一般本科院校機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程改革實(shí)踐

唐宏賓　吳康雄

摘 要 針對機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程特點(diǎn)，結(jié)合長沙理工大學(xué)“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化”專業(yè)特色，從教學(xué)內(nèi)容理論聯(lián)系實(shí)際及優(yōu)化、實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置、教學(xué)手段、教學(xué)理念轉(zhuǎn)變等方面進(jìn)行了課程改革實(shí)踐。結(jié)果表明，上述改革實(shí)踐激發(fā)了學(xué)生興趣，取得了良好效果。

關(guān)鍵詞 機(jī)械控制工程基礎(chǔ) 課程改革 一般本科院校 專業(yè)特色

中圖分類號(hào)：G714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.08.019

Undergraduate College Mechanical Control

Engineering Curriculum Reform Practice

TANG Hongbin， WU Kangxiong

（College of Automotive and Mechanical Engineering，

Changsha University of Science & Technology， Changsha， Hu'nan 410004）

Abstract For "Mechanical Control Engineering" course characteristics， combined with "mechanical engineering and automation，" Changsha University of professional features， from the teaching content and optimization theory with practice， Practice， teaching methods， teaching ideas into other aspects of the curriculum reform practice. The results show that the practice of these reforms to stimulate student interest， and achieved good results.

Key words Mechanical Control Engineering; course reform; undergraduate college; professional features

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(shí)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(dòng)控制理論在機(jī)械工程中的具體應(yīng)用;學(xué)會(huì)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(jì)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(shí)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(yàn)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(dòng)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(gè)機(jī)械專業(yè)知識(shí)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(diǎn)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(jì)制造及其自動(dòng)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，歸口交通部直接管理。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(jì)制造及其自動(dòng)化”，設(shè)工程機(jī)械和機(jī)電一體化兩個(gè)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(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，突出機(jī)電一體化;強(qiáng)化工程實(shí)踐與動(dòng)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(diǎn)，結(jié)合我?！皺C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化”專業(yè)特色，從教學(xué)內(nèi)容理論聯(lián)系實(shí)際、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)注重虛實(shí)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(shí)際

機(jī)械控制工程基礎(chǔ)所討論的問題源于工程實(shí)踐，是進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)性能分析和設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)際的控制系統(tǒng)缺乏感性知識(shí)，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(shí)際。比如，講到機(jī)械控制系統(tǒng)的組成時(shí)，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(shí)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(dòng)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(jì)制造及其自動(dòng)化”專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中機(jī)械控制工程基礎(chǔ)安排為2.5學(xué)分，40學(xué)時(shí)。由于課程知識(shí)點(diǎn)較多，在規(guī)定的時(shí)間難以把所有內(nèi)容講完。所以，我們必須加強(qiáng)課程知識(shí)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(shí)踐環(huán)節(jié)注重“虛”、“實(shí)”結(jié)合

機(jī)械控制工程基礎(chǔ)是一門注重實(shí)踐、實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程。實(shí)踐環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)學(xué)生分析問題并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)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(shí)踐能力的提高。很多高校機(jī)械控制工程基礎(chǔ)的實(shí)踐環(huán)節(jié)一般借助MATLAB軟件實(shí)施，通常是上機(jī)實(shí)驗(yàn)。③④然而，單純采用MATLAB軟件進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，不夠直觀，與工程實(shí)際有些脫節(jié)，激發(fā)不起學(xué)生興趣，實(shí)驗(yàn)效果不是很理想。為此，我們對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行了改革，采取了“虛”、“實(shí)”結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式，一部分實(shí)驗(yàn)借助MATLAB軟件平臺(tái)上機(jī)進(jìn)行，同時(shí)還開設(shè)了實(shí)物實(shí)驗(yàn)。學(xué)院為本課程購買了自動(dòng)控制工程基礎(chǔ)試驗(yàn)臺(tái)，可以進(jìn)行控制系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)分析、頻率特性測試、校正設(shè)計(jì)等實(shí)物實(shí)驗(yàn)。相對于軟件實(shí)驗(yàn)，利用真實(shí)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(dòng)性，學(xué)生也普遍反映更加喜歡這種實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)，針對該課程理論性強(qiáng)、計(jì)算復(fù)雜、繪圖工作量大的特點(diǎn)，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(jì)工具箱，比較容易繪制系統(tǒng)的時(shí)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(jì)，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(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）、運(yùn)作（Operate）等四個(gè)英文單詞的縮寫，⑤代表了產(chǎn)品、系統(tǒng)或過程的整個(gè)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(gè)學(xué)習(xí)過程利用“工程項(xiàng)目”來組織，以學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施不同階段的知識(shí)需求為驅(qū)動(dòng)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(diǎn)提出的CDIO教學(xué)模式包括四個(gè)過程：構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和考核。老師針對所講授的知識(shí)點(diǎn)結(jié)合具體的工程實(shí)例，提出了幾個(gè)適合機(jī)械控制工程基礎(chǔ)的“工程項(xiàng)目”，并力爭把本門課程的主要知識(shí)點(diǎn)融入到“工程項(xiàng)目”中。在實(shí)施過程中，把學(xué)生分成若干小組，給每個(gè)小組分配不同的“工程項(xiàng)目”，針對所要學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，查閱資料，進(jìn)行分組討論，加深對知識(shí)的理解，并提出解決“工程項(xiàng)目”的具體方案。然后，合理綜合課程內(nèi)容，通過綜合性實(shí)驗(yàn)或模擬仿真加以驗(yàn)證。最后，改革傳統(tǒng)考核方式，加大學(xué)生在“工程項(xiàng)目”實(shí)施過程中和實(shí)踐部分的考核分值，根據(jù)學(xué)生的考試成績、“工程項(xiàng)目”實(shí)施中的表現(xiàn)、實(shí)踐動(dòng)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(huì)輸送合格的工程師，這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是要落實(shí)在具體的教學(xué)過程中。隨著自動(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)，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(shí)際、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)注重虛實(shí)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。

基金項(xiàng)目：長沙理工大學(xué)2014年教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JG1439）

注釋

① 鄭明軍，劉希太，王?；?《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐[J].中國科技信息，2009（6）：257-258.

② 王芳.“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探討[J].西安航空技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2008（26）：76-77.

③ 鄭明軍，劉希太，王?；?MATLAB在《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2001（19）：39-41.

④ 李澤，楊歆豪.“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國電力教育，2014（2）：109-110.

⑤ 李大勇，林海鵬，張鴻艷等.“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)模式的研究與探索[J].中國電力教育，2013（29）：51-52.