一般本科院校機械控制工程基礎課程改革實踐

唐宏賓　吳康雄

摘 要 針對機械控制工程基礎課程特點，結合長沙理工大學“機械設計制造及其自動化”專業特色，從教學內容理論聯系實際及優化、實踐環節設置、教學手段、教學理念轉變等方面進行了課程改革實踐。結果表明，上述改革實踐激發了學生興趣，取得了良好效果。

關鍵詞 機械控制工程基礎 課程改革 一般本科院校 專業特色

中圖分類號：G714 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.08.019

Undergraduate College Mechanical Control

Engineering Curriculum Reform Practice

TANG Hongbin， WU Kangxiong

（College of Automotive and Mechanical Engineering，

Changsha University of Science & Technology， Changsha， Hu'nan 410004）

Abstract For "Mechanical Control Engineering" course characteristics， combined with "mechanical engineering and automation，" Changsha University of professional features， from the teaching content and optimization theory with practice， Practice， teaching methods， teaching ideas into other aspects of the curriculum reform practice. The results show that the practice of these reforms to stimulate student interest， and achieved good results.

Key words Mechanical Control Engineering; course reform; undergraduate college; professional features

0 引言

機械控制工程基礎是機械類專業的必修課，是一門非常重要的專業基礎課，在機械類專業的人才培養體系中起著承上啟下的作用。①它基于經典控制理論，結合機械工程中的實際控制應用，介紹經典控制理論的基本概念、控制系統的數學模型、頻率特性、穩定性分析、快速性分析、準確性分析及控制系統性能校正等。通過該課程的學習，使學生了解機械控制系統的基本結構和工作原理，掌握自動控制理論在機械工程中的具體應用;學會分析機械工程系統的穩定性、準確性、快速性等基本性能，掌握系統設計和校正的本方法;培養學生分析問題和解決問題的能力，為后續學習專業課以及從事相關工作打下基礎。②

機械控制工程基礎是數理基礎課程與專業課程之間的一道橋梁，課程中有大量的公式、定理、判據，涉及時間域、頻率域和復數域，課程內容較枯燥。筆者通過多年的教學經驗發現：學生感到該課程難度較大，對所學內容不易消化和吸收。這使得一部分學生在學習中的主動性變差，產生厭學情緒，從而嚴重影響到了課程的教學質量。這導致學生整個機械專業知識體系不完善，出現了中斷，從而影響了人才培養質量。因此，結合機械控制工程基礎的課程特點進行教學改革，對于提高該課程的教學質量，是十分必要的。

本文根據機械控制工程基礎課程特點，結合我校機械類專業特色，從課程的教學內容、教學手段及實驗教學等方面開展了一定的探索和研究，對于促進學生學習的主動性和學習效果有一定的參考作用。

1 我校機械類專業特色

長沙理工大學的“機械設計制造及其自動化”專業是學校的骨干專業，其起源于原湖南交通學校1956年創辦的“船舶技術管理”專業和隨后開設的“筑路工程機械”專業。1978年經國務院批準，在湖南交通學校的基礎上創辦長沙交通學院，歸口交通部直接管理。自1979年始，筑路工程機械專業面向全國招收四年制本科生。1987年長沙交通學院開設機械制造工藝與設備專業，當年開始面向全國招收三年制大專班。1996年經教育部批準，在原機械制造工藝與設備專科專業的基礎上創辦“機械電子工程”四年制本科專業。1998年，“筑路工程機械”和“機械電子工程”兩專業合并為“機械設計制造及其自動化”，設工程機械和機電一體化兩個方向。幾十年來，已培養了近三千名主要在機械和交通領域相關行業就業的畢業生，具有鮮明的機械行業和交通行業特色，形成了“立足交通和工程機械行業，傳承‘鋪路石精神;夯實基礎知識，突出機電一體化;強化工程實踐與動手能力，培養面向基層的高級應用型人才”的專業特色。

2 改革措施

根據機械控制工程基礎課程特點，結合我校“機械設計制造及其自動化”專業特色，從教學內容理論聯系實際、優化教學內容、實踐環節注重虛實結合、多樣化的教學手段、將CDIO教學理念引入教學等方面采取了措施進行了課程改革。

2.1 教學內容理論聯系實際

機械控制工程基礎所討論的問題源于工程實踐，是進行自動控制系統性能分析和設計所面臨的共性問題。隨著工業化進程的不斷加快和科學技術水平不斷提高，控制理論的應用面越來越寬，知識體系越來越成熟。但由于本課程偏重理論基礎的介紹，往往使學生在學習中對實際的控制系統缺乏感性知識，他們感到學習的內容比較抽象，和他們接觸的控制系統差距很大，影響學習效果。因此，教師在教學過程中應注重理論聯系實際。比如，講到機械控制系統的組成時，多舉一些工程機械控制系統和數控機床控制系統的實例，很容易提高學生的學習興趣。這樣既克服了該門課程的理論性和抽象性，又增加了學生的學習能動性，開闊了學生視野，從而很好地促進教學效果。

2.2 優化教學內容

機械控制工程基礎內容比較多而且也比較抽象，我校“機械設計制造及其自動化”專業培養計劃中機械控制工程基礎安排為2.5學分，40學時。由于課程知識點較多，在規定的時間難以把所有內容講完。所以，我們必須加強課程知識體系的研究，對教學內容進行優化。根據我校機械工程專業狀況，我們把課程教學內容重放在控制理論的基本概念、控制系統的數學模型、系統穩定性分析、系統快速性分析、系統準確性分析及系統性能校正等幾部分，而對于要求較高的內容，如非線性控制系統、離散控制系統系統及根軌跡法等只作簡要闡述，感興趣的學生可以在課下和老師進行交流。

2.3 實踐環節注重“虛”、“實”結合

機械控制工程基礎是一門注重實踐、實踐性很強的專業課程。實踐環節對于培養學生分析問題并運用所學知識解決問題的能力起著非常重要的作用，有利于學生工程實踐能力的提高。很多高校機械控制工程基礎的實踐環節一般借助MATLAB軟件實施，通常是上機實驗。③④然而，單純采用MATLAB軟件進行虛擬實驗，不夠直觀，與工程實際有些脫節，激發不起學生興趣，實驗效果不是很理想。為此，我們對傳統實驗方式進行了改革，采取了“虛”、“實”結合的實驗方式，一部分實驗借助MATLAB軟件平臺上機進行，同時還開設了實物實驗。學院為本課程購買了自動控制工程基礎試驗臺，可以進行控制系統的時域響應分析、頻率特性測試、校正設計等實物實驗。相對于軟件實驗，利用真實的控制器件，更能激發學生的學習興趣，提高學生主觀能動性，學生也普遍反映更加喜歡這種實驗形式，取得了較好效果。

2.4 多樣化的教學手段

機械控制工程基礎課程中的許多概念和原理等內容，學習過程中需要大量復雜的計算、分析、作圖，這使得傳統的常規的課堂授課方法很難使學生充分消化吸收。要想獲得較好的教學效果，必須對傳統教學方法進行改革，采用多樣化教學手段。為此，我們在課堂教學中采用“以多媒體教學為主，板書為輔”的方法，改變傳統“板書教學”方式。同時，針對該課程理論性強、計算復雜、繪圖工作量大的特點，將MATLAB軟件引入教學中。MATLAB軟件中有專門的控制系統分析和設計工具箱，比較容易繪制系統的時間響應曲線、Nyquist圖、Bode圖等，利用Simulink模塊可以方便地進行控制系統的性能分析和設計，獲得了良好的教學效果。

2.5 將CDIO教學理念引入教學

CDIO是構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）、運作（Operate）等四個英文單詞的縮寫，⑤代表了產品、系統或過程的整個生命周期的所有環節。CDIO工程教育教學模式的核心思想是把整個學習過程利用“工程項目”來組織，以學生在項目實施不同階段的知識需求為驅動來安排教學內容和方法。由于機械控制工程基礎這門課程系統性強，適合借助工程案例借助CDIO模式進行教學。作者針對機械控制工程基礎課程特點提出的CDIO教學模式包括四個過程：構思、設計、實施和考核。老師針對所講授的知識點結合具體的工程實例，提出了幾個適合機械控制工程基礎的“工程項目”，并力爭把本門課程的主要知識點融入到“工程項目”中。在實施過程中，把學生分成若干小組，給每個小組分配不同的“工程項目”，針對所要學習的知識點，查閱資料，進行分組討論，加深對知識的理解，并提出解決“工程項目”的具體方案。然后，合理綜合課程內容，通過綜合性實驗或模擬仿真加以驗證。最后，改革傳統考核方式，加大學生在“工程項目”實施過程中和實踐部分的考核分值，根據學生的考試成績、“工程項目”實施中的表現、實踐動手能力、創新能力等來綜合評分。

3 結語

高等教育的核心是提高人才培養質量，工程教育的目標是為社會輸送合格的工程師，這些目標的實現是要落實在具體的教學過程中。隨著自動控制技術的不斷進步，當前高等工程教育對人才培養有了更高的要求，機械控制工程基礎及其他相關課程的教學改革也應與時俱進，這就要求任課教師要樹立“提高人才培養質量”的教學理念，不斷改善教學方法，優化教學內容，精心組織教學過程，提高學生學習的主動性，使學生能夠更好地學習和掌握相關專業知識，為自身全面發展創造良好的條件。筆者從教學內容理論聯系實際、優化教學內容、實踐環節注重虛實結合、多樣化的教學手段、將CDIO教學理念引入教學等方面采取了措施進行了機械控制工程基礎的課程改革，取得了良好的效果。

基金項目：長沙理工大學2014年教學改革研究項目（JG1439）

注釋

① 鄭明軍，劉希太，王海花.《機械控制工程基礎》課程教學改革研究與實踐[J].中國科技信息，2009（6）：257-258.

② 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）：76-77.

③ 鄭明軍，劉希太，王海花.MATLAB在《機械控制工程基礎》教學中的應用探討[J].太原理工大學學報（社會科學版），2001（19）：39-41.

④ 李澤，楊歆豪.“控制工程基礎”課程教學改革與實踐[J].中國電力教育，2014（2）：109-110.

⑤ 李大勇，林海鵬，張鴻艷等.“控制工程基礎”課程教學模式的研究與探索[J].中國電力教育，2013（29）：51-52.