在“機(jī)械控制理論基礎(chǔ)”教學(xué)改革中體現(xiàn)卓越工程師計(jì)劃的研究與探索

董霞 李天石 要義勇

摘 ?要：為了全面提高我國工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量，教育部啟動了“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”，以促進(jìn)我國從工程教育大國走向工程教育強(qiáng)國。著眼于學(xué)生工程能力的培養(yǎng)，文章作者在機(jī)械工程學(xué)科中的“機(jī)械控制理論基礎(chǔ)”的課程教學(xué)中進(jìn)行了一些改革和探索。文章主要就如何在課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中體現(xiàn)對機(jī)械工程本科生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)講述了具體的做法。

關(guān)鍵詞：本科教學(xué)改革;卓越工程師;機(jī)械控制;工程能力

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2020）13-0122-04

Abstract： In order to improve the personnel training quality in engineering education in China in an all-round way， the Ministry of Education has launched the "Outstanding Engineer Training Program" in order to promote China from a large country of engineering education to a strong country of engineering education. Focusing on the cultivation of students' engineering ability， the author has carried out some reforms and explorations in the course teaching of "Fundamentals of Mechanical Control Theory" which is the main subject in mechanical engineering. This paper mainly describes how to cultivate engineering ability and innovation ability of mechanical engineering undergraduates in classroom teaching and experimental teaching.

Keywords： undergraduate teaching reform; excellent engineers; mechanical control; engineering ability

一、“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的背景

應(yīng)該說，以中國巨大的人口基數(shù)和近年來不斷擴(kuò)大的高等教育招生規(guī)模，我們已經(jīng)當(dāng)之無愧地成為一個高等教育大國。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2010年起我國高等工程教育的規(guī)模已躍居世界第一，2010年工科專業(yè)的在校本科生371萬人，研究生47萬人[1]。據(jù)2019年2月26日教育部的新聞發(fā)布會，2018年全國共有普通高等學(xué)校2663所，各種形式的高等教育在學(xué)總規(guī)模為3833萬人[2]，但我們并不是一個教育強(qiáng)國。2018年我國的研發(fā)人員總數(shù)已達(dá)419萬人，連續(xù)6年穩(wěn)居世界第一，但據(jù)瑞士洛桑國際管理發(fā)展學(xué)院發(fā)布的《2019世界競爭力報告》，中國競爭力僅排全球14位[3]。

從國際環(huán)境看，自2007年爆發(fā)國際金融危機(jī)后，我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展到了關(guān)鍵時期，單純依靠廉價的自然資源和人力資源進(jìn)行的低附加值的產(chǎn)品生產(chǎn)和出口難以為繼，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、具有高附加值的產(chǎn)品換代勢在必行，尤其自去年以來與美國之間在高科技領(lǐng)域的摩擦愈來愈烈，在被制裁與反制裁的競爭中，我們需要大量的、高素質(zhì)的工程技術(shù)人才提高我們的科技競爭力，因此對高等教育特別是高等工程教育提出了新要求。

但是中國的教育（包括高等教育）存在問題：2009年溫家寶總理指出：“應(yīng)該清醒地看到，我們的教育還不適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的要求，不適應(yīng)國家對人才培養(yǎng)的要求”?！敖逃献陨硪?guī)律的要求，教育要符合時代發(fā)展的要求，教育要符合建設(shè)中國特色社會主義對人才的要求，教育要符合以人為本的要求”[4]。而高等工程教育最主要的問題是我們培養(yǎng)出來的人才缺乏創(chuàng)新性。中國工程院在2009年年初發(fā)表了《走向創(chuàng)新——關(guān)于中國創(chuàng)新型工程科技人才培養(yǎng)》調(diào)研報告，對國內(nèi)高等工程教育的現(xiàn)狀提出了十分尖銳和中肯的意見：我國工程教育的規(guī)模遠(yuǎn)勝于水平;工程專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力不強(qiáng)，重論文、輕設(shè)計(jì)、缺實(shí)踐。專業(yè)目錄與課程體系設(shè)計(jì)落后、學(xué)科交叉欠缺，導(dǎo)致創(chuàng)新與實(shí)踐雙向不足，得不到產(chǎn)業(yè)界的認(rèn)同和重視;工程師社會地位不高，是工程科技人才流失和缺乏創(chuàng)新動力的重要社會因素。因此呼吁：倡導(dǎo)尊重工程的文化，改革高等工程教育，加速我國創(chuàng)新型工程科技人才隊(duì)伍建設(shè)[4]。為此，教育部在2009年9月啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”[5]，并將其列入了《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》中的重大改革項(xiàng)目，西安交通大學(xué)成為首批試點(diǎn)高校，機(jī)械工程學(xué)科也因此成為首批試點(diǎn)學(xué)科。

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”推行近10年來，對促進(jìn)高等教育面向社會需求培養(yǎng)人才，全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量起到了重要的示范和引導(dǎo)作用。機(jī)械控制理論基礎(chǔ)作為高等學(xué)校機(jī)械工程專業(yè)的核心專業(yè)課，在課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中，我們采取了許多措施來加強(qiáng)對學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、在課堂教學(xué)中體現(xiàn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”強(qiáng)調(diào)通過企業(yè)實(shí)踐和學(xué)校教育來強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力;下面就作者本人所承擔(dān)的“機(jī)械控制理論基礎(chǔ)”的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)來談?wù)勅绾卧诮虒W(xué)中體現(xiàn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”中對學(xué)生的工程能力與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

作為國內(nèi)最早開設(shè)“機(jī)械控制工程”教學(xué)的高等院校和首批“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃” 試點(diǎn)學(xué)校的試點(diǎn)學(xué)科，自2010年起機(jī)械工程及自動化專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)方案執(zhí)行貫徹“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的2010版培養(yǎng)計(jì)劃，對于2010級的學(xué)生在第6學(xué)期（即大三的第一學(xué)期）進(jìn)入到專業(yè)基礎(chǔ)課“機(jī)械控制理論基礎(chǔ)”的學(xué)習(xí)。我們首先在課程的學(xué)時上進(jìn)行了調(diào)整，從原來的42學(xué)時理論教學(xué)+6學(xué)時實(shí)驗(yàn)教學(xué)調(diào)整為40學(xué)時理論教學(xué)+16學(xué)時的討論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其中6學(xué)時的課堂演示和討論用于強(qiáng)化學(xué)生對該課程重點(diǎn)內(nèi)容的理解和消化，10個學(xué)時用于課程實(shí)驗(yàn)，通過學(xué)生對電路模擬系統(tǒng)和實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)的動手實(shí)驗(yàn)鞏固其所學(xué)的理論知識并加深其對控制理論在機(jī)械工程中應(yīng)用的直觀理解。之所以進(jìn)行這樣的調(diào)整是考慮到該課程的特點(diǎn)，主要講述控制理論基礎(chǔ)在機(jī)械工程中的應(yīng)用，是一門理論性很強(qiáng)又要兼顧工程應(yīng)用的專業(yè)主干課程。

具體來說，為培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和綜合應(yīng)用理論解決工程實(shí)際問題的能力，我們在課堂教學(xué)過程中盡可能突出控制理論在機(jī)械工程中的應(yīng)用背景，增加了工程應(yīng)用方面的實(shí)例和針對重點(diǎn)內(nèi)容的課堂討論，例如在講授系統(tǒng)的頻率特性時，我們直接通過在機(jī)械加工中經(jīng)常碰到的問題：當(dāng)利用車刀車內(nèi)螺紋時由于刀柄過長在一次性加工時會出現(xiàn)抖（振）動情況（如圖1視頻截圖），這時可以通過在刀柄內(nèi)內(nèi)置一被動的動態(tài)吸振器來減輕輕振動，即內(nèi)置預(yù)調(diào)過的重金屬阻尼單元，由彈性原件支撐在刀柄的腔體內(nèi)靠近刀頭處（如圖2），阻尼體經(jīng)過預(yù)調(diào)，以使其自身頻率與整個刀柄的頻率一致，這樣在實(shí)際加工過程中，刀柄前端刀具發(fā)生的振動變形會在第一時間被阻尼體抵消，不會沿著刀柄向后傳遞，從而減少了整個刀柄的振動變形。

我們又進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生如何將該動態(tài)吸振器的設(shè)計(jì)引入到機(jī)床加工中的減振和吸振中，甚至磁共振儀梯度線圈的動態(tài)吸振中（其吸振原理如圖3所示），讓學(xué)生明白：把基本理論真正理解和掌握了可以創(chuàng)新性地解決許多工程實(shí)際問題。

通過這些工程實(shí)例的講解，同學(xué)們真切地理解了在機(jī)械系統(tǒng)中如何利用頻率特性和諧振頻率來解決工程中的振動問題，也真正地感到“理論有用武之地”。

MATLAB作為控制系統(tǒng)分析的基本軟件，可以方便直觀地體現(xiàn)和深化課程內(nèi)容。在講授系統(tǒng)分析內(nèi)容時，我們會利用MATLAB分析工具充分展示系統(tǒng)參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響，例如在時域分析中，討論了二階系統(tǒng)參數(shù)阻尼比和固有頻率對系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標(biāo)的影響，有零點(diǎn)和無零點(diǎn)時系統(tǒng)時域響應(yīng)的不同以及零點(diǎn)對系統(tǒng)時域性能的影響，影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的因素;在頻域分析中，討論了影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素以及系統(tǒng)開環(huán)頻率特性與閉環(huán)系統(tǒng)性能之間的聯(lián)系;在控制系統(tǒng)校正和設(shè)計(jì)中，通過MATLAB分析和演示討論了不同的校正環(huán)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響作用。特別是通過對系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的對數(shù)坐標(biāo)圖的繪制和估算來分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，這正是“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”中要著重培養(yǎng)的工程能力的體現(xiàn)。

在此，對于“機(jī)械控制理論基礎(chǔ)”的教學(xué)中是否要求學(xué)生手工繪制開環(huán)頻率特性對數(shù)坐標(biāo)圖和極坐標(biāo)圖的問題，有一種意見認(rèn)為，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)如此普及控制系統(tǒng)分析軟件（如MATLAB等）那么方便好用，根本不需要再要求學(xué)生去費(fèi)力畫出伯德圖和奈奎斯特圖，可以直接利用計(jì)算機(jī)和軟件。作者認(rèn)為控制理論的誕生和發(fā)展起源于工程應(yīng)用的需要（如自動瞄準(zhǔn)武器研制的需要、宇宙空間探索的需要等），控制理論特別是經(jīng)典控制理論在工程中應(yīng)用時不需計(jì)算機(jī)、不用軟件而只需在草稿紙上略微推算即可進(jìn)行系統(tǒng)分析和判斷，正是一個工程技術(shù)人員工程能力的體現(xiàn)，是在課程教學(xué)中應(yīng)該對學(xué)生進(jìn)行著重培養(yǎng)的能力，而計(jì)算機(jī)和軟件的應(yīng)用可以作為一個驗(yàn)證的手段并應(yīng)用于更復(fù)雜的系統(tǒng)分析中。

三、在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中體現(xiàn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”

實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著非常重要的作用。作為一門重點(diǎn)講述控制理論在機(jī)械工程中應(yīng)用的一門課程，本應(yīng)把機(jī)械（包含機(jī)、電、液）控制對象作為實(shí)驗(yàn)的重要對象，但本課程原來限于經(jīng)費(fèi)的制約，只是采用了電路模擬系統(tǒng)進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)，如圖4。

所設(shè)計(jì)的主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：典型環(huán)節(jié)的瞬態(tài)響應(yīng)和動態(tài)分析，包括一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)及時間參數(shù)的影響、二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)及參數(shù)的影響、零點(diǎn)、極點(diǎn)分布對二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生掌握瞬態(tài)響應(yīng)的基本概念和測試方法;典型環(huán)節(jié)的頻率特性實(shí)驗(yàn)，包括一階環(huán)節(jié)的頻率特性和影響參數(shù)、二階環(huán)節(jié)的頻率特性和影響參數(shù)以及高階系統(tǒng)的頻率特性，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生掌握頻率特性的測試方法，理解諧振頻率、頻寬等基本概念;控制系統(tǒng)的校正，包括控制系統(tǒng)的反饋校正、串聯(lián)校正，目的是讓學(xué)生掌握改善控制系統(tǒng)性能的基本方法和工程實(shí)現(xiàn)。

這些實(shí)驗(yàn)雖然體現(xiàn)了課程中所講授的控制理論的基本內(nèi)容，但沒有把控制理論在機(jī)械對象上的工程應(yīng)用體現(xiàn)出來，學(xué)生難以形成如何在機(jī)械對象上實(shí)施控制的基本印象。為切實(shí)落實(shí)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，我們增加了典型的機(jī)械對象應(yīng)用控制理論進(jìn)行分析的實(shí)驗(yàn)（如圖5所示）。這是一個單軸伺服控制的實(shí)驗(yàn)平臺，它采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動、配以齒形帶傳動帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)形成了一個二階旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，既涉及機(jī)械系統(tǒng)建模也涉及傳感器的使用，并可以通過改變質(zhì)量和阻尼參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)下系統(tǒng)的響應(yīng)特性，使學(xué)生理解二階系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

該實(shí)驗(yàn)平臺可以在MATLAB/Simulink下完成以下控制實(shí)驗(yàn)：系統(tǒng)建模和穩(wěn)定性分析、二階系統(tǒng)時域分析、頻率特性分析、PID校正、頻域法校正等實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解PID影響系統(tǒng)性能指標(biāo)的基本原理，掌握調(diào)整直流伺服驅(qū)動器PID電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)參數(shù)的方法;深入理解運(yùn)動控制中不同轉(zhuǎn)動慣量對電機(jī)速度環(huán)、位置環(huán)性能的影響情況;理解不同阻尼力矩和擾動力矩扭矩對電機(jī)位置環(huán)、速度環(huán)性能的影響情況，從而培養(yǎng)運(yùn)動控制的實(shí)踐技能。

另外，我們還盡可能將教師的科研成果轉(zhuǎn)化到課程的教學(xué)中，讓學(xué)生體驗(yàn)理論應(yīng)用于實(shí)際的創(chuàng)新。圖6是李天石教授為廣東設(shè)計(jì)的一個轉(zhuǎn)屏同步控制系統(tǒng)，我們把它轉(zhuǎn)化到課程教學(xué)中，開發(fā)了圖7所示的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要用于完成轉(zhuǎn)臂處于某靜止?fàn)顟B(tài)的位置時的階躍輸入跟蹤實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)臂以恒定的速度勻速轉(zhuǎn)動時的斜坡輸入跟蹤實(shí)驗(yàn)，兩套實(shí)驗(yàn)平臺的同步實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生掌握以伺服電機(jī)驅(qū)動的同步轉(zhuǎn)動控制系統(tǒng)的工作原理與作用，角度傳感器和傾角傳感器的原理和特點(diǎn)，學(xué)會繪制直流電機(jī)控制原理圖，推導(dǎo)相關(guān)傳遞函數(shù)，了解傳遞函數(shù)的校正方法，初步掌握同步控制原理，觀察轉(zhuǎn)屏同步控制過程。

四、結(jié)束語

通過在“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中的一系列改革，我們把卓越工程人才的培養(yǎng)與工程實(shí)際緊密結(jié)合，所做的改革獲得了學(xué)生的認(rèn)可，以本課程為三大主要內(nèi)容（機(jī)械控制理論、機(jī)械測試技術(shù)、數(shù)控技術(shù)）之一的教學(xué)成果“面向智能制造的數(shù)控技術(shù)教學(xué)體系改革與實(shí)踐”在2014年獲得國家級教學(xué)成果二等獎。

為切實(shí)理解和落實(shí)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》的內(nèi)容以及“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的核心內(nèi)容，作為實(shí)施高等教育的一線教師，在相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)中，我們會堅(jiān)持不懈地去仔細(xì)琢磨各個教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容設(shè)計(jì)，為扎實(shí)貫徹“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”、培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新能力的優(yōu)秀人才而做出自己的一份貢獻(xiàn)。

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