《机械工程控制基础》教学改革

摘 要：针对《机械工程控制基础》课程教学现状的不足,提出了以Matlab为辅助和机械类卓越工程师培养为目标的课程教学改革新思路,并探讨了由理论教学、Matlab辅助教学、实验、考核等为一体的机械工程控制基础教学方法实施方案,特别是基于Matlab的辅助教学方法,经过一年多的教学实践,改善了课程教学效果.

关 键 词：机械工程控制；Matlab；仿真

中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2013）17-0042-02

一、机械工程控制基础教学现状

机械工程控制是自动控制的一个分支,它以控制论为理论基础,研究的是机械工程领域的自动控制问题,具有很强的针对性,是机械专业本科生的一门专业基础课.其包括两个方面：①对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进行科学分析,以找出问题的本质和有效的解决方法；②如何控制一个机电系统,使之按预定的规律运动,以达到预定的技术经济指标,为实现最佳控制打下基础.尽管机械工程控制基础在机械专业的培养目标体系里具有举足轻重的地位,但是其实际教学效果却不太理想,主要原因体现在两个方面.

1.机械工程控制涵盖面大,需要有较好的前导课程基础.首先,机械工程控制基础在研究系统数学模型时,需要用到一些力学、电学甚至是磁学等前导知识,这就要求学生具有较好的前导课程基础,但现在很多学生对这些前导知识不甚了解,导致机械工程控制基础课程学习吃力,久而久之就产生了厌学等不良情绪；其次,在系统的模型推导、变换及分析等方面,机械工程控制基础和数学结合非常紧密,不仅要求学生有较好的数学基础,还要求有一定的分析与综合能力,而这也恰恰是很多学生所欠缺的.

2.机械工程控制侧重理论,与工程实践结合较少.控制论本身就是一门理论性很强的科学,机械工程控制也不例外.我们从机械工程控制的知识体系来看,其主要教学内容有系统的数学模型、系统的时间响应分析、系统的频率特性分析、系统的稳定性、系统的性能指标与校正等,这些内容的理论性都很强.尽管在建立系统数学模型阶段,可能是针对具体的机电系统,但是后续的时间响应分析、频率特性分析等都是基于理论分析,学生在学习过程中,不清楚这些理论分析的依据和作用所在,脱离了工程实践,只知道套公式,影响了教学效果.由以上机械工程控制的教学现状,我们可以看出,目前的机械工程控制教学不能充分激发学生的学习兴趣,使其处于被动接受知识而不是主动求知,教学效果不好.因此,机械工程控制课程改革势在必行,必须改革教学模式,才能适应工程教育的目的,培养学生的实践能力.

二、课程模式改革的理念、思路及实施方法

工程教育是为国家经济建设提供工程技术与企业管理人才的主要渠道.已成为高等工程教育大国的中国,正以实施卓越工程师教育培养计划为突破点,加快高等工程教育改革创新.机械工程控制课程改革正是契合了工程教育改革的时机.在工程教育的大背景下,如何巩固和加强机械工程控制技术体系,在有限的时间内使学生在这个体系里循序渐进地学习和掌握机电系统控制理论和方法,掌握基于Matlab的辅助分析方法以及在教学实践过程中培养他们的控制论知识实际应用能力,这是目前机械工程控制课程亟待解决的问题.拟采取的实施方法及内容主要为以下几方面.

1.加强机械工程控制绪论的讲解及学习.一门课程的第一堂课,往往是学生最有兴趣的,因为学生想知道这门课学的是什么,有什么用途,这将在很大程度上影响他们今后对这门课学习的态度.机械工程控制第一堂课主要是简介控制论的发展,以及系统、控制系统等基本概念,应该多举一些控制论应用的实例,简明扼要地让学生接受控制论的作用,以及日常生活中一两个控制论简单应用的实例,让他们参与到控制过程的设计中来,明白控制论也不是如此深奥和复杂,而是和日常生活紧密结合在一起的.

2.控制论前导课程知识的复习和巩固.如上所述,学生学习机械工程控制的一大障碍是前导课程知识遗忘较多.所以在正式学习机械工程控制之前,建议先有针对性地复习和巩固相关前导知识,主要包括：机械动力学相关的一些直线运动、圆周运动等相关概念和定律,如牛顿定律、库克定律等；电工电子学相关概念和定律,如欧姆定律、基尔荷夫定律等；电磁学相关概念和定律,如电磁感应定律等.数学相关前导知识可以放到系统数学模型一章中再进行复习和巩固,主要包括微分方程、Laplace变换等.

3.在理论教学的过程中,引入一些机电系统相关实例及Matlab辅助教学环境.机械工程控制课程密切贴合工程实践,这就要求在讲解及学习过程中,多设计及引入一些相关机电系统的具体实例,围绕这些具体实例进行数学模型的构建、时间响应的分析、频率特性的分析及系统稳定性等.此外,在理论教学过程中,引入基于Matlab的虚拟仿真环境,让一些设计、分析及结果所见所得,增强学生学习兴趣.在机械工程控制课程教学的每个环节,都可利用Matlab,尤其是理论性特别强的章节,如频率特性分析、性能校正等.

4.加强机械工程控制的实验教学.实验是教学效果提升的较好手段,尤其是对于机械工程控制等原理性强的课程,更要加强实验教学工作.实验包括课内实验和课外实验两大类,课内实验包括一些Matlab演示实验,及相关物理系统实验,如单位脉冲响应、频率响应、系统传递函数等的实验确定；课外实验主要是Matlab仿真实验,这部分由教师提出要求,学生独立在课外完成.

5.改革课程考核成绩的评估机制.课程的考核成绩不再很大程度上取决于期末考试,而是平时和期末考试的综合成绩.而平时成绩又包括到课情况、提问情况、作业情况、实验情况等.课程考核成绩主要分为四块：首先是课程到课及课程回答问题情况,占总成绩15%；其次是平时的作业情况,占总成绩的20%；再就是实验成绩,包括课堂实验及课后Matlab仿真实验,占总成绩的15%；最后是期末闭卷考试,占总成绩的50%.通过改革考核方法,使得学生全程参与到实践教学中来,从实践中学习,从实践中收获,调动了他们的学习积极性,从而能够取得较好的学习效果.

以机电系统的具体案例及卓越工程师培养目标为导向,结合工科机械类本科学生的实际特点,加强了机械工程控制课程和实践的紧密联系性,通过优化教学内容,引入Matlab仿真环境,改革课程考核方式等,让学生在学习基础理论的基础上,能够将所学理论知识运用于实践系统,从而提升教学效果.以上具体方案,经过一年多的教学实践及学生反应,效果良好.