機械控制工程基礎課程的教學模式改革與研究

黃文怡++劉天祥+李寶玉+戶春影+代洪慶

摘要：文章針對機械控制工程基礎課程的特點，如內容抽象、概念繁雜、涉及廣泛、實用性較強、課時較少等，深入研究如何改變傳統教學模式，引入多媒體等教學手段，進行教學體系改革，增強學生對理論知識的理解能力及解決工程實際問題的能力。

關鍵詞：機械控制工程基礎；教學改革；教學研究

《機械控制工程基礎》是高等院校機械設計、機械電子等專業的必修課程，也是許多高校機電類專業的考研專業課，是對專業基礎課及高等數學、電學、力學等知識點的匯總。現階段，我國的高等教育改革正在不斷深入，工業技術發展迅速，知識更新周期不斷縮短。在高校教育中，主要著重于培養具有扎實的基礎、廣泛的知識面、高素質、高能力、適應性強、具有創新能力的人才。本文結合《機械控制工程基礎》的教學實際情況，依據課程的性質與特點，通過分析在教學過程中存在的問題，對《機械控制工程基礎》課程的教學改革方法進行研究。

1 課程性質與特點

《機械控制工程基礎》作為一門工業實踐性很強的課程，除要求學生掌握基本原理之外，更應該使學生能夠以動態的觀點來認知一個機械控制系統，以看待一個整體的角度從信息的傳遞、處理與反饋這三大要素來分析系統的動態性能，能夠結合工程實際，應用控制理論中的相關原理對實際系統進行分析研究。

《機械控制工程基礎》將高數、力學等基礎課程與機械專業課程聯系起來，既是一門理論性很強的課程，課程內容比較抽象，學生學習較為吃力，又是一門理論與實際緊密聯系的課程，包含的信息較多，工程的發展較快，教師很難系統、全面地講授。本科院校學生在學習課程時，主要是由教師進行理論講授，然后進行閉卷理論考試。而傳統的教學模式更是只注重理論教學，實驗環節很少甚至沒有，教師將公式定理講述給學生，學生只是學會了使用公式、定理，卻對其所表示的實際意義知之甚少，理論與實踐嚴重脫節，使學生對其理解流于表面，大大限制了學生思考的主觀能動性和應用實踐的能力。

2 教學過程中存在的問題

2.1 內容繁雜導致學生掌握起來比較困難

由于課程的系統性及理論性較強，課程內容比較抽象，涉及知識面較廣，包含了許多數學方面的知識，如微積分、復變函數、線性代數等，對學生基礎知識的掌握要求較高，尤其是復變函數，很多專業并未開設這門課程或選修此課，學生對這方面不夠重視，基礎知識掌握程度不高。這就要求教師提前講授一些相關內容，如拉氏變換就是學習控制工程的必備基礎，需額外占用學時，但是專業課程學時本就緊張，對于本課中繁雜的教學內容更加捉襟見肘。

2.2 理論與實踐嚴重脫節

以往《機械控制工程基礎》課程內容比較側重于理論研究，多是一些數學公式推演，課程內容比較陳舊，很少有與現今社會工程實踐中控制理論的發展相結合的內容。板書式教學也大大限制了教學內容，課程只能介紹一些經典控制理論的內容，這部分的知識大多適合在板書上講授，經典控制論主要適用于一些單輸入、單輸出的線性定常系統，比較容易進行理論推導，對現代控制理論只涉及到一小部分，但這些內容對生產實際中控制系統的研究是很難滿足的。

2.3 實驗環節的不足

一般院校的機械專業設置都偏向機械設計及制造方向，只有少部分偏向機械電子方向，所以對課程設置不夠重視。而對于生產實際來說，各行各業的自動化程度都是越來越高的，機械控制理論的實用性也越來越強，對學生日后的工作學習有很大的幫助，這也導致課程對于實驗環節的需求量大大提高。

2.4 學時太少，與教學內容不符

在高校教育中，大多數的專業課程都存在著教學內容太多而課時太少的矛盾，本門課程尤為嚴重，一般只有40～50學時，這些時間單單用來講授課程中繁雜的基礎知識就已經很勉強了，還要在其中穿插相關實驗課程，尤其很多專業沒有開設過積分變換的相關課程，教師還要將這部分內容額外講述，導致本來就已經不足的學時更加捉襟見肘。

3 教學改革方法的研究

3.1 選擇適合本校教學情況的教材

教材是教師和學生之間聯系的重要紐帶，是學生學習的重要工具，教材的內容既要包含本門課程的基本理論知識，也要符合本專業培養的目標與原則。因此，在選擇教材時需要充分考慮教材的知識結構、教師講授課程的方法、學生對教材內容的接受程度以及教材的難易程度等。基于本專業的培養方向偏向于機械設計及制造，沒有開設過《積分變換》《復變函數》等相關課程，學生對拉普拉斯變換的相關內容十分陌生，在選取教材時要優先選擇帶有拉普拉斯變換章節內容的書籍，以便學生彌補相關內容。

3.2 強化基礎，合理安排教學進程

本門課程的系統性很強，前后內容相關，所以就要求教師要善于整理，幫助學生融會貫通。如穩定性、準確性、快速性是評價系統性能的重要指標，通過時域分析、頻域分析和穩定性分析的學習，可以對這幾項指標進行分析計算，在系統進行綜合設計時滿足其性能要求。控制理論中需要掌握的知識點較多，并且這些知識點在教材中較為分散，而彼此之間又有一定的聯系，教師在講授某個知識點時要將與其相關聯的已經學習的知識點做一個簡單回顧，以便學生將前后內容連貫起來。如在傳遞函數中介紹的幾種典型環節，它是頻域分析中的重要基礎，在講授頻域分析時就需要將其重新介紹以加深印象。

3.3 采用多樣化的現代教學工具，豐富課堂內容

《機械控制工程基礎》是一門理論性很強的課程，利用現代教育技術和工具進行教學，制作生動直觀的電子課件，形成以黑板、教學模型、計算機多媒體、掛圖及實物等多樣化教學工具相結合的授課方式。

《機械控制工程基礎》包含的很多內容都需要進行復雜的計算步驟和畫圖過程，花費了大量的時間。如函數方框圖的化簡、伯德圖和奈奎斯特圖的繪制等，有時還需大量的彩色粉筆作圖才能清楚體現出來，浪費時間和精力，也很難集中學生的注意力。如果利用多媒體電子課件的動畫效果，使圖形能夠按照繪圖的步驟一步一步地展示給學生，既清晰又生動，大大激發了學生對課程學習的熱情和興趣。合理利用多媒體等現代教育工具可以節約時間，提高教學效率，將繁多的教學內容用多媒體形象生動的表現出來，提高教學質量，加強教學效果，還可以將課程相關學科的一些發展現狀補充進去，做到“與時俱進”。

3.4 引入MATLAB 軟件進行仿真實驗

《機械控制工程基礎》課程是一門應用性很強的學科，學生單純地掌握理論內容是遠遠無法達到課程學習的目的，必須將理論應用到實踐中，通過實踐對理論的理解進行進一步的檢驗，這對學生學習的積極性和創造性是十分有利的。隨著計算機的普及，學生對使用計算機軟件進行仿真實驗興趣越來越大，因此，將MATLAB仿真引入實驗教學中是非常必要的，可以使實驗課程從傳統的利用實驗箱進行演示性實驗，發展成為具有驗證性、創新性、設計性實驗。在實驗過程中，由教師給出實驗要求和實驗目的，學生自行編制相關的MATLAB語言程序，之后再進行調試，直至完成實驗。

MATLAB是一個精度較高的計算語言，經常用于工程科學計算中，可在一個較為容易使用的環境中將計算可視化和軟件編程緊密結合。MATLAB軟件是進行控制系統分析及設計的常用工具，Simulink就是其中一個重要的組件，提供了圖形化的用戶界面及動態系統建模、分析和仿真的集成環境。運用Simulink 模塊進行仿真設計，可以使學生學習到將系統與動態方程相關聯。如單位階躍系統的一階時間響應、二階時間響應、系統穩定性分析、系統頻率特性圖的繪制、系統的根軌跡的繪制等都可以作為實驗內容進行仿真實驗。并且MATLAB作為最常用的控制系統計算機輔助設計軟件，應用是極其廣泛的，學生在實驗過程中可以更好地掌握這種現代模擬軟件設計工具。

4 結論

通過對《機械控制工程基礎》課程教學改革，引入了MATLAB仿真軟件進行虛擬實驗，大大彌補了課程中實驗環節的缺失。采用多樣化的教學手段，調動了學生學習的積極性和主觀能動性，培養了學生分析解決實際工程問題的能力和創新設計能力，提高了教學質量。

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