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《控制工程基础》课程达成度评价研究与实践

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  摘要:在工程教育專业认证快速发展的背景下,针对工程教育认证的基本理念,本文以机械电子工程专业的核心课程——《控制工程基础》课程为例,分析了课程内容及主要教学环节对应支撑毕业要求的具体指标点,同时阐述了课程达成度评价的实施过程。教学实践相关的数据验证了学生通过课程学习后能力的达成度,并指出课程教学过程中存在的问题及进一步改进的措施。本文相关研究方法可进一步应用于机械电子工程专业其他课程,评价结果可有效支撑工程教育专业认证的持续改进工作。
  关键词:工程教育专业认证;课程达成度;毕业指标;《控制工程基础》
  中图分类号:G642.0     文献标志码:A     文章编号:1674-9324(2019)20-0120-04
   一、前言
  工程教育认证是国际通行的工程教育质量保证制度,也是实现工程教育和工程师资格的国际互认的重要基础。自从2013年获得《华盛顿协议》认可后,我国的工程教育正积极推进“五位一体”的高等教育评估制度,其中包括自我评估、院校评估、专业认证、国际评估和状态数据的常态评测[1,2]。在我国,开展工程教育认证强调以下三个基本理念:(1)强调以学生为本,面向全体学生。(2)强调以学生为中心,以学生学习产出为导向,对照毕业生核心能力、素质要求,评价专业教育的有效性。(3)强调合格评价与质量持续改进[3]。目前国内各个高校都在积极探索和构建以培养目标为导向、毕业要求为目标、课程体系为支撑的毕业要求达成度评价体系。其中对专业核心课程达成度评价体系的完善直接影响着工程教育专业认证结果[4]。
  《控制工程基础》是机械电子工程本科专业的主干核心课程,主要研究以机械工程为对象的控制问题,研究机械工程领域中广义系统的动力学问题,包括系统本身的动态特性,系统及其与输入、输出三者之间的动态关系。通过本课程的学习,可以使学生能够正确理解和运用本课程的基本概念和理论,掌握控制的基本理论和基本技能以及一套较完整的分析,设计控制系统的方法,为其他专业基础课及专业课的学习打下必要的基础。同时,也为以后从事机械电子工程的实际工作和科研奠定一定的理论基础[5]。本文从一位专业任课教师的角度出发,以《控制工程基础》课程为案例,讨论了工程教育专业认证中如何建立课程达成度评价体系,并通过对一个典型教学班级课程达成度数据的分析,验证了学生通过课程学习后能力的达成度,同时指出了课程教学过程中存在的问题及进一步改进的措施。
  二、课程内容及主要教学环节对毕业要求的具体支撑
  《控制工程基础》是机械电子工程本科专业的主干核心课程,在学科体系中起承上启下的作用,是后续专业课程的基础[6]。在确定了课程所支撑的毕业指标点后,需要撰写基于达成度的课程教学大纲,确定课程教学目标分为知识目标和能力目标,共9个教学目标。分别为:
  1.知识目标。目标1:了解机械工程控制论的基本含义和研究对象;掌握广义系统动力学方程的含义;了解系统、广义系统的概念及广义系统的几种分类方法;了解系统动态模型和静态模型之间关系;掌握反馈的含义,学会分析动态系统内信息流动的过程,掌握系统或过程中存在的反馈。目标2:了解数学模型的基本概念,会列写系统微分方程;掌握传递函数的概念、特点,会求传递函数的零点、极点及放大系数;能够根据系统微分方程绘制系统传递函数方框图,并实现简化,从而求出系统传递函数。目标3:了解时间响应及其组成,典型输入信号;掌握一阶及二阶系统定义及单位脉冲响应、单位阶跃响应和单位斜坡响应。熟悉系统稳定性与特征根实部的关系,了解系统的输入、结构的参数以及干扰对系统偏差的影响。掌握频率特性的定义和代数表示法以及与传递函数、单位脉冲响应函数和微分方程之间的相互关系;掌握频率特性和频率响应的求法;掌握频率特性的Nyquist图和Bode图的组成原理熟悉典型环节的Nyquist图和Bode图的特点及其绘制,掌握一般系统的Nyquist图和Bode图的特点和绘制。目标4:了解系统稳定性的定义、系统稳定的条件;掌握Routh判据的必要条件和充要条件,学会应用Routh判据判定系统是否稳定,对于不稳定系统,能够指出系统包含不稳定特征根的个数;掌握Nyquist判据;理解Nyquist图和Bode图之间的关系;掌握Bode判据;理解系统相对稳定性的概念,会求相位裕度和幅值裕度,并能够在Nyquist图和Bode图上加以表示。目标5:了解系统时域性能指标、频域性能指标和综合性能指标的概念;了解频域性能指标与时域性能指标的关系;了解系统校正的基本概念。掌握增益校正的特点;熟练掌握相位超前校正装置、相位滞后校正装置和相位滞后——超前校正装置的模型、频率特性及有关量的概念、求法及意义;掌握各种校正装置(如PID校正)的设计方法;熟练掌握各种校正的特点。目标6:掌握MATLAB这个软件的使用,学会基本运算与绘图及数据处理;掌握用MATLAB来做控制系统的模拟与仿真;熟悉计算机辅助时域、频域分析仿真和稳定性研究和系统校正的方法。目标7:熟悉针对具体机电控制系统(如倒立摆系统)进行分析研究的方法,掌握对倒立摆系统进行稳定性控制的方法。
  2.能力目标。目标8:具备应用数学、自然科学和工程科学的基本原理,分析轨道交通、机电一体化等领域机电控制系统相关复杂工程问题并获得有效结论的能力;具备针对复杂机电控制问题制定解决方案,设计满足特定需求系统的能力。目标9:具备能够基于科学原理并采用科学方法对复杂机电控制系统问题进行研究的能力;具备能够针对复杂机电控制系统问题,开发、选择与使用适当的技术、资源、现代工具和信息技术工具,对其进行预测与模拟的能力。
  在工程教育基本理念的指引下,对《控制工程基础》课程的培养目标和知识体系进行了系统深入研究,设计了以学生为本,面向全体学生的专业知识、能力和素质培养指标体系,并制定了各项指标点的实施措施。所设计的指标点涵盖了工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究和使用现代工具等多个方面。课程目标、毕业要求、教学内容和权重对应关系如表1所示。每个毕业要求二级指标点需要由几门具体课程去支撑,同一门课程也可以支撑多个二级指标点。对于支撑同一个毕业要求二级指标点下的各门课程,需要分配一个权重系数,并且所有课程的权重系数之和为1[4,7]。由表1可知,《控制工程基础》课程对支撑毕业要求二级指标点1.3、2.1、2.2、3.3、4.2、4.3、5.2的权重分别为0.2、0.2、0.2、0.1、0.1、0.1和0.1。对于不同的毕业要求指标点,由不同的课程目标和教学内容进行支撑,其考核环节及所占权重也是不同的。   三、達成度评价方法设计和计算
  抽取具有统计意义的平时成绩记录册(包括考勤记录、作业记录、实验记录、阅读设计报告记录)和试卷样本,每个班级的好、中、差成绩分布基本符合正态分布。这里抽取一个教学班级,该教学班级共有学生62名,根据原始教学数据计算出各个考核环节这62名学生的平均得分,以此作为计算课程达成度的数据来源。
  期末考试采用闭卷考试方式进行,设计了3种题型:单项选择题(30分)、计算题(30分)、综合应用题(40分)。内容涵盖了教学大纲规定的各个章节。根据期末考试试题出题情况确定各个毕业要求二级指标点的支撑分值,再根据试卷得分记录,计算不同指标点的考生平均得分。根据表1,只有毕业要求二级指标点1.3,2.1,2.2需要期末考试考核环节支撑。这里以一个教学学期期末考试为例,计算出的期末考试试题支撑各毕业要求二级指标点的分值如表2所示。
  达成度计算结果如表3所示。根据工程教育认证评价机制的规定,指标点评价值必须达到达成度目标值的70%即为合格[9]。
  由表3可知,每个指标点的达成度评价值都超过了达成目标值的70%,表明评价合格。指标点2.1,2.2的评价值明显低于指标点1.3,说明学生学习过程中对基本知识点能够掌握,但是缺乏灵活运用的能力,解决复杂机电工程问题的能力有待加强。指标点5.2的评价值高于4.2,4.3,说明学生能灵活运用现代工具对复杂工程问题进行分析和建模,但是设计研究方面的能力还有待加强。
  四、持续改进
  根据对本课程各指标点达成度的技术与分析,提出以下改进措施:
  1.提高学生对复杂工程问题开展数学建模和综合设计的能力。在教学方面,重点讲授对特定机电系统进行数学建模和控制系统设计的综合分析方法。使得学生不仅掌握控制工程的基本知识点,而且能掌握灵活运用知识点去解决相关工程问题的能力。
  2.进一步细化平时成绩登记册。针对每个毕业要求二级指标点,细化对应的考勤记录、课后作业记录、实验记录和设计报告记录,使其能一一对应每个二级指标点,以更好地反映学生学习情况。
  3.从考核效果看,学生主动参与教学实践环节的时间偏少,对研究和解决复杂工程问题的能力不足。今后在教学中要多注重理论联系实际,适当增加案例教学示例,多举例,多练习,加强与学生的互动,适当增加课外教学环节。
  五、结语
  课程达成度评价是一个比较客观、公正反映专业建设质量的量化指标。在毕业要求达成度框架下,本文针对《控制工程基础》课程构建了课程达成度评价体系,阐述了课程达成度评价实施过程,并通过实践教学相关数据验证了学生通过课程学习后能力达成度,最后分析了课程教学过程汇总存在的问题并提出了进一步改进的措施。但是本课程达成度评价体系仍然存在一定的不足,如指标点支撑分数划分过细,二级指标点过多等。另外,如果有些课程不适合进行量化计算,或缺乏课后作业、设计报告和实验等环节等,则需根据不同课程设计不同的达成度评价体系。
  参考文献:
  [1]王孙禺,赵自强,雷环.中国工程教育认证制度的构建与完善——国际实质等效的认证制度建设十年回望[J].高等工程教育研究,2014,(5).
  [2]王玲,盛敏.深化认证标准理解,提升自评工作质量[J].高等工程教育研究,2014,(5).
  [3]陈平.专业认证理念推进工科专业建设内涵式发展[J].中国大学教学,2014,(1).
  [4]杨兆,付百学,李涵武.课程支撑毕业要求指标点达成度评价研究[J].黑龙江工程学院学报,2018,(1).
  [5]董景新,赵长德,郭美凤.控制工程基础[M].第4版.北京:清华大学出版社,2015:11,12.
  [6]艾超,陈立娟,孔祥东,姚静.控制工程基础课程教学模式的改革与实践[J].教学研究,2015,(4).
  [7]张建树,郭瑞丽.工程教育认证背景下课程达成度的评价改革[J].高教论坛,2016,(6).
  [8]陈爱萍,周娟,付琳.通信原理课程达成度评价初探[J].科技展望,2017,(26).
  [9]张国强,陈峻,王昊,胡晓健.工程教育认证背景下“交通控制与管理”课程达成度评价研究与实践[J].东南大学学报:哲学社会科学版,2017,19(增刊).
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