“机械工程控制基础”课堂教学经验简析

摘 要：针对如何提高“机械工程控制基础”课程教学效果的问题进行了教学方法的探索,分析了参与式教学方法、化繁为简地阐述重要和复杂的原理、理论联系实践等教学手段对该课程讲解的优势,并进一步指出在课堂教学中不断接受学生的反馈信息,增强师生互动,是持续改性教学效果的最好的方法.

关 键 词：机械工程控制基础；教学经验；探索；参与式教学

作者简介：张燕（1980-）,女,河北宁晋人,河南理工大学机械与动力工程学院,讲师.（河南焦作454000）

基金项目：本文系“河南省社科联——工科大学生创新素质实践能力培养研究”（项目编号：XKL2011-2432）的研究成果.

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）01-0085-02

“机械工程控制基础”是一门将控制理论和机械工程实际相结合的机械工程类或机电类本科生的专业基础课,在促进机械工程的发展以及培养机械工程人才,特别是机电一体化人才中发挥了非同一般的作用.[1]河南理工大学采用的是中国科学院院士杨叔子先生编写的由华中科技大学出版的国家级精品课程教材.但是由于本课程涉及知识面广,和前期学习课程如“高等数学”、“大学物理”、“电工电子”、“液压与气压”、“复变函数与积分变换”、“高级程序语言设计”等有密不可分的关系,并且主要以理论分析计算为主,内容抽象,许多学生在学习的时候很难进入状态.为了提高本课程的教学效果,经过几年的课堂教学实践探索出几点经验.

一、采用参与式教学方法,引发浓厚的学习兴趣

由于本课程的特点,所以第一堂课的讲解尤其重要.通过第一堂课的讲解,要让学生对学习这门课程产生浓厚的兴趣.采用参与式教学方法,通过播放美国的BigDog、浙江大学的四盘式驱动器、中国的神九飞天以及与天宫一号交会对接等与机械控制相关的视频,使学生们产生了解其如何实现的愿望,对“机械工程控制”这门课程有感性的认识,并产生浓厚的学习兴趣,这对于后面的学习尤其重要.此外,采用身边经常见到的如电冰箱、空调、调温箱等具体的事例让学生参与讨论,分析它们的工作原理,使学生对控制的感念和反馈的概念有更进一步的了解,从系统的角度分析问题.在后面的课程讲解中也要让学生多多参与到课程的讲授过程中,提高他们的学习兴趣.例如,在讲解传递函数化简的时候,由于可采用的化简思路有多种,可以给同学们5分钟的时间练习一道习题,然后让学生毛遂自荐到课堂上亲自给大家讲授化简方法,这有助于学生上课注意力的集中和对知识点的掌握、巩固.再如,在讲解稳定性概念的时候,为了让学生有一个直观的认识,可以使用图1所示的常见系统进行说明,这样可以使学生对稳定性的理解有一个直观的认识,为后面讲解Nyquist稳定判据和稳定性性能指标打下基础.

二、打好数学建模基础,突破课程第一难关

系统数学模型的建立是本课程的难点,由于涉及的知识面非常广,如电学系统、力学系统、液压系统,甚至混合构成的系统,此时要及时给学生补充相关内容知识,如“牛顿三大定律”、“Kirchhoff定律”、“运算放大器原理”、“液压原理”等等.这样学生就会了解这些数学模型是建立在哪些理论基础上,并且知道如何应用原来学过的定律或理论解决问题,形成一个完备的知识框架,也能够从中体会到原来各门学科之间的相通性.除此之外,传递函数是学好这门课程的基础,而传递函数的定义是以Laplace变换为基础的,所以在讲解传递函数这一章节的时候,一定要给学生补充有关Laplace变换的相关知识,使他们对Laplace变换有一个比较清晰的理解,当然讲解时要点到为止,不必有过多的赘述.

三、化繁为简,注重概念和分析方法的传授

由于本课程要求学生从系统的角度分析问题,而系统“可大可小,可繁可简,甚至可实可虚”,这就导致该课程非常抽象、不好理解,因此在授课过程中要注意化繁为简,注意概念的讲解和分析方法的传授.[2]首先,将复杂的原理简单化,并让学生明白如何使用这个原理,然后再对理论进行推导和证明,让学生明白其合理性.例如在讲解Nyquist稳定判据的时候,让学生明白“奈奎斯特稳定判据实际上是几何判据,它的基本原理是画出开环函数的奈奎斯特图,然后根据该轨迹绕复平面特定点的圈数来判别对应闭环系统的稳定性”.再者,在使用这个原理进行判断时,实际上只需要三个步骤：求出开环传递函数在右半平面的极点数目P；画出该传递函数的Nyquist图；数该轨迹包含（-1,j0）点的圈数P1,如果P与P1相等则闭环稳定,反之不稳定.最后,通过举例子练习,在学生较熟练掌握该判据的应用的时候向学生进一步证明Nyquist稳定判据,加深对该判据的理解.再例如,在讲解时域分析的时候首先要向同学交代清楚一些基本问题,如什么是时域分析、为什么要进行时域分析等；在讲解清楚这些问题后,告诉学生们为什么要设定典型信号作为分析系统性能的输入信号以及这些典型信号之间有什么关系；然后再向学生讲明白对于一阶系统和二阶系统甚至高阶系统来说,其分析方法是一样的,先理解简单的一阶系统,再去理解二阶甚至高阶系统的时间响应分析.有了这样的一个讲解思路,可以让学生形成较系统的知识框架,然后产生一个清晰的学习过程.通过化繁为简、化难为易的过程可以使得知识点之间的联系性和逻辑性更加清晰,非常有利于学生的理解和接受.

四、理论联系实际,提高教学的可观摩性

实践是理论的基础,实践对理论起决定作用,理论必须与实践紧密结合.“机械工程控制基础”课程本身实践性较强,离开实践就如同空中楼阁,就会丧失生命力和可信度.为提高教学效果和质量,增强学生的学习兴趣,合理确定实践教学的内容与形式,主要采用计算机模拟软件Matlab进行实验.该软件是Mathworks公司推出的集科学计算、数据可视化、图像处理和工程设计于一体的工程应用软件.[3]将Matlab软件引入“机械工程控制基础”教学中,不仅能克服传统教学中讲解内容抽象的问题,也可以通过学生的上机练习对所学知识加深理解,同时学生从中学到的不仅仅是应用Matlab软件画图、数值计算和系统的动态仿真,更重要的是学会如何运用计算机技术去学习知识和解决实际问题,可以大大提高教学质量和学生的综合素质.比如,通过MATLAB软件对系统（一阶、二阶、高阶）的时域响应曲线和频率特性的Nyquist图、Bode图进行绘制和分析,判断系统的稳定性,求得系统的性能指标等.这些模拟仿真实验给学生以真实、具体的感性认识,然后引导学生对控制系统进行评析.在这种模拟的情况下,学生就必须积极思考,充分利用掌握的知识处理计算机模拟的实际问题,这样就把抽象的讨论变成了具体的分析.这种方法使学生的角色发生了转变,增强了学生理解、掌握理论并加以运用的动力和积极性,有助于改进他们消极被动接受知识的不良习惯,提高教学效率.除此之外,为了锻炼学生的综合能力,真正地理解和掌握这门课程,可以以小组为单位,给他们布置一个可以自制的自动控制综合实验.但是这需要一定资金的支持,因此任课教师可以结合自己的研究课题,让学生们开动脑筋先论证方案,然后开展讨论,确定其中最可行的方案,然后进行实物制作.虽然资金可能不能满足所有小组都进行实物制作,但是这种方式可以大大加深学生对自动控制的理解,同时一方面培养了学生的科研能力,而另一方面教师也将科研和教学紧密地结合起来了.[4]五、活用控制的核心概念,提高教学质量

“反馈”是控制理论的主要概念,其核心思想就是“检测偏差,并消除偏差的过程”.而反馈在生活中时刻都存在着,教学过程也是一样.教师在教学过程中有针对性地了解学生对自己教学情况的看法和意见,及时和他们保持交流沟通,获取反馈信息,然后利用这些反馈信息进行教学方法地调节,以期达到较好的教学效果.这样既调动了学生对课程的学习兴趣,又不会使教与学这两个环节严重脱节,增强了师生互动,从而达到预期的教学目标.

六、采用综合考核制度,加强学生综合能力的培养

考核是考察一门课程讲授效果的一种方式,由于该课程是一门重要的专业基础课,因此考核的主要方式是闭卷方式,由校教务处统一组织考试.如果仅仅通过一次考试就判定学生的掌握情况,实际上不能反映学生的综合素质和能力,因为有很多同学在考前通过熬夜突击也可以取得相对不错的成绩.因此在教学中采用综合考核制度,其中考试成绩占70%,实验占10%,作业占5%,而平时出勤考核占5%.对“机械工程控制基础”这门课程进行考试是必须的,由于一些基本概念与理论要求学生必须牢记.而作业是巩固教学效果最好的手段.除此之外,学生平时的出勤情况也要包括在考核内容中,这是因为该课程主要为学生讲解经典控制理论,从第一章到第六章是一个系统,章节之间的联系很紧密.如果有一次不来听课,很可能导致后面的内容听不懂,所以在设计的综合考核内容中,平时出勤考核占了5%的比例.采用考试、实验、作业和考勤并重的考核方式,教师的任务将加重,对任课教师的要求也更高.因此要求教师一定要加强自身的学习,积极参与科研,努力掌握自动控制方面新的知识,以期使自己的教学在培养本科大学生的基本素质和能力上发挥更大的能量.

七、结束语

通过近几年“机械工程控制基础”课程的教学实践,深切体会到参与式教学方法的重要性以及讲解由简入繁、化繁为简、知行合一和反馈改进等手段的重要性和有效性.在今后的教学中也将继续完善自己的教学方法,不断创新、不断实践、不断改进,以期获得一条适合本科教学的成功之路.