具有航空航天特色的控制工程基础课程体系建设
齐义文+卢艳军+刘利秋+高云红
[摘 要]为了突出以航空航天特色为中心的发展需要，学校在教育教学方面需要加大对相关课程内涵建设的研究、改革和实施。学校可以以控制工程基础课程为载体，以突出航空航天特色为目标，设计一套提升该课程教学专业特色性的课程体系建设方案。学校通过课堂教学和实验教学的改革，建立与课程内容联系紧密的特色教学/实验案例素材库，深化学生对控制工程理论知识的理解，并使学生了解控制工程原理在航空航天中的最新应用，使其具备一定的数字仿真能力和初步综合设计航空航天控制系统的实践与创造能力。
[关键词]控制工程；航空航天特色；课程建设；教学改革
[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）12-0165-02
沈阳航空航天大学（以下简称沈航）是一所以航空宇航为特色，以工为主的多科性协调发展的高等院校。作为教学研究型定位的高等学校，我校的教学工作在学校各项工作中占有十分重要的地位。多年来，沈航自动化学院基础教研室承担的控制工程基础课程是我校机械、飞行器与动力和材料等工科专业的一门重要的专业基础课，作为核心课程之一在专业课程体系中占有重要地位。当前，自动化类技术在现代高科技发展的诸多领域（如航空航天）起到了越来越重要的作用，与其密切相关的控制工程基础课程教学也面临着改革，以适应航空航天科技的发展和人才培养的需求导向。该课程涉及数学、力学、电学和测试技术等多门相关课程，以系统的动态过程为研究对象，内容理论性较强比较抽象，同时该课程知识又能运用于有明显实践应用性的广泛领域中。但在实际教学过程中，其理论和实际的结合不是很紧密，难以跟上航空航天工程中控制技术的快速发展。
为了突出该门课程的航空航天特色，加强培养学生对理论知识的理解掌握和提升学生的工程应用能力和创新意识，我校开展了具有航空特色的控制工程基础教学模式的探索改革与实践。通过将控制理论知识与航空航天专业特点相结合，以期使学生在掌握自动控制基本理论和方法的基础上，对于其在航空航天各领域（如飞行控制系统、航空发动机控制系统、卫星姿态控制系统、火箭/导弹控制系统及其他航空航天运载器的机电控制系统等）中的应用有较为深入的了解，并初步掌握航空航天类控制系统的基本原理和设计方法。
一、具有专业特色控制类课程建设的研究现状
在国内，控制类课程一直在各工科专业的课程设置中占有重要地位。江南大学王艳针对电气信息类学生的具体情况，对自动控制原理的课程教学进行了一些改革和尝试。[1]华东理工大学孙京浩等人针对该校过程控制工程国家精品课全方面探讨了课程创新教学改革实践和经验体会。[2]此外，北航的陈殿生等人，江苏科大的袁明新等人和辽宁工程技术大学的李建刚等人还分别对机械控制工程、机电控制工程和控制工程等课程的改革和建设进行了有益探讨并提出了多项措施。[3]面向航空特色的课程建设成果主要体现于国内几所航空类院校。昌航谢小林等对“复合材料”专业的航空特色人才培养途径进行了研究。[4]南航刘海春等对航空特色“电工电子技术”课程教学进行了研究。[5]此外，昌航罗军明等对金属材料工程和普通化学等专业具有航空特色的创新型人才培养、教学体系建设和课程教学改革等内容进行较为深入的研究和探索实践。[6]
综上，在自动化核心课程建设方面，整体上国内高校偏重于理论教学。在具有航空特色课程建设方面，几所航空类学校已陆续在多门课程上开展研究和实践尝试，但在控制工程类课程建设上仅有初步尝试（将发动机控制部分引入）[7]，且信息获取方式十分有限，还远不能全面反映航空航天控制领域的整体应用实践情况，有待结合我校的特色进行深入发掘、研究和探索。
二、具有航空航天特色的控制工程基础课程建设方案
（一）突出航空航天特色的课程内容优化
1.课程大纲的修订
课程大纲是控制工程基础的纲领性规范文件，以突显航空航天特色为指导理念，明确目的，对课程大纲的制订和教学内容的安排体现出基础与综合的合理分配、理论与实践的密切结合、经典与航空航天控制工程前沿的有效过渡。充分结合主讲教师丰富的科研实践经验，按学术专长分工，制订可涵盖航空航天领域典型控制系统和控制问题的内容优化方向和范围。大纲制订目标是使学生具有较强的控制工程基础理论知识，以及具备初步的在航空航天控制系统设计领域综合运用知识的能力、实际动手能力和创新性实践能力。
2.构建航空航天控制系统设计案例库
本文所提出的案例驱动教学，其本质是将理论教学与航空航天控制工程实践相结合，通过工程案例提高课程的实用性和前沿性，并激发学生的学习兴趣，发挥学生主体性和加强对学生创新实践能力的培养。设计的工程案例大致可划分为三种类型：启发引导型、认知辅助型和综合设计型。
其中，对于启发引导型案例（起到“线”的作用），引入一个系统的大案例置于课程绪论中，充当引领作用，阐述学习的意义和本质和激发兴趣，解析某个航空航天控制系统的构成和控制问题描述，阐述解决思路，并提供解决路径（教材其余各章节）。需要指出的是，这个大案例始终贯穿全课程内容，其作为一个大线索，可一方面起到使上下文知识点逻辑紧密的作用，始终反映全局和局部的关系，还可使学生最终实现一个典型航空航天控制系统设计的完整学习过程。
对于认知辅助型案例（起到“点”和“面”的作用），认知型案例主要是针对教学中的重点和难点，利用一些“小型或局部性”航空航天控制工程案例（如飞行控制系统、航空发动机控制系统和卫星姿态控制系统）来诠释知识点。这些案例可在教学的具体章节中夯实学生对某单独知识点的学习、消化和掌握，也可持续体现课程的应用实践性，提升学生的学习兴趣，还可以使学生逐步了解和认识航空航天控制系统涉及的各个具体领域，扩大知识面，提高特色素养。
（二）突出航空航天特色的多层次的实践教学体系
实践是课程教学必不可少的内容，有利于理论知识的巩固和应用能力的提高。在现有的教学中，实验（6学时）教学只是在授课期间穿插两三次实验，学生对实验内容的理解仍然比较模糊，未能达到实验教学目的。为此，我们拟对控制工程基础的实验内容进行部分调整，构建多层次的实验教学体系，实验涵盖基础理论实验和综合性设计实验两个层次，由浅入深，循序渐进。
1.基础理论实验
学生学会利用控制方法去设计系统，这是本课程学习的最终目标，也是教学的难点。现有控制工程基础的实验多是分析验证性实验，缺少设计性实验。由于其只是单纯的系统性能仿真或是稳定性分析（零极点分布、奈奎斯特判据），往往2～3学时的实验学生很快就做完了。学生仅学会了对某些单知识点的初步分析，没有形成完整的控制系统设计思维，当然也不会设计稍微复杂的系统。作为国内外广泛使用的教学和应用软件，Matlab功能已十分强大，应充分利用其更多的实用功能。为此，学校拟在现有基础上，安排设计更加综合的基础理论实验案例，采用Matlab/Simulink工具进行高级设计，加深学生对理论知识的综合理解，同时提升其使用控制系统分析工具的水平。
2.综合性设计实验
实验过程是从预习开始到完成实验报告的一个完整过程。长期以来，实验教学过程中存在着重视实验结果轻视实验过程的倾向。实验前一些学生已经把前面同学的实验程序抄录在手，实验过程中常出现不认真观察实验的现象。为改变这种重结果轻过程的现象，拟增加具有航空航天特色的综合性控制系统设计实验，全面考查学生对系统的分析和综合设计能力，考查建模、稳定性、时域分析、校正设计等具体内容。通过设计性实验来改变学生的被动状态，学生需要自己动脑和互相配合，这激发了学生的学习积极性，培养了学生理论联系航空航天工程实际的独立工作和创新能力。
三、结论
本课程改革在教学和实践环节提出了一套带有航空航天特色的控制工程基础课程案例分析、基础仿真实验和综合设计实验相结合的多层次体系。经过精心设计与选择案例和实验内容，将航空航天特色科学地纳入各个教学环节，可将学生独立思考能力、分析问题能力、实际动手能力和创新能力的培养结合到课堂与实践教学环节中，并不断增强学生对本课程理论知识的理解掌握和提升学生对航空航天控制系统分析设计的综合应用实践能力水平。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 王艳. 《自动控制原理》课程教学改革与创新实践[J]. 江南大学学报（教育科学版），2007（4）：49-51.
[2] 孙京诰，罗健旭，刘漫丹，等. 过程控制工程国家精品课程特色建设探讨与实践[J].化工高等教育，2012（2）：15-18.
[3] 陈殿生，王田苗，黄宇. 机电控制工程课程的网络教学系统的开发[J].实验技术与管理，2009（1）：7-10.
[4] 谢小林，梁红波，范红青，等. 复合材料专业方向航空特色人才培养的探索与实践[J].大学教育，2013（6）：143-144.
[5] 刘海春，翁晓光，邢丽冬. 基于航空特色的“电工电子技术”课程教学实践[J]. 电气电子教学学报，2013（4）：35-39.
[6] 罗军明，鲁世强，张国光.金属材料工程专业航空特色与创新型人才培养探讨[J]. 黑龙江教育（高教研究与评估），2012（1）：33-35.
[7] 鲁峰. 具有航空特色的自动控制原理课程教学中的启示[J].科技信息，2013（4）：141-141.
[责任编辑：刘凤华]
[摘 要]为了突出以航空航天特色为中心的发展需要，学校在教育教学方面需要加大对相关课程内涵建设的研究、改革和实施。学校可以以控制工程基础课程为载体，以突出航空航天特色为目标，设计一套提升该课程教学专业特色性的课程体系建设方案。学校通过课堂教学和实验教学的改革，建立与课程内容联系紧密的特色教学/实验案例素材库，深化学生对控制工程理论知识的理解，并使学生了解控制工程原理在航空航天中的最新应用，使其具备一定的数字仿真能力和初步综合设计航空航天控制系统的实践与创造能力。
[关键词]控制工程；航空航天特色；课程建设；教学改革
[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）12-0165-02
沈阳航空航天大学（以下简称沈航）是一所以航空宇航为特色，以工为主的多科性协调发展的高等院校。作为教学研究型定位的高等学校，我校的教学工作在学校各项工作中占有十分重要的地位。多年来，沈航自动化学院基础教研室承担的控制工程基础课程是我校机械、飞行器与动力和材料等工科专业的一门重要的专业基础课，作为核心课程之一在专业课程体系中占有重要地位。当前，自动化类技术在现代高科技发展的诸多领域（如航空航天）起到了越来越重要的作用，与其密切相关的控制工程基础课程教学也面临着改革，以适应航空航天科技的发展和人才培养的需求导向。该课程涉及数学、力学、电学和测试技术等多门相关课程，以系统的动态过程为研究对象，内容理论性较强比较抽象，同时该课程知识又能运用于有明显实践应用性的广泛领域中。但在实际教学过程中，其理论和实际的结合不是很紧密，难以跟上航空航天工程中控制技术的快速发展。
为了突出该门课程的航空航天特色，加强培养学生对理论知识的理解掌握和提升学生的工程应用能力和创新意识，我校开展了具有航空特色的控制工程基础教学模式的探索改革与实践。通过将控制理论知识与航空航天专业特点相结合，以期使学生在掌握自动控制基本理论和方法的基础上，对于其在航空航天各领域（如飞行控制系统、航空发动机控制系统、卫星姿态控制系统、火箭/导弹控制系统及其他航空航天运载器的机电控制系统等）中的应用有较为深入的了解，并初步掌握航空航天类控制系统的基本原理和设计方法。
一、具有专业特色控制类课程建设的研究现状
在国内，控制类课程一直在各工科专业的课程设置中占有重要地位。江南大学王艳针对电气信息类学生的具体情况，对自动控制原理的课程教学进行了一些改革和尝试。[1]华东理工大学孙京浩等人针对该校过程控制工程国家精品课全方面探讨了课程创新教学改革实践和经验体会。[2]此外，北航的陈殿生等人，江苏科大的袁明新等人和辽宁工程技术大学的李建刚等人还分别对机械控制工程、机电控制工程和控制工程等课程的改革和建设进行了有益探讨并提出了多项措施。[3]面向航空特色的课程建设成果主要体现于国内几所航空类院校。昌航谢小林等对“复合材料”专业的航空特色人才培养途径进行了研究。[4]南航刘海春等对航空特色“电工电子技术”课程教学进行了研究。[5]此外，昌航罗军明等对金属材料工程和普通化学等专业具有航空特色的创新型人才培养、教学体系建设和课程教学改革等内容进行较为深入的研究和探索实践。[6]
综上，在自动化核心课程建设方面，整体上国内高校偏重于理论教学。在具有航空特色课程建设方面，几所航空类学校已陆续在多门课程上开展研究和实践尝试，但在控制工程类课程建设上仅有初步尝试（将发动机控制部分引入）[7]，且信息获取方式十分有限，还远不能全面反映航空航天控制领域的整体应用实践情况，有待结合我校的特色进行深入发掘、研究和探索。
二、具有航空航天特色的控制工程基础课程建设方案
（一）突出航空航天特色的课程内容优化
1.课程大纲的修订
课程大纲是控制工程基础的纲领性规范文件，以突显航空航天特色为指导理念，明确目的，对课程大纲的制订和教学内容的安排体现出基础与综合的合理分配、理论与实践的密切结合、经典与航空航天控制工程前沿的有效过渡。充分结合主讲教师丰富的科研实践经验，按学术专长分工，制订可涵盖航空航天领域典型控制系统和控制问题的内容优化方向和范围。大纲制订目标是使学生具有较强的控制工程基础理论知识，以及具备初步的在航空航天控制系统设计领域综合运用知识的能力、实际动手能力和创新性实践能力。
2.构建航空航天控制系统设计案例库
本文所提出的案例驱动教学，其本质是将理论教学与航空航天控制工程实践相结合，通过工程案例提高课程的实用性和前沿性，并激发学生的学习兴趣，发挥学生主体性和加强对学生创新实践能力的培养。设计的工程案例大致可划分为三种类型：启发引导型、认知辅助型和综合设计型。
其中，对于启发引导型案例（起到“线”的作用），引入一个系统的大案例置于课程绪论中，充当引领作用，阐述学习的意义和本质和激发兴趣，解析某个航空航天控制系统的构成和控制问题描述，阐述解决思路，并提供解决路径（教材其余各章节）。需要指出的是，这个大案例始终贯穿全课程内容，其作为一个大线索，可一方面起到使上下文知识点逻辑紧密的作用，始终反映全局和局部的关系，还可使学生最终实现一个典型航空航天控制系统设计的完整学习过程。
对于认知辅助型案例（起到“点”和“面”的作用），认知型案例主要是针对教学中的重点和难点，利用一些“小型或局部性”航空航天控制工程案例（如飞行控制系统、航空发动机控制系统和卫星姿态控制系统）来诠释知识点。这些案例可在教学的具体章节中夯实学生对某单独知识点的学习、消化和掌握，也可持续体现课程的应用实践性，提升学生的学习兴趣，还可以使学生逐步了解和认识航空航天控制系统涉及的各个具体领域，扩大知识面，提高特色素养。
（二）突出航空航天特色的多层次的实践教学体系
实践是课程教学必不可少的内容，有利于理论知识的巩固和应用能力的提高。在现有的教学中，实验（6学时）教学只是在授课期间穿插两三次实验，学生对实验内容的理解仍然比较模糊，未能达到实验教学目的。为此，我们拟对控制工程基础的实验内容进行部分调整，构建多层次的实验教学体系，实验涵盖基础理论实验和综合性设计实验两个层次，由浅入深，循序渐进。
1.基础理论实验
学生学会利用控制方法去设计系统，这是本课程学习的最终目标，也是教学的难点。现有控制工程基础的实验多是分析验证性实验，缺少设计性实验。由于其只是单纯的系统性能仿真或是稳定性分析（零极点分布、奈奎斯特判据），往往2～3学时的实验学生很快就做完了。学生仅学会了对某些单知识点的初步分析，没有形成完整的控制系统设计思维，当然也不会设计稍微复杂的系统。作为国内外广泛使用的教学和应用软件，Matlab功能已十分强大，应充分利用其更多的实用功能。为此，学校拟在现有基础上，安排设计更加综合的基础理论实验案例，采用Matlab/Simulink工具进行高级设计，加深学生对理论知识的综合理解，同时提升其使用控制系统分析工具的水平。
2.综合性设计实验
实验过程是从预习开始到完成实验报告的一个完整过程。长期以来，实验教学过程中存在着重视实验结果轻视实验过程的倾向。实验前一些学生已经把前面同学的实验程序抄录在手，实验过程中常出现不认真观察实验的现象。为改变这种重结果轻过程的现象，拟增加具有航空航天特色的综合性控制系统设计实验，全面考查学生对系统的分析和综合设计能力，考查建模、稳定性、时域分析、校正设计等具体内容。通过设计性实验来改变学生的被动状态，学生需要自己动脑和互相配合，这激发了学生的学习积极性，培养了学生理论联系航空航天工程实际的独立工作和创新能力。
三、结论
本课程改革在教学和实践环节提出了一套带有航空航天特色的控制工程基础课程案例分析、基础仿真实验和综合设计实验相结合的多层次体系。经过精心设计与选择案例和实验内容，将航空航天特色科学地纳入各个教学环节，可将学生独立思考能力、分析问题能力、实际动手能力和创新能力的培养结合到课堂与实践教学环节中，并不断增强学生对本课程理论知识的理解掌握和提升学生对航空航天控制系统分析设计的综合应用实践能力水平。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 王艳. 《自动控制原理》课程教学改革与创新实践[J]. 江南大学学报（教育科学版），2007（4）：49-51.
[2] 孙京诰，罗健旭，刘漫丹，等. 过程控制工程国家精品课程特色建设探讨与实践[J].化工高等教育，2012（2）：15-18.
[3] 陈殿生，王田苗，黄宇. 机电控制工程课程的网络教学系统的开发[J].实验技术与管理，2009（1）：7-10.
[4] 谢小林，梁红波，范红青，等. 复合材料专业方向航空特色人才培养的探索与实践[J].大学教育，2013（6）：143-144.
[5] 刘海春，翁晓光，邢丽冬. 基于航空特色的“电工电子技术”课程教学实践[J]. 电气电子教学学报，2013（4）：35-39.
[6] 罗军明，鲁世强，张国光.金属材料工程专业航空特色与创新型人才培养探讨[J]. 黑龙江教育（高教研究与评估），2012（1）：33-35.
[7] 鲁峰. 具有航空特色的自动控制原理课程教学中的启示[J].科技信息，2013（4）：141-141.
[责任编辑：刘凤华]
