機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程的教學(xué)模式改革與研究

黃文怡++劉天祥+李寶玉+戶春影+代洪慶

摘要：文章針對(duì)機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)，如內(nèi)容抽象、概念繁雜、涉及廣泛、實(shí)用性較強(qiáng)、課時(shí)較少等，深入研究如何改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，引入多媒體等教學(xué)手段，進(jìn)行教學(xué)體系改革，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解能力及解決工程實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械控制工程基礎(chǔ)；教學(xué)改革；教學(xué)研究

《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》是高等院校機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械電子等專業(yè)的必修課程，也是許多高校機(jī)電類專業(yè)的考研專業(yè)課，是對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課及高等數(shù)學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等知識(shí)點(diǎn)的匯總?，F(xiàn)階段，我國(guó)的高等教育改革正在不斷深入，工業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，知識(shí)更新周期不斷縮短。在高校教育中，主要著重于培養(yǎng)具有扎實(shí)的基礎(chǔ)、廣泛的知識(shí)面、高素質(zhì)、高能力、適應(yīng)性強(qiáng)、具有創(chuàng)新能力的人才。本文結(jié)合《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》的教學(xué)實(shí)際情況，依據(jù)課程的性質(zhì)與特點(diǎn)，通過分析在教學(xué)過程中存在的問題，對(duì)《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》課程的教學(xué)改革方法進(jìn)行研究。

1 課程性質(zhì)與特點(diǎn)

《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》作為一門工業(yè)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，除要求學(xué)生掌握基本原理之外，更應(yīng)該使學(xué)生能夠以動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)來認(rèn)知一個(gè)機(jī)械控制系統(tǒng)，以看待一個(gè)整體的角度從信息的傳遞、處理與反饋這三大要素來分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，能夠結(jié)合工程實(shí)際，應(yīng)用控制理論中的相關(guān)原理對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》將高數(shù)、力學(xué)等基礎(chǔ)課程與機(jī)械專業(yè)課程聯(lián)系起來，既是一門理論性很強(qiáng)的課程，課程內(nèi)容比較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)較為吃力，又是一門理論與實(shí)際緊密聯(lián)系的課程，包含的信息較多，工程的發(fā)展較快，教師很難系統(tǒng)、全面地講授。本科院校學(xué)生在學(xué)習(xí)課程時(shí)，主要是由教師進(jìn)行理論講授，然后進(jìn)行閉卷理論考試。而傳統(tǒng)的教學(xué)模式更是只注重理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)很少甚至沒有，教師將公式定理講述給學(xué)生，學(xué)生只是學(xué)會(huì)了使用公式、定理，卻對(duì)其所表示的實(shí)際意義知之甚少，理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)，使學(xué)生對(duì)其理解流于表面，大大限制了學(xué)生思考的主觀能動(dòng)性和應(yīng)用實(shí)踐的能力。

2 教學(xué)過程中存在的問題

2.1 內(nèi)容繁雜導(dǎo)致學(xué)生掌握起來比較困難

由于課程的系統(tǒng)性及理論性較強(qiáng)，課程內(nèi)容比較抽象，涉及知識(shí)面較廣，包含了許多數(shù)學(xué)方面的知識(shí)，如微積分、復(fù)變函數(shù)、線性代數(shù)等，對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的掌握要求較高，尤其是復(fù)變函數(shù)，很多專業(yè)并未開設(shè)這門課程或選修此課，學(xué)生對(duì)這方面不夠重視，基礎(chǔ)知識(shí)掌握程度不高。這就要求教師提前講授一些相關(guān)內(nèi)容，如拉氏變換就是學(xué)習(xí)控制工程的必備基礎(chǔ)，需額外占用學(xué)時(shí)，但是專業(yè)課程學(xué)時(shí)本就緊張，對(duì)于本課中繁雜的教學(xué)內(nèi)容更加捉襟見肘。

2.2 理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)

以往《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》課程內(nèi)容比較側(cè)重于理論研究，多是一些數(shù)學(xué)公式推演，課程內(nèi)容比較陳舊，很少有與現(xiàn)今社會(huì)工程實(shí)踐中控制理論的發(fā)展相結(jié)合的內(nèi)容。板書式教學(xué)也大大限制了教學(xué)內(nèi)容，課程只能介紹一些經(jīng)典控制理論的內(nèi)容，這部分的知識(shí)大多適合在板書上講授，經(jīng)典控制論主要適用于一些單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，比較容易進(jìn)行理論推導(dǎo)，對(duì)現(xiàn)代控制理論只涉及到一小部分，但這些內(nèi)容對(duì)生產(chǎn)實(shí)際中控制系統(tǒng)的研究是很難滿足的。

2.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的不足

一般院校的機(jī)械專業(yè)設(shè)置都偏向機(jī)械設(shè)計(jì)及制造方向，只有少部分偏向機(jī)械電子方向，所以對(duì)課程設(shè)置不夠重視。而對(duì)于生產(chǎn)實(shí)際來說，各行各業(yè)的自動(dòng)化程度都是越來越高的，機(jī)械控制理論的實(shí)用性也越來越強(qiáng)，對(duì)學(xué)生日后的工作學(xué)習(xí)有很大的幫助，這也導(dǎo)致課程對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的需求量大大提高。

2.4 學(xué)時(shí)太少，與教學(xué)內(nèi)容不符

在高校教育中，大多數(shù)的專業(yè)課程都存在著教學(xué)內(nèi)容太多而課時(shí)太少的矛盾，本門課程尤為嚴(yán)重，一般只有40～50學(xué)時(shí)，這些時(shí)間單單用來講授課程中繁雜的基礎(chǔ)知識(shí)就已經(jīng)很勉強(qiáng)了，還要在其中穿插相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，尤其很多專業(yè)沒有開設(shè)過積分變換的相關(guān)課程，教師還要將這部分內(nèi)容額外講述，導(dǎo)致本來就已經(jīng)不足的學(xué)時(shí)更加捉襟見肘。

3 教學(xué)改革方法的研究

3.1 選擇適合本校教學(xué)情況的教材

教材是教師和學(xué)生之間聯(lián)系的重要紐帶，是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要工具，教材的內(nèi)容既要包含本門課程的基本理論知識(shí)，也要符合本專業(yè)培養(yǎng)的目標(biāo)與原則。因此，在選擇教材時(shí)需要充分考慮教材的知識(shí)結(jié)構(gòu)、教師講授課程的方法、學(xué)生對(duì)教材內(nèi)容的接受程度以及教材的難易程度等。基于本專業(yè)的培養(yǎng)方向偏向于機(jī)械設(shè)計(jì)及制造，沒有開設(shè)過《積分變換》《復(fù)變函數(shù)》等相關(guān)課程，學(xué)生對(duì)拉普拉斯變換的相關(guān)內(nèi)容十分陌生，在選取教材時(shí)要優(yōu)先選擇帶有拉普拉斯變換章節(jié)內(nèi)容的書籍，以便學(xué)生彌補(bǔ)相關(guān)內(nèi)容。

3.2 強(qiáng)化基礎(chǔ)，合理安排教學(xué)進(jìn)程

本門課程的系統(tǒng)性很強(qiáng)，前后內(nèi)容相關(guān)，所以就要求教師要善于整理，幫助學(xué)生融會(huì)貫通。如穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，通過時(shí)域分析、頻域分析和穩(wěn)定性分析的學(xué)習(xí)，可以對(duì)這幾項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算，在系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)時(shí)滿足其性能要求?？刂评碚撝行枰莆盏闹R(shí)點(diǎn)較多，并且這些知識(shí)點(diǎn)在教材中較為分散，而彼此之間又有一定的聯(lián)系，教師在講授某個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)要將與其相關(guān)聯(lián)的已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)做一個(gè)簡(jiǎn)單回顧，以便學(xué)生將前后內(nèi)容連貫起來。如在傳遞函數(shù)中介紹的幾種典型環(huán)節(jié)，它是頻域分析中的重要基礎(chǔ)，在講授頻域分析時(shí)就需要將其重新介紹以加深印象。

3.3 采用多樣化的現(xiàn)代教學(xué)工具，豐富課堂內(nèi)容

《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》是一門理論性很強(qiáng)的課程，利用現(xiàn)代教育技術(shù)和工具進(jìn)行教學(xué)，制作生動(dòng)直觀的電子課件，形成以黑板、教學(xué)模型、計(jì)算機(jī)多媒體、掛圖及實(shí)物等多樣化教學(xué)工具相結(jié)合的授課方式。

《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》包含的很多內(nèi)容都需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算步驟和畫圖過程，花費(fèi)了大量的時(shí)間。如函數(shù)方框圖的化簡(jiǎn)、伯德圖和奈奎斯特圖的繪制等，有時(shí)還需大量的彩色粉筆作圖才能清楚體現(xiàn)出來，浪費(fèi)時(shí)間和精力，也很難集中學(xué)生的注意力。如果利用多媒體電子課件的動(dòng)畫效果，使圖形能夠按照繪圖的步驟一步一步地展示給學(xué)生，既清晰又生動(dòng)，大大激發(fā)了學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的熱情和興趣。合理利用多媒體等現(xiàn)代教育工具可以節(jié)約時(shí)間，提高教學(xué)效率，將繁多的教學(xué)內(nèi)容用多媒體形象生動(dòng)的表現(xiàn)出來，提高教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)教學(xué)效果，還可以將課程相關(guān)學(xué)科的一些發(fā)展現(xiàn)狀補(bǔ)充進(jìn)去，做到“與時(shí)俱進(jìn)”。

3.4 引入MATLAB 軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)

《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》課程是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)生單純地掌握理論內(nèi)容是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到課程學(xué)習(xí)的目的，必須將理論應(yīng)用到實(shí)踐中，通過實(shí)踐對(duì)理論的理解進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)，這對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性是十分有利的。隨著計(jì)算機(jī)的普及，學(xué)生對(duì)使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)興趣越來越大，因此，將MATLAB仿真引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是非常必要的，可以使實(shí)驗(yàn)課程從傳統(tǒng)的利用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行演示性實(shí)驗(yàn)，發(fā)展成為具有驗(yàn)證性、創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，由教師給出實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，學(xué)生自行編制相關(guān)的MATLAB語(yǔ)言程序，之后再進(jìn)行調(diào)試，直至完成實(shí)驗(yàn)。

MATLAB是一個(gè)精度較高的計(jì)算語(yǔ)言，經(jīng)常用于工程科學(xué)計(jì)算中，可在一個(gè)較為容易使用的環(huán)境中將計(jì)算可視化和軟件編程緊密結(jié)合。MATLAB軟件是進(jìn)行控制系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)的常用工具，Simulink就是其中一個(gè)重要的組件，提供了圖形化的用戶界面及動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、分析和仿真的集成環(huán)境。運(yùn)用Simulink 模塊進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，可以使學(xué)生學(xué)習(xí)到將系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)方程相關(guān)聯(lián)。如單位階躍系統(tǒng)的一階時(shí)間響應(yīng)、二階時(shí)間響應(yīng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)頻率特性圖的繪制、系統(tǒng)的根軌跡的繪制等都可以作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。并且MATLAB作為最常用的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，應(yīng)用是極其廣泛的，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可以更好地掌握這種現(xiàn)代模擬軟件設(shè)計(jì)工具。

4 結(jié)論

通過對(duì)《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革，引入了MATLAB仿真軟件進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，大大彌補(bǔ)了課程中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的缺失。采用多樣化的教學(xué)手段，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生分析解決實(shí)際工程問題的能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，提高了教學(xué)質(zhì)量。

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