機械控制工程基礎課程的幾點教學改革

　　摘 要： 作者引入記憶導圖及MATLAB軟件等工具，解決了學生在學習機械控制工程基礎課程中畏難等問題，進而有效地完成了教學任務。
　　關鍵詞： 機械控制工程基礎 記憶導圖 MATLAB
　　
　　控制論的觀點和思維方法向機械工程專業滲透，給機械工程這個古老的專業注入了新的活力。《機械控制工程基礎》作為機械工程專業的一門專業基礎課，課程的教學內容逐漸擴展，開始從純粹的經典控制理論教學擴展到包括現代控制和數字控制的基本知識等內容。
　　在現代科學技術的發展中，信息論、控制論與系統論這“三論”起著極為重要的作用，而“機械控制工程基礎”同這“三論”所涉及的三個學科緊密相連，甚至可以說，“機械控制工程基礎”就是這“三論”在機械工程中的典型體現。“機械控制工程基礎”作為數理基礎課程與專業課程之間的一道橋梁，是以上“三論”在機械工程技術中的具體應用和體現。它不僅是一門重要的學科，而且是一門重要的方法論，在機械類高素質人才的培養中發揮著越來越大的作用。
　　《機械控制工程基礎》是建立在經典控制理論基礎上，結合機械工程的控制理論應用。課程內容比較抽象難懂，尤其是課程中的許多章節的內容，需要通過復雜的計算和作圖才能理解有關概念和原理，教學質量難以提高。
　　鑒于此，為進一步增強《機械控制工程基礎》的教學效果，我除了精心設計、準備教案，采用啟發式教育，進行課堂練習與討論外，還從以下幾個方面做出了努力。
　　1.上好緒論課，激發學生學習欲望
　　“興趣是最好的老師”。由此可見學習興趣的培養在教學中的作用之大。實踐也證明：當學生對某一知識產生興趣時，他們就會積極主動地探究，學習效果尤佳。為此，在上緒論時，要舉大量的控制實例，從古代的沙斗計時，到近代的蒸汽機，再到現代的導彈飛船。從日常的抽水馬桶，到人員交往的察言觀色，無一不體現控制的思想和作用。列舉大量的事例，一般能較好地激發學生學習的興趣。
　　2.運用記憶導圖，加深學生記憶與理解
　　在記憶學中有一個加強記憶的辦法，就是將復雜的知識形成一個圖形，亦即所謂的記憶導圖，這將有助于人們對事情的理解和記憶。為此特將機械控制工程基礎的相關知識制成了圖1所示的記憶導圖。
　　在機械控制工程基礎課程中，主要就是圍繞著輸入、系統模型和輸出這三要素來講的。在緒論中就要說明這一點，讓學生有一個總體印象。然后分開來一點點地講，在講局部時也要不時插入圖1這個記憶圖。這種從總體到局部，再從局部到總體的方法，非常有助于學生建立控制的整體概念。
　　3.采用MATLAB這一成熟的工程軟件，建立概念的直觀形象
　　MATLAB的名稱源自Matrix Laboratory，它是一種科學計算軟件，專門以矩陣的形式處理數據。MATLAB將高性能的數值計算和可視化集成在一起，并提供了大量的內置函數，從而被廣泛地應用于科學計算、控制系統、信息處理等領域的分析、仿真和設計工作。利用MATLAB產品的開放式結構，還可以非常容易地對MATLAB的功能進行擴充。
　　控制系統工具箱是MATLAB軟件包中專門針對控制系統工程設計的函數和工具的集合，主要用于反饋控制系統的分析、設計和仿真，所涉及的領域涵蓋經典控制理論和現代控制理論的大部分內容，包括根軌跡、極點設置和線性二次最優控制器設計等。控制系統工具箱既可適用于連續時間系統，又適用于離散時間系統，并且可以實現不同模型之間的相互轉換。用戶還能夠輕松地繪制系統的時域或頻域響應和開環系統的根軌跡圖。MATLAB自身提供的開放式環境，可以讓用戶通過M文件建立自己的控制模型和控制算法。
　　我在充分應用MATLAB的計算功能、繪圖功能之外，還應用Simulink的仿真功能來破解一些抽象的知識點。比如在講解閉環控制系統的工作是依據偏差工作，最后消除偏差。但學生對此總感覺困惑。這主要是因為信號流向如電一樣，真實存在，但看不見。此時Simulink中的虛擬示波器就發揮作用了。如圖2所示的典型負反饋系統，其輸入信號、偏差信號和輸出信號均用一個示波器顯示出來。用此示波器來展現輸入信號、偏差信號和輸出信號這三種信號變化，學生就很容易看懂負反饋的原理。
　　4.結語
　　在機械控制工程基礎的教學中，除了要精心設計、準備教案，采用啟發式教育，進行課堂練習與討論外，還要積極引入一些新的理論及方法，從而更好地提升教學效率和質量。
　　
　　致謝：感謝江西省教育廳對機械控制工程基礎課程的教學改革的支持（教改課題編號JXJG-09-5-32）。
　　
　　參考文獻：
　　［1］楊叔子，楊克沖等.機械工程控制工程基礎.武漢：華中科技大學出版社，2005.
　　［2］Kenneth L.Higbee著.董凌鋒譯.聰明記憶王.天津：天津教育出版社，2009.
　　［3］Vera F.Birkenbihl著.劉勇強，曾巖譯.記憶導圖.北京：東方出版社，2010.
　　［4］趙廣元.MATLAB與控制系統仿真實踐.北京：北京航空航天大學出版社，2009.