“虛實結合”的《機械工程控制基礎》課堂教學改革實踐

鐘志賢 楊桂華

摘 要：《機械工程控制基礎》是一門理論性很強的機械專業的基礎課程，內容抽象。教師在教學過程中普遍反應，由于抽象和強理論性，學生對課程知識的理解比較難，導致學習興趣低。通過虛實結合的課堂教學實踐，提高了學生對經典控制理論的學習興趣，極大豐富了課堂教學手段，將電子技術課程，控制理論，Matlab/Simulink有機結合起來，增強了學生對數學模型、系統分析方法、穩定性理論的感官認識，使學生對控制理論不再感到無所適從，虛實結合的課堂教學手段取得了非常好的學習效果。

關鍵詞：《機械工程控制基礎》 《電子技術》 虛實結合 課堂教學

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（c）-0097-02

《機械控制工程基礎》作為機械工程專業的一門專業基礎課，課程的主要內容包括機械工程控制論的基本概念和基本思想；如何正確建立系統的數學模型；在模型建立以后對系統性能的時域分析法與頻域分析法；系統穩定性的分析；在對系統進行分析的基礎上，針對系統的性能要求，對系統的設計與校正。《機械控制工程基礎》是將經典控制理論應用于機械工程領域的方法論。課程內容相對抽象，尤其系統理論模型建立以及時、頻域分析等，需要通過復雜的計算和變換如拉普拉斯變換，z變換等，學生缺少感官認識，教學質量難以提高[1-5]。

為提高學生對經典控制理論的學習興趣，熟練掌握系統性能的分析方法，在多年教學經驗中，總結出虛實結合的課堂教學實踐。

1 《機械工程控制基礎》教學中存在的主要問題

《機械工程控制基礎》是一門綜合性很強的專業基礎課，課程內容主要關于系統的建模與穩態、瞬態分析、穩定性分析、系統的校正等抽象概念，涉及數學知識多。雖然工程實踐性強，但學生學習時不僅需要具備扎實的工程數學基礎知識，而且還要具備很強的計算機仿真分析能力，如熟練運用matlab/simulink軟件等。但由于學生對交叉課程應用于工程實際的理解能力不足，導致了學生在學習《機械工程控制基礎》課程時無所適從[2-5]。

同時，雖然《機械工程控制基礎》是機械設計制造及其自動化、機械電子工程、車輛工程和動力工程等機械工程專業中不可或缺的理論基礎課程，但由于學生對于《機械工程控制基礎》與工程實踐的緊密關系的認識不夠，同時工程數學、電子技術等交叉課程的知識不扎實；另外高校中普遍存在的學生動手能力不強等原因，導致了學生對《機械工程控制基礎》的學習無興趣。因此在我多年的教學實踐中，感覺“難教”“難學”，教學效果不好。筆者經過多年的教學積累和不斷探索，將“虛實結合”的課堂教學方法應用于《機械工程控制基礎》的課堂教學中，取得了很好的效果。

2 課堂教學中“虛實結合”的內在涵義

“虛實結合”簡單來說就是把抽象的理論與具體的實踐結合起來。機械工程控制基礎課堂教學中的“虛”，是指經典控制理論中的基本理論，如系統數學模型中一階慣性環節、二階系統等，都有具體的數學表達式，但是對學生而言還是屬于“虛”的抽象的理論。“實”就是具體工程實踐中的實際系統，比如機械工程專業的工程實踐中哪些機械或電系統中某個環節或組件是一階慣性系統。虛實結合的課堂教學，就是將理論中的“虛”和工程實際中的“實”結合起來，將工程中的實際系統與理論數學模型結合起來，應用于機械工程控制基礎的課堂教學中。

目前的常見教學資源中，計算機已經廣泛應用于各科的課堂教學，計算機技術的應用為課堂教學中采用仿真軟件模擬工程實際中的硬件系統提供了技術保證。NI公司的Multisim軟件可以很好地將理論教學與實際硬件系統相結合，學生可以很好地、很方便地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真，把學到的電路知識通過Multisim軟件觀察時域、頻域、XY圖、對數坐標、比特誤碼率、眼圖和功率譜等電路特性。利用控制工程的理論知識，可建立所設計電路的數學模型，利用Matlab/Simulink軟件，分析該電路的時域、頻域、功率譜等特性。這樣，學生通過這兩種分析方法得到的仿真分析結果對比，很容易就理解了機械工程控制基礎課程的本質。

通過計算機技術，將“實”——電工電子技術課程中所學的實際電路系統和“虛”——機械工程控制基礎中的系統理論完美結合起來，將抽象的理論與工程實際中的具體實踐結合起來，從而將機械工程控制基礎這樣一門強理論性的課程，課堂教學中通過“虛實結合”的教學手段，將機械工程控制基礎與電子技術課程融合，可以起到貫通課程之間的聯系，提高學生的感性認識，增強課堂教學效果的良好作用。

3 “虛實結合”課堂教學方法的實例

以《機械工程控制基礎》課程中一階系統的時間響應的課堂教學為例，結合電子技術課程中集成運算放大電路的知識，建立一階系統的電路模型，采用Multisim軟件分析該電路的Bode特性，并與Matlab/Simulink軟件建立的一階系統傳遞函數Bode特性進行比較，實現“虛實結合”的課堂教學。

設一階系統的傳遞函數如式（1）所示，編輯Matlab仿真程序，分析該系統的Bode特性[6]，

（1）

結合電子技術課程所學知識，選用集成運算放大器，在Multisim中建立一階系統的電路模型如圖1所示，集成運算放大器選用3554AM，RC濾波器電路加上一個電壓跟隨電路，構成一個一階系統電路，其輸入和輸出關系為[7]，

（2）

圖1中的XBP1為Bode圖儀，該一階系統電路的Bode特性如圖2所示。

式（1）中的一階系統的Bode特性，采用matlab軟件進行分析，其matlab程序為，

Num=[1]；

Den=[0.47e-3 1]；

G=tf（Num，Den）；

Bode（G）；

式（1）一階系統的Bode特性如圖3所示。對比式（1）和式（2），圖2和圖3可知，通過機械工程控制基礎課程中的關于一階系統的傳遞函數知識，將Matlab軟件應用于機械工程控制基礎課程教學中，并在Multisim軟件中建立一階系統電路的數學模型，增設硬件無法模擬的虛擬實驗。利用Matlab仿真軟件和Multisim軟件的強大功能，在仿真環境下，可較容易地實現與模擬設備同樣效果的系統。在此基礎上分析系統的特性，完成機械工程控制基礎的課堂教學任務，使得課堂教學環節既輕松易懂，又能將其他課程知識與該課程實現融合，更便于知識的擴展和深入討論，大大提高了課堂教學的效率和質量。

4 “虛實結合”課堂教學的實現

“虛實結合”的課堂教學理念是針對《機械工程控制基礎》課堂教學中的主要難題：“難教”和“難學”，通過在教學中的不斷積累和探索，為緊密聯系抽象理論與現實的工程實際而提出來的。主要以兩個途徑實現。

（1）在課堂教學過程中，充分利用多媒體教學手段，增加《機械工程控制基礎》課堂教學的信息量，課堂教學緊密聯系工程實際實例，將抽象的理論與工程實際的形象表達結合，豐富教學內容，不但促進了學生正確理解課程內容，而且開闊了學生的視野，培養了學生的學習興趣。興趣是最好的老師，從興趣開始引導學生從“難學”到“易學”轉變。

（2）課后大作業不但可以鞏固課堂學習的知識，可以進一步是幫助學生消化學習內容的重要手段。課后大作業經過仔細設計，將《機械工程控制基礎》《電子技術》等課程的知識有機結合起來，將電路與控制系統模型結合起來，將理論知識與工程實例結合起來，將matlab軟件與Multisim軟件結合起來，將控制理論中的系統分析與電路分析結合起來，使學生在完成作業的同時，感受控制理論與工程實際的緊密聯系，理解抽象的控制理論—“虛”與工程實際的現實電路分析—“實”的一致性，引導學生從“易學”到“好學”轉變。

5 “虛實結合”課堂教學的效果

《機械工程控制基礎》課程的課堂教學中，結合《電子技術》課程中的電路知識，建立系統的電路模型，采用Multisim軟件分析電路的瞬態、穩態特性，采用Matlab/Simulink軟件建立系統傳遞函數、并分析系統的穩態特性、瞬態特性、穩定性等，并與Multisim軟件的仿真分析結果進行比較，實現“虛實結合”的課堂教學。通過一個學期的課堂教學實施，學生們從“難學”到“易學”再到“好學”的轉變，對《機械工程控制基礎》表現出了較大的興趣，能夠積極主動地學習和思考。課堂教學中的電路實例讓學生感到有興趣，學生們愿意學，積極思考課后布置的大作業，反過來促進了課堂學習氛圍，形成良性循環，實現“正反饋”。

在《機械工程控制基礎》的課堂教學中，通過“虛實結合”的教學方法，學生能夠在積極引導下，主動構建各控制環節的電路，鍛煉了動手能力和操作能力，并能夠主動查閱相關文獻資料。并且在完成大作業和課程實驗中，形成了良好的學習氛圍，學生們能很好的將電路知識與控制理論結合起來，設計實驗電路，不但增加了控制理論知識，而且將電子技術課程中的電路知識得到了很好的鞏固和提高，課堂教學改革效果顯著。

6 結語

通過“虛實結合”的課堂教學實踐，提高了學生對經典控制理論的學習興趣，極大的豐富了課堂教學手段，將電子技術課程，控制理論，matlab和Multisim軟件有機的結合起來，增強了學生對數學模型、系統分析方法、穩定性理論的感官認識，使學生對控制理論不再感到無所適從。“虛實結合”的課堂教學手段取得了非常好的學習效果，課堂教學中深受學生歡迎。

參考文獻

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[3] 趙轉哲，許德章，裴九芳，等.《控制工程基礎》課程的教學改革實踐[J].科技創新導報，2013（9）：200-202.

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[6] 楊叔子.機械工程控制基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

[7] 姜橋.電子技術基礎[M].北京：人民郵電出版社，2009.