2013年国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会：控制系统入门课程教育与设计

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德学生课外活动与作业设计控制系统入门课程Annika Eichler、 Christian Hoffmann、 Christian Kautz赫伯特维尔纳Cont r o l S y s t eteo r ste f C o n t r olSys tef C o ntrs te f C o n t et2001年12月，汉堡（电子邮件：{annika.eichler，christian.hoffmann，h.werner}@ tuhh.de）。用于Teaching和Learng、TUHH、Schwarzenberg的压缩机，你好，我是一个很好的朋友，我是一个很好的朋友。de）。翻译后摘要：本文提出了一种综合设计的本科入门课程控制系统在汉堡理工大学（TUHH）。核心功能包括将传统的讲座和学生主导的教程与每周的家庭作业相结合，旨在通过回顾以前的教程课程和预览即将到来的讲座来鼓励持续的学习努力家庭作业的概念是通过一个开源的电子学习平台实现的。一个便携式直流电机，可通过大学图书馆系统，作为一个实验装置，这是紧密集成到讲座，辅导和家庭作业。详细介绍了所提出的设计的实施情况，并根据数据进行评估，这些数据例如是由学生在学期末完成的评估表收集的。关键词：入门课程，电子学习，家庭作业，带回家的实验，学生主导的教程。1. 介绍咨询时间和考试更正过程中的主观印象往往表明，工程专业的学生未能建立起强大的概念理解主要的演讲主题。这已经被各种研究证实，参见（Kautz，2011）和其中的参考文献。我们报告集成教程和作业在控制系统的入门课程，旨在增加学生/学生和-/导师的互动，以帮助学生发展的核心思想的功能理解。TUHH的大多数课程遵循相对严格的讲座和辅导结构近年来，创新的教学方法，如基于问题的学习（PBL）（Perrenet et et.例如，（2000年）出现了然而，典型的大招生讲座与数百名学生通常不是基于这样的模型设计的。学年分为两个学期，夏季学期从4月持续到9月（SuSe），冬季学期从10月持续到3月（WiSe）。课程一般每年举办一次。考试在每学期的最后两到三个月进行。最常见的是，期末考试取决于为一个科目所授予的整个等级 ， 我 们 通 过 考 试 来 确 定 。 Eachcredit（ECTS-欧洲学分转换系统）表示30小时的劳动，包括从出勤时间到考试准备的一切。2. 课程设置及前期设计控制系统的入门课程是TUHH各种专业的必修课，从机械，电气和过程工程到物流和移动性，每个冬季学期有450多名学生（参见。图2）。课程设置是为学生在第五个学期学习而设计的，学生成功完成考试将获得6学分。学生至少完成了线性代数、微积分和机电系统建模等三门数学课程，总体上为基本控制系统材料做好了充分的准备。事实上，只有大约一半的学生采取了系统理论需要特别注意整个学期。MATLAB在练习问题和讲座中的广泛使用对学生提出了进一步的挑战。在对信号和系统进行简短介绍后，本课程涵盖了反馈和启发式控制器设计的基本原理进一步的章节致力于经典的控制技术，包括根轨迹和频率响应为基础的方法。期末对数字控制作了简要介绍.表1提供了对核心时间表的总体审查。课 程 分为讲座和辅导班，各90分钟。长度它们被呈现在黑板上，对呈现速度和风格施加了自然的限制，从而使学生更容易记笔记。讲座© IFAC 43 10.3182/20130828-3-UK-2039.00036第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲44Table1.这是一个很好的选择讲座图瓦4.o3.o(a) 与未来职业的周CH。 讲课主题没有主题1线性时不变系统3.oI.O明智第九届/第十届第一和第二阶段(b) 足够的背景知识(c) 独立解决的问题一阶和二2 直流电机建模3 直流电机型号标识和核查4 启发式PID控制直流电机FIG。1.一、 每辆车都是2辆。 （a）“对于我未来的职业来说，讲座的学习目标是明确的。“，（b）“我的预算已被新的知识所取代。“，（c）“我只知道我自己的感受。“5 根轨迹技术6 时滞系统7 波德图和奈奎斯特图稳定性判据8 超前/滞后补偿器设计8006004003000第五学期学生人数10,80,60,40,20 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 136506005505004504009 频率控制器设计直流电动机10 离散化效应1411回顾讲座WiSe i0/iii3/i3图二.入学人数周数图三.家庭作业的平均分和参与者-笔记也有250页可打印的PDF文档，包含了所有的讲座内容，练习题和详细的解答。在学期之前，W是2011年/2011年，我们在一个大型演讲厅和多达三个由学术人员领导的小型教程部分进行了教学。在每堂课开始之前，学生需要在课堂讲稿的帮助下解决一系列问题。这些辅导课打算采取针对这些问题的深入问答的形式。大约四分之一的教程问题与模拟中直流电机的建模和控制有关。此外，学生还可以从实验室借用一个直流电机加速器实验装置（见图5），通过USB将其连接到个人电脑上，在过去，该课程的评价相当高（约在期末评价中，从1 [最高]到5 [最低]的等级中的2分）。然而，从咨询时间、考试批改和评估来看，这一点很明显（参见。图1），一些问题需要注意。在与学生的评论和讨论中，有人透露，理论深度，当没有明确的实际应用，可能会被认为是困难的，学生可能无法确定自己与未来职业的联系。这可以鼓励一种习惯，集中精力通过考试作为唯一的实体，通过该课程的最终成绩是 由于评估了WISE2011/2011年的课程设计，因此得出了课程设计修改的总体目标：• 学生积极参与辅导，• 更加重视实际例子，• 在早期辅导/讲座中提高学生的背景知识，• 促进持续和协作的学习努力。这些目标受到若干因素的制约：• 学生工作量不变（感知），• 简单的组织结构，易于沟通，为智慧而战100万/100万。• 可用资源（空间、人员等）3. 修改后的课程设计这些修改是基于通过每周家庭作业、在线提交和较小规模的学生主导的辅导小组，将讲座和辅导课程的学习经验更加无缝地相互连接的想法家庭作业的目的是通过在实际上课之前让学生接触材料以及要求学生复习辅导问题的内容来促进持续的学习努力。此外，学生们积极参加学习小组，相互检查提交的作业。这些学习小组以及小型教程旨在促进协作学习。在两个任期内实施了一些变化，在11/2011年期间，随着时间的推移，在11/2011年期间进行了调整，并在11/2011年期间重新调整了新的工作。以下各节给出了详细信息为了提高学生的实际理解，直流电机实验无缝集成到课堂笔记和辅导问题，以及到专门的家庭作业。整个课程设计可以用一个简单的图表来可视化，如图所示。四、3.1 家庭作业为了激励学生在讲座和辅导中的持续参与，引入了一种新的家庭作业概念，由12个每周家庭作业组成。每成功提交一次，学生将获得最终成绩的1%我们希望定期参加辅导和讲座的学生在大约30-40分钟内完成家庭作业有21availa b le on li n eatwww. 你啊。de/~rtshw/ItCS2013评分方案：5分。0坏/不符合，。. . ，1. 0非常好/符合。显示了答案的数量和标准差3.83.83.o3.93.43.6i86i88 i63i6ii6q isqAvg.评分1 拉普拉斯引论变换和传递函数1我线性时不变系统4时域和频域234II反馈和经典PID2个具有抗饱和功能的补偿1 MATLAB入门52性能规格6III2 根轨迹法和时滞系统71 频率介绍响应和Bode图89IV5频率响应分析10和控制器1112V2数字控制13参与者第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲45s（ s+1）阿塞奥里准备讲座阿塞奥里解释家庭工作直流电机准备教程Recap见图4。新颖课程设计图五.直流电机手提箱练习后的作业在教程中，大部分理论性的讲座内容被应用到问题任务中。练习后的作业旨在通过在现有练习任务的基础上提出问题来加强这些主题，大多数情况下，通过进一步的子任务d）扩展划分为子任务a）至c）的给定问题。基本的想法是，如果学生在辅导课上认真参与，练习后的作业应该相对容易。它们大多是开放性问题，从参考的课堂讲稿中指出问题所在到.将新工作分为两种类型，即"优先级"、"优先级"和"优先级"。前半部分是为了让学生为即将到来的讲座做好准备;后半部分是为了帮助他们回顾基本的学习目标，并扩展教程练习。一般来说，每周要交一份课前作业和两份课后作业。教师通过测试和反馈参与课 前 作 业 课 前 作 业 （ Kolari 和 Savander-Ranne ，2007）的目的是让学生在准备课堂时自己处理即将到来的主题，例如：通过阅读课堂笔记。因此，讲座时间本身可以更有效地利用，因为讲师可以专注于更困难的方面，相信学生已经掌握了基本事实。如果学生认识到这些元素，他们就可以更容易地跟随一般来说，课前作业不需要太多的努力，以避免挫折。因此，解决一个任务所必需的课堂讲稿的页码，甚至具体段落都明确地给出，设定非常明确的期望。当讲课偏离时间表时，要求不断调整作业一个广泛的任务目录，这已经设计的前期建议.以下是第四周的课前作业示例这个问题是一个多层次的选择类型，需要研究人员努力回答，并通过快速数据分析来识别误解。例1. 课前作业：下列哪一项是一项系统性的作业？71- 73，定义2.1，图2.16）？系统类型由…(1) ...传递函数L（s）的分母中s的最大幂(2) ...传递函数L（s）中积分器的数量。(3) ...传递函数L（s）的极点和零点的数量之差。(4) ...最大整数k，使得sk是L（s）的分母的因子。给出了“系统类型”的定义的一个新的解释，它等价于第四个答案。在这里，正确答案用斜体字表示。第二个正确答案要求对以前学过的材料进行一定程度的反思，以便在整个学期中将课程材料联系起来。第一个和第三个答案可能性概括了“系统改进”和“聚合”的定义，因此学生们隐性地学习区分新定义的系统类型与已知的不同。在作业中提到的Prob.2.4）中，要求找到一个仅满足目标（ii）和（iii）对于植物G（s）=2。知道要满足（i）控制器需要包含积分器，并且对于（ii）和（iii），积分器是否包含在对象或控制器中无关紧要，可以简单地采用与Prob.2.4）中相同的解决方案，并且不需要繁琐的计算来获得满分。3.2 在E-learning平台ILIAS上学期的书面作业表明，在线测试有助于更经济地使用助教的时间。它们还使学生能够在辅导组之间自由迁移，以前要求学生注册并留在辅导组中，因为它们是提交中心。所提出的家庭作业的概念已实施的电子学习平台ILIAS3 。 ILIAS 是 一 个 开 源 的 学 习 管 理 系 统（LMS），由德国科隆大学开发。虽然ILIAS不是TUHH使用的标准LMS，但它用于增加灵活性。它也很容易耦合到螺柱。IP，这是标准的LMS在TUHH使用 ILIAS提供了一种可用于约束查询的能力，这种能力可以使查询对象不被约束，也可以使查询对象的集合化，因此可以很容易地不被约束。一个新的工作是一个很好的选择。对 于一个实例，可以配置一组单独的属性。在实施的设置中，例如，选项已经被选择，使得对于多项选择测试，可能的答案的顺序是随机生成的测试可以在在线时根据需要重复进行，并且可以看到以前给出的答案。只有最后给出的答案才被评分。多项选择题会自动3http://www.ilias.de实施例2. （作业后作业）。 重访概率2.4）。s+1该设备的控制器同时满足以下所有要求条件：（此处σ（t）表示单位步长）(i) 对于du（t）=σ（t），r（t）=dy（t）=0，(ii) 对于dy（t）= sin（t），r（t）=du（t）= 0且(iii) 稳定如图所示的闭环系统。考虑具有传递函数G（s）=二、 提出了一种DuDyRe−乌乌河yG（ sC（ s第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲46只有完全正确的答案才被标记为正确。开放性问题需要手动更正，这是由学生导师完成的。为此，ILIAS还提供了一个广泛的角色和权限管理系统。最终结果只有在手动激活时才可见。在两堂课之间的近一周时间里，这些测试都是在线的。作为其主要目标，这种形式的在线测试鼓励小组工作以及持续的自我评估和学习。学生之间的合作解决家庭作业的问题时，鼓励，并考虑到一些学生可能会复制别人的答案的可能性，并认为是超过的好处。3.3 学生主导的导师制由更有经验的学生领导的导师制在高等教育中相对常 见 ， 原 因 有 几 个 （ Volder et. 例 如 ， 1985 ） ，（Magin，1995），（Moust and Schmidt，1994）.它们允许较小的团体，这有助于激活与会者。这减少了在大型演讲厅中发现的被动倾听，因为学生导师而不是工作人员更有可能减轻对提问的恐惧。通过为每个参与者提供更多的个人关注，较小的小组鼓励增加互动，从而加强学习过程。在背景知识水平高度不均匀的情况下，较小规模的学生主导的教程可以帮助学生快速赶上上述推理影响了由工作人员领导的每周辅导会议的设计，使其在关注技术培训的同时，也关注社会每周会议由两名工作人员和教授指导在这些会议上，导师们给出了辅导的详细报告。提供有效测试的一个重要工具是确定和简化测试人员对基本技术问题的认识（Brose和Kautz，2011），（Kautz，2011）。需要对辅导员进行培训，使他们能够观察到这些错误观念，并将其报告出来。今后的演习可以在设计时考虑到这些因素。这方面的知识也可以反馈到设计的每周作业的形式，即时教学（JiTT）（诺瓦克等。例如，1999年）。清华大学教学中心通过专业研讨会支持导师培训，可获得学术学分。此外，员工亦参与导师辅导课程，向导师提供反馈及建议，以进一步评估及改善同侪教学的质素。作为会议的一个常规元素，进行了角色扮演，每次指定一名导师进行部分教程，而所有其他与会者，包括工作人员，承担学生的角色。一个简单而有效的工具，以确保组织信息的一致传播，包括在书面记录每次导师会议的结果。这也有助于确保在教程中传达一组一致的技术学习目标。在2011年11月11日至2013年12月11日期间，在以下前提下进行了定期审查：问答环节，希望学生能参加良好的准备工作。由于工作量增加，学生需要预先回答与任务描述有关的问题，而不是解决方案，而详细的解决方案将在会议期间制定。3.4 电机控制由于学生人数众多，本课程的校内实验室至今尚未建立。相反，四年前引入了直流电动手提箱实验。一套研究所制造的直流电机可以借给学生在家里进行实时实验的动机。由于运动任务在单独的文件中发布，因此缺乏一般课程的整合。贷款过程很繁琐，学生们对MATLAB的实践经验不足因此，只有积极性很高的学生才能利用这一机会。新的概念增强了直流电机在课程设计中的核心作用在讲座的早期，介绍了直流电动机该主题在辅导课程中得到加强，在不同的观点下讨论建模并进行基本参数此外，有关电机的任务已被修订，简化和集成在一套常规的运动问题。通过预先记录的实验数据来讨论运动任务此外，还设计了两项专门针对电机的长期作业，学生可以通过这些作业获得加分。可用的发动机数量已从30台增加到60台。为了减少组织工作，借阅过程已由学生非常熟悉的大学图书馆接管。学生被明确要求分组工作，因为60台设备对于500名学生来说仍然太少。一个额外的介绍性讲座已经提供了介绍控制系统的MATLAB和Simulink，显示了相对容易的直流电机实验可以在家里进行。已经建立了一个在线论坛，在这个论坛中，我们无法解决所有问题。3.5 每周时间线每周的时间表如图6所示。讲座在星期五举行，21个教程部分分布在整个星期。每个星期五晚上都有一个新的家庭作业在网上，辅导后的作业是指前一周的练习题和前一周的作业。因此，提交截止日期定为下一周的周四晚上。学生导师有一周的时间评分，直到结果公布。每个星期三都举行导师会议。4. 评价家庭作业参与水平见图3。尽管在整个过程中，参与者的数量从650人减少到450人第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲47讲座（k）作业（k+1）讨论作业（k）（k+2）三，七，三，七3，i3，3 3，o 3，o3，i3，oi65i63i37i8ii8iii5iqoi37预约学生行动导师行动4.o3.o3.oI.OWiSe o9/ioio/ii ii/i3i3/i32(a) Tuesday已经很好地解释了(b) 图 坦 卡 蒙 促进了对FIG。 八、Evaluationresults . （a）该xerc是一个简单的xplaned该contentwe ll ll。”习题课帮助我理解了课文的内容。“3.o3.o3.Ii.4I.63.o(a) 比大团队更好的监督见图6。每周时间线I.O硅8si9I33I33(b) 更积极参与比4.o3.73.33.I（a）家庭作业（c）更好地理解WiSe ii/i3i3/i3大型辅导组3.o3.oI.O资格组织3.oi37i3s iqo帮助自我评估（b）《公约》前因岗位分配而产生的锻炼问题（d）使用MATLAB的FIG。第九章 每辆车都是2辆。 （a）“我觉得在小型辅导小组中学习比在大型辅导小组中学习更好。”但你要知道，我会在一个地方呆很久的。”作业WiSei3/i3讲座区分由于软件限制的预分配和后分配。此外，在封闭式问题中，F IG。第七章 每辆车都是2辆。 （a）“本报告所述的方法是通过简单的程序进行的。“，（b）“我重新考虑了在执行过程中出现的优先级问题。“，（c）“我认为，该等措施可使可供选择的解决方案成为可行的办法。“，（d）“我检查了我的家庭新闻工作，发现使用M A T L A B。“的。学期，这仍然是许多相比，在图练习班的参与者10（b）最多300人，并考虑到这一事实，在W为11人/11人466人和W为11人/11人1人的情况下，454名学生参加了考试。因此，今年连续交作业并有望参加考试的学生人数与往年持平。这些数字表明，大多数人接受更持续的努力学习，以获得更好的成绩。学生对期末评价中关于家庭作业的开放性问题的回答表明，大多数学生对家庭作业的概念持高度重视的态度，因为“家庭作业有利于学习和记忆“、”让你的家庭作业更好“等。 由于奖励积分通常被优先考虑，因此该集团获得负面评级。然而，能否达到如此高的参与水平仍然令人怀疑除了评分方案，学生们对课前作业也有所有人认为，应该“让新的概念成为现实”，“让新的概念成为现实”等等。 AsFig. 3. 结果表明，这些主观陈述并没有得到实践的证实。圣诞节期间，销售额并不高，仅略有下降。平均有76%的家庭作业被正确回答 。 课 前 作 业 的 平 均 值 为 75.8% ， 标 准 差 为18.4%， 课后 作 业的 平 均值 为 76.1%， 标准 差 为11.9%。因此，尽管感觉不同，但在作业类型之间没有观察到所获得的分数的差异。回答任务的平均时间为34分钟。符合设计目标。不可能从图7所分析的期末评估来看，家庭作业总体上被认为是有帮助的，但特别是预作业似乎有预期的效果。考虑到MATLAB的独立使用，评估显示了改革的主要需要。自由文本响应支持这一点。虽然在《马塔拉B》和《西穆林克》的介绍性演讲中 ， 都 有 “ 非 常 好 的 演 讲 ” 、 “ 很 好 的 演讲”、“很好的演讲”等，但这些都是值得注意的。4.1 学生主导的导师制学生主导的教程通常被认为是在2012年11月期间实施的一项计划，2013年1月1日，3月3日，为您提供了一个新的版本。通过学生的参与，他们并没有被认为比工作人员主导的教程 （ 参 见 。 图 8 ） ， 其 可 以 被 视 为 接 收 到muchloweratings（在Wi S电子期刊/2011中）。学生们都觉得自己受到了更好的指导，因为辅导组规模较小（参见图9）。尽管在登记的学生人数上有大约100人的盈余（见f。 FIG。 2）在2013年12月1日至2012年11月3日，补习班的出席率从2013年12月1日开始仅略高。与此同时，出席人数的绝对值维持在较高水平，而相对跌幅亦有所减少（参阅香港会议展览有限公司（“香港会议展览”））。 FIG。 10（b））。 你去吧。2013年11月1日至2013年2月2日的课程被认为是一个离群值，因为在该课程中，学生必须登记家庭作业，而这在2013年12月1日是不必要的。 这可能是由于策略的改变，没有期望学生在充分准备习题的情况下参加。最终，我们相信，这导致了更少的挫折感和更有建设性的气氛在课堂上。事实证明，技术技能--尽管应该有一个坚实的水平--似乎不如一个人的能力和能力那么初级，以便在交流中与他人交流这似乎同样正确作业批改（K-1）作业批改（k）（k+1）讨论作业（k）家庭作业（k+2）Sa作业批改（k+1）Fr讲座（k+1）日导师会议（k+1），准备会议（k+2）我Tu莫苏家庭作业（k+1）- 上课前的混蛋。讲座（k+1）- 补习后的屁SaFr讲座（k）日导师会议（k），准备会议（k+1）我（k）讨论家庭作业（k-1）Tu莫家庭作业（k）- 上课前的混蛋。演讲（k）- 补习后的屁周（k）周（k+1）家庭作业成绩公布（k）第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲484040303010OA B C D E F G H I J辅导老师400300300i000WiSe ii/i3WiSei3/i3电话：+86-0511 - 8888888传真：+86-0511- 8888888不。组织简单性和一致性的学生和导师。学生主导的辅导提供了全面的学生支持，提高了导师与学生的比例和可比的学习效果，尽管导师的技术能力可能较差。ILIAS等电子学习平台课前作业使学生能够从每次讲座和课后作业中受益更多。(a) 学员vs.学生导师。(b)与会者总数与全部，全部激励学生复习和深化教程中的问题。总的来说inWiSe 1/1里亚尔编号实施的概念是一种改进，通过评价客观和主观地显示。见图10。辅导班学员。对于基础工程课程，如本文所考虑的，而技术技能可能在高级课程中变得重要。 通过个人评估，学生导师的技术技能在1993年至1992年期间有所下降。一个新的价值观的tet和nce水平，每导师建议（比照。如图10（a）所示，缺乏技术或软技能的学生可以通过迁移到不同的辅导组来弥补。可以看到，辅导教师B、F、H和J能够保持，在某些情况下甚至提高出勤率，尽管出勤率普遍下降（参见第103段）。图10（b））。从个人访问到课堂辅导，只有导师B表现出了出色的技术和沟通能力，而导师F，H和J主要是后者。还注意到，在预备导师会议和角色扮演场景中，这些也是参与最多的。这是负责工作人员的主观意见，沟通技巧的提高显然受益于专业援助。尽管如此，导师已经被证明是相当容易接受的方法，在导师的教学过程中，因为一个点-termevaluationhasrevealed，这是8个月。%已找到可用于执行任何操作的数据库，1个月后%的人表示，他们帮助他们摆脱了在观众面前讲话的恐惧，20%的人表示也从中受益。最后，未来有效的招聘过程应侧重于评估有抱负的求职者的技能，以获得适当的职位，并可能以角色扮演的方式进行。4.2 电机控制在2001年/2001年，共有346次从图书馆借阅纪念品。与去年相比，这个高数字证实了将运动实验融入整体演讲概念的努力在评估中，它通常被评为“良好”，但由于我们的努力，有些实验没有奏效，需要更多的支持，特别是个人（咨询时间）。虽然由于时 间 和 空 间 的 限 制 ， 不 可 能 从 头 开 始 教 授MATLAB或提供常规实验室，计划在即将到来的讲座开始时为每个练习预订一次计算机池，这样就可以以练习课的形式而不是讲座式的教学来交互地介绍MATLAB和电机。5. 结论在大规模招生的课程中实施新概念需要巨大的组织努力。至关重要的是来自考试结果和长期评价的进一步数据将进一步促进改进执行工作。未来的修改应一次一个地考虑，并就其教育价值进行仔细评估例如通过概念库存测试。确认作者非常感谢Zentrumfur？LehreundL ernenat TUHH的财务和专业支持以及德国联邦部的资助教育和研究部（宣传许可证01 PL 11047）。引用Brose，A.和Kautz，C.（2011年）。工程静力学学生学习困难的识别与解决。第一届世界工程教育闪光周，葡萄牙里斯本。考茨角（2011年）。开发教学材料，以解决学生在电气工程导论中的困难。第一届世界工程教育闪光周，葡萄牙里斯本。Kolari，S.和Savander-Ranne，C.（2007年）。课前作业-英语教育中提高学习效果的一种方法。在国际工程教育会议。Magin，D. 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