的知识点，老师可以提出一些跟实际工程相关的问题，让学生在课堂上或者业余时间进行相互讨论和解决。当然，老师可以给予一定的辅导和暗示，这样就可以将学生的被动学习转化为主动学习，而且可以提高学习兴趣、活跃课堂气氛，同时还可以培养学生独立分析问题、解决问题的能力。

（3）增加课程设计环节

既然要将CDIO有机的联系起来，课程设计环节必不可少。目前，本门课程在一般本科院校内大部分没有课程设计环节，讲完理论课程后就以闭卷考试的方式结束，导致大部分学生只懂理论知识，却不懂理论怎么应用。《机械设计》这门课在该方面做的就比较好，课程讲完了紧接着就进行减速齿轮箱的课程设计，让学生学以致用。因此，笔者认为，本门课程结束后，应该围绕控制系统进行课程设计，比如温度控制、液位控制等比较常见的控制系统，让学生以小组的形式进行控制系统的搭建，这个过程就可以很好地将CDIO的工程教育模式有机的结合起来，提高学生的综合水平。

（4） 新的评价体系

传统的评价体系莫过于平时成绩和期末考试，很多学生为了应付考试，只能不求甚解的死记硬背，有的甚至考试作弊。这种应试教育的评价体系导致学生创新能力不足，缺乏提出问题和发现问题的能力，更没有解决实际问题的能力。因此，要将学生培养成一个优秀的工程师，评价体系一定要进行教学改革。应该加入课堂考核环节，如课堂表现、完成作业情况、完成实验情况、课程设计情况等；在考试环节中，加入一些创新设计的题型，了解学生是否有思路、有创新性等。

3.结论

教学改革永无止境，围绕CDIO的工程教育模式，以培养学生成为具有综合能力的优秀工程师为目的，从四个方面分析了本门课程在教学过程中一些不足，并提出了相应的改革措施，使学生具备发现问题、独立分析问题和解决问题的能力，不仅扎实掌握基础理论知识，同时还提高实际操作能力。

参考文献

[1] 杨叔子， 杨克冲. 机械工程控制基础[M]. 第六版. 武汉： 华中科技大学出版社，2012

[2] 谭心，尹明，钟金豹，张文兴. 机械工程控制基础[M].北京：清华大学出版社，2013

[3] 钟金豹、谭心、张文兴. 《机械工程控制基础》课程案例教学法探索[J]. 课程教育研究，2013（9）：252

机械基础课程控制工程论文 篇4

1课程性质与教学现状

长期以来，我校该课程采用课堂讲授的教学方式。教师按照自己对课程知识的理解，注重知识的传授，学生则在“过关”的压力下被动地学习，其行为表现为机械记忆。教师的讲授过程抽象，不具有问题导向性，传递的信息很难引起学生的学习兴趣和主动性。为了考试过关，学生把信息作为一种事实去背诵，而不是将信息作为对相关问题解决的一种工具来掌握。在这种非问题导向的教学环境下，形成了较为普遍的应付考试突击记忆的现象，学生对知识的学习在经过短期记忆后即遗忘，更谈不上将其运用于解决问题的实践中。这种教学模式以“教”为核心，学生为了达到考核要求，往往会放弃“体验、思辨、感悟”等有助于形成解决问题能力的必要过程，而是集中于对事实性知识的记忆，教师无法引导学生建立基于兴趣和解决问题的主动学习方式，也很难培养学生灵活运用知识、举一反三、形成创新能力的基本素质。

2以学生为中心，构建主动学习教学体系

学生是学校教育的主体，如何让学生通过教学过程获得知识，并能够灵活运用，是教师的任务和使命。大量的教育心理学家认为：“知识的获得，是在一定的情境下，学习者借助他人(教师和学习伙伴)的力量，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得，而不是通过教师传授得到。”建构主义理论，得到了广大教育研究者和教育工作者的关注。建构主义理论有丰富的内涵和深刻的哲学基础，其根本内容可以概括为“以学习者为中心，强调学习者主动探索、主动发现知识，强调对所学知识意义的主动建构”。由此可见，建立问题导向，有助于形成学生主动学习且有利于实现知行结合，达到教育的目的。

2.1问题导向主动学习的关键构成

基于问题的学习方法(Problem-basedLearning，PBL)由美国神经病学教授Borrows于1969年在加拿大McMaster大学医学院根据建构主义理论创立。PBL强调以学生的主动学习为主，因而能更好地培养学生创造性思维和解决问题的能力[4]。教育学认为，主动学习的特征为，在教育者的引导和启发下，受教育者能够清晰理解知识的本质作用，学习者主观能动性得到更大的发挥，逐渐脱离教育者的指导和影响，形成独立的自我学习、自我认识、自我修养和自我发展。在这一过程中，强调通过教育者的引导，学习者理解知识本质并主动学习。心理学研究认为，主动学习的主体是学习者本人。从心理激励和行为动机的角度分析，学习行为是心理选择的外在表现，对学习者而言，学习成就是学习的主要动机，实现以解决问题为主的.心理激励是实现主动学习的关键。主动学习积极性的产生，来自学习结果促成的“学习需要”。但是对成就动机而言，教育者能清晰明了地将与成就关联的知识构成、知识体系以及知识本质对被教育者以循循善诱的方式启发和引导，并使被教育者建立起完整的自我认知，这是实现主动学习的心理激励和关键构成。综上所述，我们不难归纳出主动学习实现的关键构成：问题意识与学习兴趣;问题导向的教学情景;与问题关联的知识结构;开放合作的探索环境;建立成就动机激励体系。

2.2控制工程基础课程主动学习教学策略设计

在教学模式设计中突出以学习者为中心，激发学生学习兴趣和成就动机，是教学模式设计的核心所在，同时给定和设计好贯穿机械控制工程基础课程逻辑的系列问题，是实现问题导向主动学习的必要条件。根据前面对问题导向主动学习的关键构成的讨论，我们设计了机械控制工程基础课程主动学习教学策略。

2.2.1培养学生问题意识，激发学生学习兴趣

兴趣是最好的老师。为了让学生建立对机械控制工程基础课程的学习兴趣，教师要在课程初始介绍这一环节，让学生感知控制在机械中的价值和功能，做到这一点，除了需要教师在绪论讲授过程中辅以大量的国内外图片和事例以及在机械控制中存在的各类问题外，最有效的办法是设计与课程相辅相成的实践观摩和实验演示，这有助于学生了解课程的整体性和价值所在，激发他们的学习兴趣，并培养他们的问题意识。

2.2.2构造问题导向的教学情境

按照建构主义理论，构建与问题导向的情境，明确问题以及解决问题的价值，使学生能够对问题形成客观独立的认知，这是学生主动学习、积极探索的关键。在这一环节中，教师是设计者，围绕整个课程要求和专业素养的要求设计教学情境。问题情境应在课程开始就明确告知学生，使他们在课程学习中能够沿着知识逻辑顺序解决这些问题，并逐渐构建自身的知识体系。问题的设计既要明确，又要涵盖知识要点。根据教学组多年的教学体验，我们设计了以下问题：

(1)系统确定条件下的输入输出关系确定问题(系统分析问题);

(2)系统确定、输入确定，如何满足输出要求的问题(系统优化与设计问题);

(3)输入输出确定，何种系统结构适合的问题(系统辨识与预测问题)。尽管这些问题在传统的教学过程中也被归纳为“系统分析、系统优化、系统设计、滤波与预测、系统辨识”五类问题，但因为主要是基于知识传递而形成的知识抽象，而非与问题关联，对于初学者而言过于抽象而不够形象，我们归纳成以上三类问题，并结合实际例子，帮助学生建立起问题导向的知识构建体系。

2.2.3提示并引导学生围绕问题构建知识体系

机械控制工程基础课程涉及控制理论、数学基础、机械运动、力学基础等多门基础课程，为了让学生明晰问题与解决路径之间的知识关联，教师需要对该课程解决实际问题过程中所需构造的知识体系进行关键知识点的讲解、串通知识，关键是帮助和引导学生建立解决问题为主要导向的知识构成。如课程的性质，首先让学生明白，该课程的核心要素是“输入、系统、输出”，希望实现系统稳定和优化。在引导学生构建问题导向的知识体系中，要紧紧围绕三要素之间的动态关系来进行。引导学生构建知识体系要循序渐进，首先让学生认识系统关系，继而理解系统的数学模型，然后分别对系统的时域响应和频率特性进行分析，并以此为基础分析系统稳定性，最后在系统特性分析基础上，依据系统的性能指标对其进行校正。尽管对于一些复杂系统会涉及较为抽象的数学运算，如一阶或二阶微分方程，但是只要理解系统与输入输出的关系，系统模型很容易与输入建立起关联，自然就能够建立反映系统特性的微分方程和传递函数。所以，只要让学生建立“输入、输出、系统”三者间的关联，问题就会明确，主动学习方向就会明确。引导学生建立基于上述三类问题解决的知识构建体系，是引导学生学好该课程的关键。

2.2.4构建开放的适于探索性学习的学习环境

设计开放的实验体系，要求学生根据课程进度和解决工程实践问题的要求，循序渐进地设计出基于个人独立完成与合作完成的实验项目。在这个环节中，教师需要给出明确的实验项目要求，提出解决哪一类问题，学生根据问题的要求自行设计实验项目和内容，独立或合作完成。例如：控制过程经常涉及拉普拉斯变换，学生在掌握基本知识要点的前提下，可以自主改变控制参数，并设计不同的控制目标。同时，我们引入基于MATLAB的辅助实验条件，帮助学生利用计算机仿真验证实验和学习效果，激发学习兴趣。

2.2.5建立成就动机激励体系

机械控制工程基础课程是应用性和实践性很强的课程，学习效果的关键表现应是知行结合、学以致用、提高解决问题的能力，而不是简单的卷面成绩。更为重要的是，考核内容与方式要能够有效激励学生，促进学生主动学习，并不断地提升专业素养。在考核方式上，我们摒弃传统方式，建立基于解决问题与创新能力的评价方式，该方式包括自评、互评、师评和加分，是有学生参与和开放的评价模式。

3结束语

面向控制论思维方式培养的机械工程控制基础课程教学方法探索 篇5

控制工程基础是电子信息工程专业的基础课, 是从事控制类研究的基础, 具有知识点多和理论性强的特点[1]。由于是专业基础课程, 教学内容相对稳定, 以往的教学模式往往注重理论性和内容的系统性, 导致该课程理论与实践相脱节, 教学内容也受到所选教材的局限而更新缓慢, 进而产生教学内容单一化、学生学习吃力、教师讲解费力等问题。

本文在总结已往教学经验的基础上, 注重引入一系列新的方法和手段, 同时教学内容要兼顾学校的行业特色, 充分考虑煤炭行业对电子信息工程专业中自动控制技术的需求, 与实际问题结合进行讲授, 尽量做到深入浅出, 注重培养学生运用控制理论解决控制工程问题的能力。

二、教学改革创新方法

1. 教学内容改革。

《控制工程基础》课程是一门理论与实践并重, 工程性、综合性、方法性、实践性很强的课程。从优化课程设置总体的角度出发, 对课程体系进行改革, 确立了以系统分析、系统建模、系统综合为控制工程基础课程的主线, 构建了由时域分析、复域分析、频域分析、系统校正4个模块构成的知识体系。

对教学内容改革, 以突出控制理论的物理概念及工程背景, 淡化数学证明为原则, 在现有的基础上, 继续整合、优化课程内容, 进一步明确课程体系结构、组织方式, 理顺本课程和相关课程的知识联系;进一步完善课程教学大纲和实验大纲, 使教学内容能够为培养学生的创新能力服务。

在教学内容上, 注意突出煤炭行业特色, 体现控制理论在煤炭行业中的应用。通过讲座的形式向学生介绍自动控制发展的最新动向、最新技术, 弥补在课堂教学时数的限制与教材的滞后等方面的不足。

(1) 以系统建模、系统分析和综合设计为课程主线, 强调工程背景。控制工程基础是一门理论性、实践性和综合性强的课程, 内容多, 概念抽象, 涉及面广, 学生普遍感到有一定的难度。采用的教学思路是:从课程的体系出发, 以系统建模→系统分析→综合设计作为课程主线, 强调煤炭工程背景, 突出能力的培养。数学模型是描述系统内部各物理量 (或变量) 之间关系的数学表达式, 建立一个合理的模型是系统分析和设计的前提。系统分析方法是控制系统综合设计的基础, 这部分的内容主要包括时域分析法、根轨迹法、频域响应法, 是控制理论教学的重点[2,3]。系统设计是综合利用理论知识使系统的性能指标全面满足要求的过程, 对培养学生的分析、综合能力及创新能力十分重要, 也是教学的难点。只要抓住这些特点, 就抓住了系统分析与设计的关键, 有助于学生加深对不同方法的理解。

(2) 结合控制理论的发展更新教学内容。近年来, 控制理论得到了蓬勃发展, 特别在非线性控制、分布参数控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等方向上取得了重要进展[4]。这就要求教师对本学科发展有一个较好的把握, 注意处理好经典的基本理论和新技术的关系, 从中选取一些比较符合课程要求的理论知识, 在讲课过程中及时介绍给学生, 以保持课程内容的先进性。近几年来, 随着电力、电子、控制技术、通讯及信息技术等的不断发展及其在煤矿上的广泛应用, 煤炭行业的电子信息与自动化程度大大地提高, 因此教师应结合煤炭类电子信息的发展讲授。另外, 可通过讲座的形式向学生介绍自动控制发展的最新动向、最新技术, 弥补在课堂教学时数的限制和教材的滞后等方面的不足。

2. 采用有效的教学方法和手段。

(1) 采用启发式教学方法。对于控制工程基础课程, 充分运用了启发式教学方法, 注意突出教学重点、难点问题, 尽量结合专业实例。还可采用课堂问答和课堂讨论的方式, 以及在教学内容转换时适当留一些悬念, 让学生通过思考和讨论自己解决问题, 提高学生学习的主动性。

(2) 传统教学方式和现代化教学手段结合。控制工程基础课程由于公式多、绘图量大且准确度要求高, 很多内容非常适合多媒体授课方式[5]。但是, 采用多媒体教学方式会使学生来不及做笔记, 并且也减少了教师和学生的课堂交流。采用的方法是将传统的板书教学方式和现代化的多媒体相结合, 对于存在大量图表、公式和曲线的教学内容, 采用多媒体授课方式。基于MATLAB软件辅助课堂教学, 把MATLAB作为一种基本工具与教学内容有机结合, 利用MATLAB可以快捷的得到理想的结果和直观的曲线图, 教学效果和效率均有明显提高。

(3) 采取答疑质疑相结合的辅导方式。答疑和质疑是教师辅导学生自学的两种重要形式。电子信息工程专业学生在学习控制工程基础课程过程中, 大多数对课程的掌握能力较差, 或跟不上教师的讲课进度, 平时主动找老师答疑的情况较少。可以采用答疑质疑相结合的辅导方式, 以主动质疑为主, 给学生一定的压力, 起到督促学生学习的作用。对于学生存在的共性问题, 采取集体辅导的形式统一解答或进行专门讨论。

(4) 其他教改举措及方法。①利用典型示例、启发式的课堂教学, 培养学生的学习兴趣;结合科研实践和专业发展讲授课本内容。书本上的知识同实际应用是有一些差距的, 结合科研实践讲解比单纯依赖书本传授知识, 更容易打开学生的思路, 激发的创造性思维。②实施灵活的实验教学方法, 因材施教, 对基础较差、能力较弱同学给定实验题目进行实验;对学有余力的学生鼓励他们自己开发实验。为学生开辟第二课堂, 利用创新实验基地, 结合“挑战杯”、全国大学生机器人比赛等活动, 培养学生的创新能力。③采用丰富多彩的教学方式, 对不同的教学内容进行组织, 如通过控制系统建模比赛提高学生的专业综合能力, 通过参观工厂体验实际的工业控制系统, 等等。

3. 实践教学与创新能力培养。

实践教学是工科院校重要的教学环节。应有计划的修订实验教学和课程设计大纲, 将模拟实验与数字仿真实验有机地结合起来, 采用MATLAB语言作为控制系统的仿真平台, 扩大实验内容, 增加具有设计性、综合性以及创新性的项目, 提高实验的质量, 提高学生的综合设计能力, 培养学生的创新思维。

(1) 课内实验与课程设计改革。控制工程基础课程不但有独立的理论和方法, 而且有相当强的实践性和应用性。因此, 在课内实验内容设置上应充分发挥学生的优势, 紧密结合专业, 以实际应用为主, 减少验证性的实验内容, 增大设计性、综合性和研究性的实验内容;在每个实验设计中, 都增加一些加宽、加深的内容, 以使那些基础好、动手能力强的学生学到更多知识。在实验教学方法上, 重点是实行开放式教学。在实验教学中主要以学生为主, 教师则主要是检查和指导。同时, 在特定的时间实验室对学生开放。

在课程设计方面, 首先将MATLAB仿真语言贯穿控制类课程设计体系整过程, 跟踪国际与国内重点大学的主流教学体系;其次结合新型实验教学设备, 重点加强了综合性、设计性项目的开出, 提高综合性设计项目的比例;最后, 结合新的实验设计教学体系与内容, 实施更加开放式的教学, 从而更加突出对学生创新实践能力和综合素质的培养。

(2) 创新能力培养。在学生的创新能力培养方面, 主要采取两方面的措施:第一建立大学生科技活动中心, 指导学生参加各种大学生科技竞赛, 提高学生的实践动手能力。第二建立大学生实践活动基地, 体现煤炭行业的自动化特色, 突出控制理论在煤矿自动化中的应用。

三、取得的成果

我院在采用新的教学方法进行课程建设的过程中, 取得了一些建设性成果, 如形成了一支结构层次合理、具有较高学术水平和教学水平的师资队伍, 青年教师的培养取得了一定的成效。教材建设取得了一定成果, 出版校内自编教材1部。教学改革与教学研究取得了一定成果, 承担与课程相关的校教改研究项目1项。教学方法和教学手段改革取得良好成绩, 获校多媒体课件大赛优秀奖。建立了较完善的网络交互系统。大学生创新能力培养取得一定的成果, 在挑战杯、机器人大赛等大学生科技活动竞赛中多次获奖。

四、结论

本文结合自动化国家特色专业建设, 以煤矿自动化为主要特色, 通过教学内容、实验和课程设计改革等教学环节, 通过开放实验室、建立大学生创新基地、充分利用特色专业实验室等条件和手段, 加强课程教学的煤炭行业特色, 培养学生的动手实践能力。通过编写特色教材、建立网络教学平台、采用多种现代教学手段, 结合教材和专业特色, 开发课程多媒体课件, 制作课程视频资料, 建立和完善课程教学网站, 依托网络教学平台, 开展创新比赛等多种形式的教学活动, 取得了一定的成果, 为以后的教学实践开辟一条稳步发展的道路。

摘要：控制工程基础是电子信息工程专业的基础课, 是从事控制类研究的基础, 具有知识点多和理论性强的特点。以往的教学模式往往注重理论性和内容的系统性, 导致该课程理论与实践相脱节, 教学内容也受到所选教材的局限而更新缓慢, 进而产生教学内容单一化、学生学习吃力、教师讲解费力等问题。文章引入一系列新的方法和手段, 同时在教学内容上兼顾学校的行业特色, 充分考虑煤炭行业对电子信息工程专业中自动控制技术的需求, 开展教学内容、教学方法、教学手段、教材、实验和课程设计的改革, 取得了一定的成果。

关键词：控制,自动化,教学方法,改革

参考文献

[1]满红, 王琳, 邹存名, 冀勇钢.浅谈现代教育技术在自动控制原理精品课程建设的作用[J].中国教育信息化, 2011, (05) :71-72.

[2]孙萍.自动控制原理课程改革的探索与研究[J].电子制作, 2014, (5) :115-116.

[3]李冬霞, 石庆研.《自动控制原理》课程教学改革探索与实践[J].武汉大学学报 (理学版) , 2012, (S2) :153-156.

[4]陈兆岭, 刘国海, 杨年法.“自动控制原理”课程全方位教学改革及实践[J].中国电力教育, 2013, (05) :86-87.

面向控制论思维方式培养的机械工程控制基础课程教学方法探索 篇6

方法等方面开展了具有实践意义的教学改革。

关键词：计算机基础 能力培养 教学改革

【中图分类号】TP3-4

随着信息时代的不断发展和进步，计算机技术、网络技术、通信技术飞速发展，社会及民众生活方式、学习方式、工作方式已经不能离开信息技术的支持。掌握计算机基础知识已成为现代社会对人才培养的基本要求，计算机应用基础课程已成为高职院校所有专业学生入学必须学习的一门公共必修课，通过该课程的学习，可以使学生熟练地操作和使用计算机，掌握信息技术知识，为后续专业课程学习和将

来的深造发展打下坚实基础。高职教育“以实践、创新能力为核心，以创业就业为导向”人才培养目标要求高职计算机基础教学必须突出能力的培养，特别是目前信息技术持续快速发展造成教学内容增多，这与该课程学时被不断挤压产生了巨大矛盾，那么，如何进行有效的课程改革，是每个高职计算机基础老师必须面对和刻不容缓的要解决的课题。

一、高职计算机基础教学现状分析

1.教材内容相对滞后，不能紧跟技术发展。目前高职院校普遍采用的教材中注重知识性、系统性和理论性的全面教材，计算机的软硬件、网络程序面面俱到，学生接触的知识面广而粗浅。

2.学生水平层次不齐。我国中小学已经普遍开展信息技术课程學生不是从零起点开始学习，由于生源地的差异，造成不同的学生在计算机水平上具有较大的差异，这给教学带来了困难，统一的教学大纲和教学目标造成部分学生失去学习兴趣，原本兴趣盎然的计算机课程出现大面积睡觉，玩游戏等情况。

3. 教学方法创新不足。面对不同专业的学生采用的统一的教学目标、教学大纲和教学方法，不利于后续专业课程学习的发展；大部分采用多媒体教学、边讲边练形式，但教学方法和手段不能吸引学生，缺乏高职教育创新能力的培养。

4.考核方式较单一。虽然现在大部分都采用平时+期末考评作为课程总成绩，部分院校以计算机职业能力水平资格考试作为考核方式，注重学生平时试题题库的练习而忽视日常软件应用的教授，导致学生虽然取得证书，但进入工作岗位后依然表现出计算机基础应用不足的情况。

二、计算机基础教学改革方向

1.更新教学内容，合理设置课程体系。学校应经常对计算机基础教学的教材和内容进行更新，选择最先进最前沿的计算机知识进行教学，以便适应当今社会的快速发展，让学生学习和掌握最新的计算机知识。针对高职教育特点，设置分层次课程体系，以项目化、案例等形式将教学内容融入一个个项目和任务中，重实践，轻理论，符合高职学生学习特点。

2.打破传统教学方法，采取多样的基于能力培养的教学手段。

（1）建立学习小团队，以小团队互助学习代替个体独立学习。针对全班学生计算机基础水平不一的现状，设立3-5个学习小组，每小组成员5到8人，设小组组长一名，由小组成员轮流担任。针对教学过程中的实践教学案例，要求各成员相对独立完成该案例操作，成员个体遇到一般性困难时，小组中的其他组员要以相互协作指导方式解决问题，遇到重大问题时举行组内的讨论商议解决方式。采用这种小组互助学习方式，显著加强了同学之间的交流，部分基础较差的学生可以在同小组成员的帮助下，较快地完成学习任务。遇到小团队无法解决的问题时，教师在适当时机组织全班的讨论分析解决问题。

在完成学习任务后，采用随机抽检的方式检验学习效果。被抽检到的成员的表现好坏决定该小组所有成员的本次课堂成绩，即一荣俱荣一损俱损。采用这种“株连九族”的方式登记成绩，能够有力地促进小组成员之间的互帮互助。

（2）翻转课堂的应用，建立学生自主学习意识。传统的教学方式中，教师承担着全部的传授新知识任务，并负责解答学生提出的各种问题，这种方式不利于培养学生的自学习能力。尤其是计算机基础中的理论知识比较枯燥，如何才能让学生较好地吸收这些理论知识。在教学过程中采取学生自主学习和教师点评补充的形式，将课堂让给学生，将理论知识分为几个部分，鼓励学生课下学习，通过ppt形式上台为大家讲解，仍然以小组形式，每个小组承担相同或者不同的教学内容，小组长负责将按教学内容分工，各成员每人承担一部分内容的整理分析或讲解，遇到较难的知识共同合作，通过网络搜索等各种形式补充知识点，不仅仅锻炼了小组长的对问题的把握、分析和解决能力，同时培养了学生自主学习的意识，鼓励他们拿到一个知识点自己会学、会整理、会归纳总结，在这个过程中提高他们office软件应用的水平，同时也大大锻炼了学生演讲口才，这是学生将来面对新知识新岗位必备的学习能力，也是将来走上社会所必不可少的职业能力。

3.考核方式多样化，引入技能竞赛。采取多种形式考核方式，通过组织各类计算机基础技能竞赛，如“指舞飞扬”键盘赛、“我的简历我最棒”、“毕业论文我在行”以及“成绩统计分析汇报会“等技能竞赛，让学生熟练掌握计算机基础操作，开展产品调查、撰写调查报告等活动让学生对目前世面上流行的计算机品牌进行调查，制作产品报告书作为平时考核成绩，注重平时考核，逐渐推进以赛代考，以活动代替期末考试形式，促进学生全面发展。

三、结论

计算机基础教学改革不是一件简单的工作，在改革过程中需要抓住问题的实质来循序渐进的开展，同时还要不断的在改革中总结经验，不断的在改革中完善教学方法、教学内容、教学模式以及评价体系等内容，重中之重在于对学生能力的培养，从而促使计算机基础教学由应试教学转变为能力培养的教学，进而使得每一位学生的计算机基础技能都得到全面的提升。

参考文献：

[1]薛向红.高职计算机应用基础教学改革的探讨[J].南通航运职业技术学院学报，2008（2）：126.

[2]甘海琴.高职计算机应用基础教学刍议[J].电脑知识与技术， 2006（6）：210.

面向控制论思维方式培养的机械工程控制基础课程教学方法探索 篇7

关键词：计算机基础教学,计算思维,教学改革,医药专业

近年来, 随着计算科学的飞速发展及其与其他学科的日益交融, 国内教育界已经认识到计算思维是振兴大学计算教育的重要途径, 计算思维能够促进科学与工程领域产生革命性的创新成果。与此相对应, 国内高校的计算机教育也应该担负起培养大学生计算思维能力的重任, 应以计算思维培养为核心开展计算机课程的教学改革。

本文结合国内外教育界对计算科学、计算教育及计算思维的新理解, 从多个角度深入探讨了医药院校计算机基础课程开展以计算思维培养为核心的教学改革的必要性和迫切性, 并阐述了以医学生计算思维能力培养为核心, 开展医药院校计算机基础课程教学改革的思路和主要实施策略。

1 以计算思维培养为核心开展医药院校计算机基础课程教学改革的必要性

进入21世纪以来, 随着计算机技术的飞速发展和计算科学的跨学科交融日益深入, 国内外教育界对计算科学的重要性有了进一步的认识和体会。2005年6月, 美国总统信息技术咨询委员会在给美国总统提交的报告《计算科学:确保美国竞争力》 (Computational Science:Ensuring America Competitiveness) 中认为, 借助先进的计算技术和计算科学, 21世纪科学领域最重要的以及经济上最有前途的前沿研究都有可能得到解决。基于以上认识, 2007年, 美国科学基金会 (NSF) 为了加强计算教育推出了“大学计算教育振兴的途径” (CPATH) 计划, 专门投入资金改革和推进美国的计算教育。2008年, NSF又启动了一个重大基础研究的五年计划“计算使能的科学发现与技术创新” (CDI) , 该计划涉及到众多的学科, 并以计算思维培养为核心[1]。2011年, NSF又启动了“21世纪的计算教育” (CE21) 计划, 其主要目的就是提高中小学生、大学一、二年级学生及相关教师的计算思维能力[2]。由以上一系列的计划可见, 美国科学及教育界基于对计算科学的重视, 已将计算教育, 尤其是计算思维的培养提到了一个前所未有的高度。

2006年, 美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真 (Jeannette Wing) 教授给计算思维 (Computational Thinking) 做出了详细、全面的定义及描述。她认为“计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计, 以及人类行为理解的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动”, “计算思维的本质是抽象 (Abstraction) 和自动化 (Automation) ”[1,3]。周以真教授关于计算思维的一系列描述和论断目前已成为该领域的权威表述。

正是认识到计算科学在国家发展战略及科学技术领域中的重要地位, 我国计算机科学及教育界也对计算思维给予了高度重视。2009年, 李国杰院士在中国科学院信息领域战略研究组撰写的《中国至2050年信息科技发展路线图》中指出“计算思维的培育是克服“狭义工具论”的有效途径, 是解决其他信息科技难题的基础”[1]。教育部高校计算机基础课程教学指导委员会作为我国推动高校计算机教学的权威机构, 组织了一系列计算思维与大学计算机课程教学改革的研讨会, 并在2010年7月召开的西安会议上发布了《九校联盟 (C9) 计算机基础教学发展战略联合声明》, 正式确定了以计算思维培养为核心的计算机基础课程的教学改革方向[4]。2012年5月, 教育部高等教育司在其组织的“大学计算机课程改革研讨会”上明确指出“以计算思维培养为切入点是今后大学计算机课程深化改革、提高质量的核心任务”。2012年底批准并启动了一批“以计算思维培养为导向的大学计算机课程改革”项目。目前国内包括理、工、文、农、医等在内超过百所高校参加了这一批教改项目, 这标志着以计算思维培养为核心的计算机课程教学改革活动进入了正式的实施阶段。

近些年来, 计算机应用能力的培养一直是医药院校计算机基础教学的重点。正因为此, 在许多教学管理者和任课教师中间存在着关于计算机基础教学的“狭义工具论”的思想, 他们认为计算机基础教学就是“教学生怎么将计算机作为工具使用”、“计算机基础教学只要使学生具备一定的计算机操作和应用能力就行了”。这种观念在医药院校中具有一定的代表性, 已经严重阻碍了计算机基础教学的改革和创新, 是一种片面和狭隘的观念。

同时, 医药院校的计算机基础教学也遇到了一些新问题, 如随着信息技术日益普及, 一年级新生对在大学计算机基础课程中能学到什么感到困惑;任课教师对在大学计算机基础课程中教什么、怎么教也有疑惑;相当一部分医药院校的计算机基础课程的课时在逐渐减少。

因此, 结合对计算科学及计算教育的新认识, 同时考虑到医药院校计算机基础教学目前所面临的新问题和新挑战, 计算机基础课程的教学目标不能再只满足于以往的知识传授和能力培养, 而应该将加强计算教育、培养计算思维能力作为医药院校计算机课程教学必须承担的新任务和新使命。

这其中, 一方面, 计算思维和逻辑思维、实证思维一样, 是一种本质的、所有人都必须具备的思维能力, 是当前大学通识教育必须涵盖的内容。另一方面, 近年来, 计算科学对医学领域产生了巨大的推动作用。计算科学已从最初的生理仿真建模、医院信息管理、数字医院的应用, 逐步发展到计算医学、计算生物学、生物信息学、虚拟人、健康物联网等新型交叉学科以及更广泛深入的应用, 并日益显现出对医学发展和研究的特殊促进作用。再者, 计算思维是一种构造思维, 在当前整合医学的发展中具有独特优势和作用。因此, 医学生能否结合当代先进的计算科学及技术, 并利用计算思维来分析解决医学相关问题, 已成为医药院校计算机基础教学所必须面对的重大挑战。综上所述, 无论是作为当前大学通识教育的必备内容, 还是作为提高医药专业本科生综合素质的重要途径, 以计算思维培养为切入点都是提升当前医药院校计算机课程的教学目标及内涵的核心和关键。同时, 也是医药院校计算机基础教学向深层次发展和变革的必由之路和必然选择。

2 面向计算思维能力培养的医药院校计算机基础课程改革的思路和实施策略

当前, 医药院校计算机基础课程的教学改革应以计算思维能力的培养为核心及主线, 通过教学理念和教学方式的转变, 在授课及实训过程中注重从医学应用的角度, 加强医学生对抽象、算法、计算逻辑、计算系统等计算思维基本要素的理解和计算思维能力的训练。培养他们对人体复杂生理、病理、生化、药理等过程及临床复杂问题进行分解、提炼归纳、系统设计的能力, 使医学生对计算及计算机科学的思维形式有更深刻的认识和理解, 进而提高医学生利用计算科学及技术分析解决医学基础和临床实际问题的思维能力和应用能力。使大学计算机基础课程成为开发和培养医学生计算思维能力的重要途径。

开展以计算思维能力培养为核心的计算机课程教学改革, 并不是完全推翻现有的教学模式和内容, 而是以计算思维能力培养为导向, 进行重组、更新和提升。是以本科医学教育的国际标准和国家标准为指导, 结合医药专业人才培养要求和医学应用特点, 在计算机文化教育、信息素养教育、计算机应用能力培养的基础上, 进一步突出计算思维能力的训练与培养。

图1是面向计算思维能力培养的医药院校计算机基础课程改革的总体框架。将课程的教学改革分为目标、方法、要素及反馈四个层面, 重点围绕课程教学内容改革、课程资源建设、教学方法改革及实验平台建设等方面展开。其核心是通过转变传统教学方式和教学设计, 在教学过程中突出计算思维的渗透和基于不同层次计算环境的医学问题求解。

开展面向计算思维能力培养的计算机基础课程的教学改革要结合医药院校的实际情况, 不宜过于求快、求新。应该采取系统展开、循序渐进、分步实施的策略, 可以先在计算机基础或生源较好的小专业、小班级中试点, 经反馈和改进并形成完整的课程改革实施方案后, 再逐步在更多专业或班级中推广。

具体实施策略如下。

2.1 更新和提升教学理念

更新和提升计算机基础课程的教学理念。教师是教学过程的引导者和设计者, 要保证课程教学改革的成功, 首先要更新教学管理者、教学组长、任课教师的教学理念, 特别是要抛弃“狭义工具论”思想, 认清当前国内外计算机教育, 尤其是计算机基础教学的新形势和新要求, 认识到以计算思维培养为切入点是当前大学计算机基础课程深化改革、提高质量的核心任务, 树立起“以计算思维能力培养为核心”的教学理念。

2.2 以计算思维培养为中心开展计算机基础课程的教学内容建设

这是课程教学改革能否成功的关键。主要方法是对课程原有教学内容进行凝练更新, 减少单纯基础知识和操作技能的相关内容, 增加能体现计算思维的基本理论、部分核心要素 (特别是与医学问题相关的概念和表达) 以及解决问题方法流程等方面的内容, 同时应突出医学专业特点和医学应用。在此基础上, 将凝练更新后的课程内容按照计算思维体系进行优化重组, 初步建立相关知识单元与计算思维表达体系间的映射关系, 以突出计算思维的培养, 实现计算思维从“科学”层面到医药院校计算机基础课程“教学”层面的转换。

2.3 编写适合计算思维能力训练和培养的课程配套教材

以培养计算思维能力为主线, 根据前面凝练的课程内容编写课程配套教材, 在教材中增加计算思维基本理论、核心要素和表达体系方面的内容, 突出基于不同层次计算环境的医学问题求解方法过程, 以及能体现计算思维的医学案例、应用实例等。与教学内容的改革相一致, 教材中应体现核心章节或知识单元与计算思维表达体系相关内容间的映射关系, 并在所选实例中给出计算思维训练的具体要点、主要教学方法和设计。同时教材中应注重突出医学特色, 将思想性和实践性统一起来, 编写适合计算思维训练的配套实验教材。整个系列教材应强调用计算机解决医学问题的方法和思路, 更好地贯穿和体现计算思维的思想。

2.4 开展面向计算思维培养的计算机课程信息资源建设

课程信息资源的建设主要包括能够体现计算思维方法和过程的电子教案、教学片段、案例库、习题库, 以及视频、动画及影像资料库的建设。对于计算思维能力的培养目标而言, 精选能够体现计算思维方法和过程, 并结合医学应用的教学片段、案例、临床教学数据及资源建设是关键。这一方面可以通过构建和设计新的教学片段、案例或资源来实现;另一方面也可以对已有的案例及资源基于计算思维进行改造, 给出基于计算思维进行求解的过程和实现, 对已有资源进行升级。

2.5 开展课程网络教学平台的建设

主要包括课程网站、网络课程、作业提交平台、网络考试平台等的建设。可采用两种方式, 一是在公共教学资源平台上建设;另一种是建设课程的专用网络教学平台。通过上述教学平台的建设, 可实现医药院校教学资源的整合和共享, 构建适用于医药院校计算机基础教学的立体化学习资源, 为“以计算思维能力培养为核心”的课程教学建立学习支持环境和服务体系。

2.6 探索适合计算思维培养的教学方法和教学设计

采用课堂教学、网络教学、实践教学及学生自主学习为一体的教学方法, 课堂教学中教师应主要采用启发式教学法、PBL教学法及案例教学法等, 并设计适合的互动和讨论环节。通过具体的医学实例和应用案例, 引导学生对问题进行抽象, 突出计算思维的流程构建, 使学生能够理解并反复训练计算思维的抽象和自动化过程, 以及应用计算思维来完成数据处理及问题求解。在教学过程中, 应紧扣计算思维的两个核心要素 (计算环境和问题求解) , 重点探索适合计算思维训练的教学设计。

2.7 建设面向计算思维能力培养的实验实践平台

在硬件实验平台建设的基础上, 开展实验实践项目的分层设计。基本实验主要用于技能训练;强化实验主要用于技能和应用能力的训练, 并初步融入计算思维的训练;拓展或研究型实验主要用于计算思维能力的培养。因此增加第三层次的实验项目设计是关键, 是思维训练平台构建的基础。可以采用任务驱动和真实项目开发过程相结合的方式, 以医学信息处理、数据分析及图像处理的相关案例或项目为主线, 通过医药专业常涉及的通用工具 (如Excel、SPSS、Matlab) , 结合在此基础上的简单编程, 实现对相关医学问题的求解。实验项目的设计应强调对医学问题的抽象和求解思路, 突出计算思维的构建流程, 使学生逐层深入地完成一系列的实验任务。同时也鼓励学生结合临床课程学习或临床需求, 设计并开展自选实验。

2.8 对教学实施效果进行综合评价和总结

为了全面了解课程教学改革的效果, 在课程结束后应采用学生问卷调查、学习行为跟踪、与其他平行班学习成绩对比分析、学生自评、任课教师自评等方式对教学效果进行综合评价。评价过程中, 应从教学内容、教学方法和设计、资源建设、实验教学等各方面逐一梳理各教学环节。并对课程教学改革的实施情况和成果进行总结, 对发现的问题及时给出改进方案。

需要注意的是, 由于目前缺乏对计算思维能力的定量评价方法, 且不同专业对计算思维活动的深浅、参与程度需求有所不同, 因此探索适合医学生计算思维能力培养的课程考核及评价手段也是课程教学改革的重要研究内容。

3 结语

加强计算教育、培养计算思维能力是当前大学计算机课程必须担负的新任务和新使命, 以计算思维培养为切入点是大学计算机基础课程深化改革、提高质量的核心任务。医药院校计算机基础课程的教学改革也要顺应改革要求与时俱进。这其中, 医药院校计算机基础课程的教师们一方面应及时更新教学理念;另一方面, 也要结合医药院校的实际, 积极实践和探索, 力争使大学计算机基础课程成为开发和培养医药专业本科生计算思维能力的有效途径。

参考文献

[1]陈国良, 董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教学, 2011 (1) :7-11, 32.

[2]李廉.以计算思维培养为导向深化大学计算机课程改革[J].中国大学教学, 2013 (4) :7-12.

[3]Wing JM.Computational Thinking[J].Communications of ACM, 2006, 49 (3) :33-35.

面向控制论思维方式培养的机械工程控制基础课程教学方法探索 篇8

1 Matlab的优点及其引入课程教学的必要性

1.1 Matlab的优点

Matlab软件是美国Math Works公司推出的一款商业数学软件, 主要包括Matlab和Simulink两大部分。可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、创建用户界面等, 其应用领域涉及工程计算、控制系统设计、信号处理、图像处理等诸多领域[3]。其优点主要表现在以下几方面。

(1) 简单易用, Matlab的界面接近Windows的标准界面, 人机交互性强, 即使是非计算机专业人员也可很快上手。

(2) 高效的数值计算和符号计算能力, 可以满足用户所需的各种计算功能。

(3) 强大的图形处理功能, 能方便地实现计算结果和编程的可视化。

(4) 具有功能丰富的应用工具箱, 可以为用户提供大量方便实用的处理工具。

由此可见, Matlab软件对于机械类的大学生来说, 在教师的指引下, 可以很快自学使用, 且完全能满足机械工程控制基础的教学需要。

1.2 Matlab引入课程教学的必要性

机械工程控制基础作为一门理论性和实践性都比较强的专业课程, 在课程教学中表现出如下特点。

(1) 课程具有教学内容抽象、数学理论性较强、图表曲线多等特点, 这对刚刚接触专业课程学习的大学生来说, 无疑又增加了他们学习这门课程的难度, 导致很多学生在学习中“水土不服”, 久而久之, 学生们也逐渐失去了课程后续内容学习的兴趣。

(2) 作为应用型新兴本科院校, 课堂教学过分注重基本理论内容的讲解, 缺乏实践环节的锻炼, 使得学生所学知识与机械工程实际应用缺乏联系, 课程内容枯燥无味。

( 3 ) 课程教学偏重于应试教学模式, 忽略了学生的综合素质和创新能力的培养, 课程学完结束之后, 学生掌握的仅仅是几个基本概念和几个基本公式, 而关于控制系统分析、设计方面的相关软件却很生疏。

而前述的Matlab软件的诸多优点正好可以解决上述问题, 在机械工程控制基础课程教学中引入Matlab软件, 一方面, 可以满足常见机械工程控制系统的建模、设计、仿真和分析等过程;另一方面, Matlab软件的强大的图形处理功能和友好的可视化界面必将会增加学生的兴趣和积极性。

2 Matlab在课程教学中的运用举例

Matlab软件在机械工程控制基础课程教学中的运用涉及系统的时间响应分析、频率特性分析、稳定性分析及连续线性系统的设计与校正等多个方面[4,5], 下面以系统的时间相应分析和稳定性分析为例说明Matlab软件在课程教学中的运用。

2.1 在系统时间响应分析方面的运用

Matlab软件可以实现系统的时间响应分析, 通过系统在典型输入信号下的时间响应曲线, 不但可以了解控制系统的参数变化对其响应曲线波形的影响, 而且可以测试出系统的瞬态响应性能指标。下面举例说明。

已知某系统的传递函数为

要求绘制完成20秒的系统的单位阶跃响应曲线, 并求取相应的瞬态响应性能指标。

利用Matlab命令语句编制程序:

num=[3];

den=[1 1 3];

T=20;

sys=tf (num, den) ;

step (sys, T)

运行上述命令语句, 即可绘制出系统的单位阶跃响应曲线 (如图1所示) 。通过系统的单位阶跃响应曲线, 再结合教材中关于上升时间、峰值时间及超调量等瞬态响应性能指标的定义, 可以很直观地将这些基本概念及其计算方法跟学生解释清楚。另外, 通过调整系统的增益, 可获得系统增益对系统输出波形的影响。这样不但可以将增益的概念跟学生讲解明白, 而且也可以向学生展现增益变化对系统瞬态响应性能指标的影响关系。

通过这样一种课程教学方式, 不但大大提高了学生的学习兴趣, 而且也让学生掌握了Matlab软件的一些基本操作, 有利于教学效果的提升。

2.2 在系统稳定性分析方面的运用

Matlab软件同样可以应用在系统稳定性判断的教学过程中, 通过Matlab软件绘制系统的Nyquist图和Bode图, 再结合教材中给出的相应的稳定性判据, 即可判断闭环系统的稳定性。下面举例说明。

已知某系统的传递函数为

要求绘制系统的Nyquist图和Bode图, 并判断闭环系统稳定性。

利用Matlab命令语句编制程序:

b=1;

a1=[0.6 1];

a2=[0.2 1];

a3=[0.06 1];

a=conv (a1, a2) ;

a=conv (a, a3) ;

margin (b, a)

nyquist (b, a)

运行上述命令语句, 就可绘制出系统的Nyquist图和Bode图 (如图2、图3所示) 。从图中可知, 系统的Nyquist图逆时针包围 (-1, j0) 点0次, 而开环系统极点全部位于左半s平面, 根据Nyquist稳定判据, 故闭环系统稳定。同样, 在Bode图中, 幅值穿越频率小于相位穿越频率, 根据Bode稳定判据, 闭环系统稳定。

显然, 对于控制系统稳定性判据的教学, 融入基于Matlab软件的这些仿真实例, 不但思路简洁清晰、便于理解, 而且更容易凝聚学生的视线。

通过上述两则实例可以看出, 在机械工程控制基础的课程教学中融入Matlab软件, 有利于提升课程教学效果。

值得注意的是, 在传统的教学过程中, 人们往往只重视概念和公式的死记硬背, 学生只会套用公式及模仿例题, 一旦要解决的问题发生变化, 便无从下手应对, 使得学生的综合素质和创新能力受到限制。例如, 对于上述的二阶系统的时间响应分析, 仅仅通过书本, 学生掌握的可能只是与之相关的几个基本概念和几个计算公式, 这些对于学生应付期末考试可能已经足够, 但是用它们解决一些新的问题就显得捉襟现肘了。基于Matlab软件的课程教学可以很好地解决这一问题, 就上述二阶系统的时间响应分析教学过程来说, 当介绍完与二阶系统时间响应相关的基本概念和计算公式后, 不要急于介绍下一节内容, 而是可以根据这部分学习内容设计一些有典型代表意义的仿真实验。例如, 二阶系统的增益变化对其稳定性有何影响?三阶系统的时间响应曲线又是怎样的?通过设计这样的一些仿真实验, 给学生创设自主探索的机会, 使学生在探索中学会猜想, 在探索中学会验证, 在探索中掌握相关软件工具。兴趣的激励还可能促使学生运用掌握的Matlab软件积极探索现实生活中的工程实例, 实现在探索中综合素质的提高和创新能力的培养。

3 结束语

针对应用型新兴本科院校机械工程控制基础课程教学的目标和特点, 将Matlab软件引入到其课程的教学中, 一方面, 在某些知识点的讲解上, 通过图形化的互动教学, 使学生能够更加直观、清晰的理解和掌握一些抽象的概念和理论, 有利于提高课堂教学质量, 增加学生的学习兴趣;另一方面, 软件化的教学能够提升学生学习、运用Matlab软件的积极性, 有助于提高学生独立分析问题、解决问题的能力。由此可见, Matlab软件的引入为机械工程控制基础课程提供了一种全新的教学方法, 使学生的综合素质和创新能力得到较好的培养。

参考文献

[1]杨叔子, 杨克冲.机械工程控制基础[M].武汉:华中科技大学出版社, 2011.

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