機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程改革實踐

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0引言

機(jī)械控制工程基礎(chǔ)是機(jī)械類專業(yè)的必修課，是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在機(jī)械類專業(yè)的人才培養(yǎng)體系中起著承上啟下的作用。①它基于經(jīng)典控制理論，結(jié)合機(jī)械工程中的實際控制應(yīng)用，介紹經(jīng)典控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、頻率特性、穩(wěn)定性分析、快速性分析、準(zhǔn)確性分析及控制系統(tǒng)性能校正等。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解機(jī)械控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握自動控制理論在機(jī)械工程中的具體應(yīng)用；學(xué)會分析機(jī)械工程系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性等基本性能，掌握系統(tǒng)設(shè)計和校正的本方法；培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)專業(yè)課以及從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。②機(jī)械控制工程基礎(chǔ)是數(shù)理基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程之間的一道橋梁，課程中有大量的公式、定理、判據(jù)，涉及時間域、頻率域和復(fù)數(shù)域，課程內(nèi)容較枯燥。筆者通過多年的教學(xué)經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)：學(xué)生感到該課程難度較大，對所學(xué)內(nèi)容不易消化和吸收。這使得一部分學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主動性變差，產(chǎn)生厭學(xué)情緒，從而嚴(yán)重影響到了課程的教學(xué)質(zhì)量。這導(dǎo)致學(xué)生整個機(jī)械專業(yè)知識體系不完善，出現(xiàn)了中斷，從而影響了人才培養(yǎng)質(zhì)量。因此，結(jié)合機(jī)械控制工程基礎(chǔ)的課程特點進(jìn)行教學(xué)改革，對于提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，是十分必要的。本文根據(jù)機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程特點，結(jié)合我校機(jī)械類專業(yè)特色，從課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段及實驗教學(xué)等方面開展了一定的探索和研究，對于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和學(xué)習(xí)效果有一定的參考作用。

1我校機(jī)械類專業(yè)特色

長沙理工大學(xué)的“機(jī)械設(shè)計制造及其自動化”專業(yè)是學(xué)校的骨干專業(yè)，其起源于原湖南交通學(xué)校1956年創(chuàng)辦的“船舶技術(shù)管理”專業(yè)和隨后開設(shè)的“筑路工程機(jī)械”專業(yè)。1978年經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，在湖南交通學(xué)校的基礎(chǔ)上創(chuàng)辦長沙交通學(xué)院，歸通部直接管理。自1979年始，筑路工程機(jī)械專業(yè)面向全國招收四年制本科生。1987年長沙交通學(xué)院開設(shè)機(jī)械制造工藝與設(shè)備專業(yè)，當(dāng)年開始面向全國招收三年制大專班。1996年經(jīng)教育部批準(zhǔn)，在原機(jī)械制造工藝與設(shè)備?？茖I(yè)的基礎(chǔ)上創(chuàng)辦“機(jī)械電子工程”四年制本科專業(yè)。1998年，“筑路工程機(jī)械”和“機(jī)械電子工程”兩專業(yè)合并為“機(jī)械設(shè)計制造及其自動化”，設(shè)工程機(jī)械和機(jī)電一體化兩個方向。幾十年來，已培養(yǎng)了近三千名主要在機(jī)械和交通領(lǐng)域相關(guān)行業(yè)就業(yè)的畢業(yè)生，具有鮮明的機(jī)械行業(yè)和交通行業(yè)特色，形成了“立足交通和工程機(jī)械行業(yè)，傳承‘鋪路石’精神；夯實基礎(chǔ)知識，突出機(jī)電一體化；強(qiáng)化工程實踐與動手能力，培養(yǎng)面向基層的高級應(yīng)用型人才”的專業(yè)特色。

2改革措施

根據(jù)機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程特點，結(jié)合我?！皺C(jī)械設(shè)計制造及其自動化”專業(yè)特色，從教學(xué)內(nèi)容理論聯(lián)系實際、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、實踐環(huán)節(jié)注重虛實結(jié)合、多樣化的教學(xué)手段、將CDIO教學(xué)理念引入教學(xué)等方面采取了措施進(jìn)行了課程改革。

2.1教學(xué)內(nèi)容理論聯(lián)系實際

機(jī)械控制工程基礎(chǔ)所討論的問題源于工程實踐，是進(jìn)行自動控制系統(tǒng)性能分析和設(shè)計所面臨的共性問題。隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快和科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，控制理論的應(yīng)用面越來越寬，知識體系越來越成熟。但由于本課程偏重理論基礎(chǔ)的介紹，往往使學(xué)生在學(xué)習(xí)中對實際的控制系統(tǒng)缺乏感性知識，他們感到學(xué)習(xí)的內(nèi)容比較抽象，和他們接觸的控制系統(tǒng)差距很大，影響學(xué)習(xí)效果。因此，教師在教學(xué)過程中應(yīng)注重理論聯(lián)系實際。比如，講到機(jī)械控制系統(tǒng)的組成時，多舉一些工程機(jī)械控制系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的實例，很容易提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這樣既克服了該門課程的理論性和抽象性，又增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性，開闊了學(xué)生視野，從而很好地促進(jìn)教學(xué)效果。

2.2優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

機(jī)械控制工程基礎(chǔ)內(nèi)容比較多而且也比較抽象，我?！皺C(jī)械設(shè)計制造及其自動化”專業(yè)培養(yǎng)計劃中機(jī)械控制工程基礎(chǔ)安排為2.5學(xué)分，40學(xué)時。由于課程知識點較多，在規(guī)定的時間難以把所有內(nèi)容講完。所以，我們必須加強(qiáng)課程知識體系的研究，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)我校機(jī)械工程專業(yè)狀況，我們把課程教學(xué)內(nèi)容重放在控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)快速性分析、系統(tǒng)準(zhǔn)確性分析及系統(tǒng)性能校正等幾部分，而對于要求較高的內(nèi)容，如非線性控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)系統(tǒng)及根軌跡法等只作簡要闡述，感興趣的學(xué)生可以在課下和老師進(jìn)行交流。

2.3實踐環(huán)節(jié)注重“虛”、“實”結(jié)合

機(jī)械控制工程基礎(chǔ)是一門注重實踐、實踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程。實踐環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)學(xué)生分析問題并運用所學(xué)知識解決問題的能力起著非常重要的作用，有利于學(xué)生工程實踐能力的提高。很多高校機(jī)械控制工程基礎(chǔ)的實踐環(huán)節(jié)一般借助MATLAB軟件實施，通常是上機(jī)實驗。③④然而，單純采用MAT-LAB軟件進(jìn)行虛擬實驗，不夠直觀，與工程實際有些脫節(jié)，激發(fā)不起學(xué)生興趣，實驗效果不是很理想。為此，我們對傳統(tǒng)實驗方式進(jìn)行了改革，采取了“虛”、“實”結(jié)合的實驗方式，一部分實驗借助MATLAB軟件平臺上機(jī)進(jìn)行，同時還開設(shè)了實物實驗。學(xué)院為本課程購買了自動控制工程基礎(chǔ)試驗臺，可以進(jìn)行控制系統(tǒng)的時域響應(yīng)分析、頻率特性測試、校正設(shè)計等實物實驗。相對于軟件實驗，利用真實的控制器件，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生主觀能動性，學(xué)生也普遍反映更加喜歡這種實驗形式，取得了較好效果。

2.4多樣化的教學(xué)手段

機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程中的許多概念和原理等內(nèi)容，學(xué)習(xí)過程中需要大量復(fù)雜的計算、分析、作圖，這使得傳統(tǒng)的常規(guī)的課堂授課方法很難使學(xué)生充分消化吸收。要想獲得較好的教學(xué)效果，必須對傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行改革，采用多樣化教學(xué)手段。為此，我們在課堂教學(xué)中采用“以多媒體教學(xué)為主，板書為輔”的方法，改變傳統(tǒng)“板書教學(xué)”方式。同時，針對該課程理論性強(qiáng)、計算復(fù)雜、繪圖工作量大的特點，將MATLAB軟件引入教學(xué)中。MATLAB軟件中有專門的控制系統(tǒng)分析和設(shè)計工具箱，比較容易繪制系統(tǒng)的時間響應(yīng)曲線、Nyquist圖、Bode圖等，利用Simulink模塊可以方便地進(jìn)行控制系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計，獲得了良好的教學(xué)效果。

2.5將CDIO教學(xué)理念引入教學(xué)

CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實施（Imple-ment）、運作（Operate）等四個英文單詞的縮寫，⑤代表了產(chǎn)品、系統(tǒng)或過程的整個生命周期的所有環(huán)節(jié)。CDIO工程教育教學(xué)模式的核心思想是把整個學(xué)習(xí)過程利用“工程項目”來組織，以學(xué)生在項目實施不同階段的知識需求為驅(qū)動來安排教學(xué)內(nèi)容和方法。由于機(jī)械控制工程基礎(chǔ)這門課程系統(tǒng)性強(qiáng)，適合借助工程案例借助CDIO模式進(jìn)行教學(xué)。作者針對機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程特點提出的CDIO教學(xué)模式包括四個過程：構(gòu)思、設(shè)計、實施和考核。老師針對所講授的知識點結(jié)合具體的工程實例，提出了幾個適合機(jī)械控制工程基礎(chǔ)的“工程項目”，并力爭把本門課程的主要知識點融入到“工程項目”中。在實施過程中，把學(xué)生分成若干小組，給每個小組分配不同的“工程項目”，針對所要學(xué)習(xí)的知識點，查閱資料，進(jìn)行分組討論，加深對知識的理解，并提出解決“工程項目”的具體方案。然后，合理綜合課程內(nèi)容，通過綜合性實驗或模擬仿真加以驗證。最后，改革傳統(tǒng)考核方式，加大學(xué)生在“工程項目”實施過程中和實踐部分的考核分值，根據(jù)學(xué)生的考試成績、“工程項目”實施中的表現(xiàn)、實踐動手能力、創(chuàng)新能力等來綜合評分。

3結(jié)語

高等教育的核心是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，工程教育的目標(biāo)是為社會輸送合格的工程師，這些目標(biāo)的實現(xiàn)是要落實在具體的教學(xué)過程中。隨著自動控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，當(dāng)前高等工程教育對人才培養(yǎng)有了更高的要求，機(jī)械控制工程基礎(chǔ)及其他相關(guān)課程的教學(xué)改革也應(yīng)與時俱進(jìn)，這就要求任課教師要樹立“提高人才培養(yǎng)質(zhì)量”的教學(xué)理念，不斷改善教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，精心組織教學(xué)過程，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，使學(xué)生能夠更好地學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)專業(yè)知識，為自身全面發(fā)展創(chuàng)造良好的條件。筆者從教學(xué)內(nèi)容理論聯(lián)系實際、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、實踐環(huán)節(jié)注重虛實結(jié)合、多樣化的教學(xué)手段、將CDIO教學(xué)理念引入教學(xué)等方面采取了措施進(jìn)行了機(jī)械控制工程基礎(chǔ)的課程改革，取得了良好的效果。

作者：唐宏賓 吳康雄 單位：長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院