面向卓越工程師培養的“機械控制工程基礎”課程改革思路

陳光勝，李郝林

摘要：按照“卓越工程師教育培訓計劃”的培養要求，上海理工大學“機械設計制造及其自動化”專業對“機械控制工程基礎”的課程進行了課程改革嘗試。提出了“保證基礎，重在應用，教法先進，強調實例”的課程改革指導思想，進行了三方面的嘗試：一是在理論體系完整的前提下，保證基礎，強調應用，對教學內容進行了調整，以適應培養要求；二是在教學方法上，引入先進的教學工具軟件MATLAB，激勵學生積極參與到教學中，加強互動，增強教學效果；三是面向應用，突出實例教學，將理論教學與工程實踐相結合，通過工程案例來激發學生的學習興趣，發揮學生主體性。

關鍵詞：機械控制工程；卓越工程師；課程改革

中圖分類號：G642？搖 文獻標志碼：A？搖 文章編號：1674-9324（2014）16-0040-02

“機械控制工程基礎”是機械設計制造及其自動化專業的一門重要的專業基礎課程，具有理論性強、公式推導多和內容抽象等特點，學生在學習時，經常感到枯燥、乏味。如何激發學生學習興趣、培養學習主動性，一直是授課教師所不斷追求的目標[1]。2011年，上海理工大學“機械設計制造及其自動化”專業被確定為“教育部卓越工程師教育培養計劃”試點專業。以此為契機，遵循卓越工程師“面向工業界、面向未來、面向世界”的工程教育理念，為實現教育部提出的卓越工程師培養目標，上海理工大學對“機械控制工程基礎”等多門機械專業骨干課程進行了改革，本文將從改革思路、具體方法等方面將課程改革的做法進行論述。

一、“機械控制工程基礎”課程改革的指導思想

“卓越工程師教育培養計劃”是貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010—2020年）》的重大改革項目，也是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措，旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為我國走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務，對促進高等教育面向社會需求培養人才、全面提高工程教育人才培養質量具有十分重要的示范和引導作用[2]。

“機械工程控制基礎”課程研究的問題帶有普遍性，對工程實踐具有重要的指導意義，該課程的開設對培養學生運用控制原理的基本方法，提高分析和解決各種工程問題的能力奠定扎實的理論基礎。然而，從學生的反映來看，普遍存在學習熱情不高，學習效果也不理想，教學內容抽象等問題，影響到該課程的教學質量[3]。為解決該課程教學中存在的問題，緊扣卓越計劃精神實質，提出“保證基礎，重在應用，教法先進，強調實例”的課改指導思想，進一步制訂出課程的改革方案。

二、“機械控制工程基礎”課程改革措施

1.保證基礎，重在應用，促進教學內容改革。“卓越工程師計劃”的本質是使工科教育回歸工程，面向工業界。在“保證基礎，重在應用”的指導思想下，對課程的教學內容進行了大幅改革。楊叔子主編的“機械工程控制基礎”教材是“面向21世紀課程教材”，該教材內容完整，案例經典，同時獲國家級精品課程教材和“十一五”國家級規劃教材，上海理工大學一直將該教材作為授課教材，但在機械專業課程數目增多而總授課時數卻在減少的大環境下，“機械控制工程基礎”理論學時數由48課時減少至32課時。因此，在課堂中追求大而全的教學目標顯然是不現實的，必須對內容進行精簡和整合。在保持理論框架完整的基礎上，突出工程應用的要求，對教學內容進行重組、增減。對推導過程冗長、對學生理解基礎理論幫助不大的內容去除，減少課堂單純的理論傳授比重。這樣，既能保證學生掌握完備的機械控制理論體系，滿足學生進一步深造的需求，又能使學生在減少理論的基礎上，有機會接觸到更多的應用實例，更利于學生理論聯系實際，學以致用。以教材第五章的系統穩定性為例，在新的自編教材中，弱化系統穩定性的概念和嚴謹的數學描述，而是突出系統穩定性的基本概念以及系統穩定性在工程應用中表征。系統穩定性的判定方法主要以羅斯穩定性判據和奈奎斯特判據為主，而根軌跡的講授僅限于方法的介紹。在減少純粹理論知識的同時，大幅增加教學實例，讓學生了解到所學知識的具體應用對象，增強對控制理論的感性認識，而實例的如何選擇將在下文介紹。

2.教法先進，發揮工具軟件的輔助教學功能。MATLAB是美國MathWorks公司于1984年推出的高性能數值計算軟件，現在已成為適合多學科的功能強大的科技應用軟件。MATLAB的控制系統工具箱，主要處理以傳遞函數為主要特征的經典控制和以狀態空間為主要特征的現代控制中的問題。該工具箱對控制系統的建模、分析和設計提供了一個較為完整的解決方案[4]。另外，Matlab提供方便易用的圖形用戶界面，將Matlab控制工具箱的相關功能集成一體。Matlab仿真工具箱（Simulink Toolbox）為實現實驗教學提供了一個理想的工具，師生通過Simulink，能方便地對動態系統進行建模、仿真和分析[5]。將Matlab軟件引入到“機械控制工程基礎”教學，在很多學校已做過嘗試，并取得了很好的教學效果。上海理工大學在已有成功經驗的基礎上，根據理論課程進度，將相應的Matlab知識添加到課程教學。以第三章中系統的時間響應分析為例，對照課程中的一階、二階和多階傳遞函數，利用簡單的命令，方便的實現傳遞函數對各種信號的響應仿真，并通過改變傳遞函數的參數觀看傳遞函數動態響應的變化趨勢，不僅達到一般的實驗教學難以達到的效果，工具軟件強大的“即時所得”功能使學生參加仿真實驗的積極性大大為提高。

3.面向應用，突出實例教學。按照“卓越計劃”的突出創新的要求，在“機械控制工程基礎”授課內容的每一單元后增加與授課內容緊密相關的工程案例分析，突出工程背景的應用，理論聯系實際，避免了以往課程授課中存在的理論比重偏大，學生學習興趣不高，學習效果不佳的弊端。教材每一理論章節均附3～4個與本章內容緊密相關的工程實例。實例選用的原則：應較全面的包括啟發型、認知型和設計型工程案例[1]；講述實例對象應是機械工程人員熟知應知，或對工程具有指導作用；實例內容的編寫應該注意包括如下環節：問題及發生現象簡介、問題或現象的簡要理論分析、解決問題的方法或思路等。以教材第五章系統穩定性為例，在新的自編教材中，選用了4個典型的機械工程中常見的現象或系統：金屬切削過程中的顫振現象、電液伺服系統的穩定性分析、靜壓軸承及其穩定性分析和數控機床進給系統穩定性分析。這四種現象或系統在機械工程領域應用廣泛，發生的現象或出現的問題具有普遍意義。在教材中對每一個問題的產生原理通過與穩定性原理進行結合，使學生學習時理論知識具有落腳點，更有利于掌握理論知識，其本質是將理論教學與工程實踐相結合，通過工程案例來激發學生的學習興趣，發揮學生主體性，變“要我學”為“我要學”，同時又借助工程案例來加強學生的創新和實踐能力的培養。

“卓越計劃”旨在提高工程專業創新型人才培養質量，提高畢業生的實踐能力，培養面向世界、面向未來的創業、研發型高端人才和行業領軍人物。通過課程改革和實踐，使學生在有限的教學學時內能掌握基本的理論知識，真正成為“面向工程、寬基礎、強能力、重應用”，具有學習能力、創新能力、管理能力、溝通能力、社會適應能力和工程實踐能力的“卓越工程師”。

參考文獻：

[1]袁明新，王琪，洪磊，張鵬，申燚.數字仿真在機械控制工程教學中的強化應用研究[J].裝備制造技術，2012，（4）：182-184.

[2]“卓越工程師教育培養計劃”通用標準研制[J].高等工程教育研究，2010，（4）：21-30.

[3]白麗克孜·尤努斯.“機械工程控制基礎”課程的教學法探討及幾點體會[J].科技信息，2013，（13）：159-160.

[4]薛定宇，陳陽泉.高等應用數學問題的MATLAB求解[M].北京：清華大學出版社，2008.

[5]王芳.“機械控制工程基礎”課程教學改革探討[J].西安航空技術高等專科學校學報，2008，26（5）：76-78.

基金項目：上海自然科學基金項目，基金項目編號：13ZR1427500。

作者簡介：陳光勝（1972-），男，山東廣饒人，上海理工大學機械學院，講師，博士，從事機械制造及其自動化方向研究。