“機械工程控制”教學新模式探討與實踐

肖成龍

摘 要：文章指出“機械工程控制”教學中采用以多媒體講授為主的常規模式存在的不足，并提出以板書結合MATLAB仿真為主，多媒體講授為輔的教學新模式。實踐表明采用新的教學模式可極大地吸引學生們課堂上的注意力，增強學生與教師間的互動，活躍課堂氛圍，提高教學效果。

“機械工程控制”是機械專業必修的一門專業基礎課，以工程技術領域中的機械系統作為研究對象，研究其在外界作用下的動力學問題。具有理論性較強、教學內容豐富，但學時少、理論知識與機械工程實際問題的聯系不緊密等特點。近幾年筆者一直擔任該課程的主講教師，發現采用以多媒體講授為主的常規模式使學生們在學習該課程時普遍產生興趣缺乏等現象，導致了學生學習積極性差、教學效果不佳等問題。

為此，筆者對該門課程的教學方式進行改革，摒棄常規模式，采用板書結合MATLAB演示為主、多媒體講授為輔的新模式，并在教學過程中進行了實踐。結果表明這種新的教學模式較常規模式具有明顯優越性，下面筆者就以“機械工程控制”中三部分典型的教學內容作為案例，闡述這種教學新模式的具體實施過程。

一、Laplace變換與逆變換

筆者在講述該章節時，首先給學生們復習了復數和分步積分的相關知識。然后，基于Laplace變換的定義，采用板書形式導出了幾種典型輸入信號對應的Laplace變換函數，并證明了Laplace變換的一些基本性質；此外，還闡述了利用部分分式法求解有/無重極點復變函數Laplace逆變換的步驟。最后，筆者向學生們演示了如何利用MATLAB來實現時域信號的Laplace變換和復變函數的Laplace逆變換計算。

二、振蕩環節的階躍響應

筆者在講述該章節時，以振蕩環節的單位階躍響應為例，定量地評估參數ωn和ζ對響應曲線的影響規律。為此，筆者首先針對ζ=0、0<ζ<1、ζ=1和ζ>1這四種情況采用板書的形式分析了對應的傳遞函數G（s）的零極點在復平面的分布情況，并分別導出了這四種情況對應的單位階躍響應解析式；其次利用MATLAB軟件對四種情況的單位階躍響應進行仿真，觀察參數ζ對響應曲線形狀的影響規律，結合圖形對結果產生的原因進行解釋并建立曲線形狀與零極點分布之間的邏輯聯系；最后，筆者以欠阻尼情況為例，通過對ωn賦不同的數值探討ωn對欠阻尼振蕩環節單位階躍響應曲線形狀的影響。

三、頻率特性對數坐標圖的繪制

正確繪制系統頻率特性對數坐標圖是準確分析系統頻率特性和判斷系統是否穩定的前提。筆者在講述該章節的內容時，首先采用板書的方式就典型環節的頻率特性表達式進行了推導，演算各環節對應的幅頻和相頻表達式，并作出相應的頻率特性對數坐標圖。其次，結合實例針對復雜系統的頻率特性對數坐標圖的繪制步驟進行講解。最后，筆者利用MATLAB軟件演示了典型環節和復雜系統的頻率特性對數坐標圖的精確繪制方法，并與手工繪制的近似曲線進行對比分析。

筆者采用如上所述的教學模式進行了近兩年的課堂實踐，通過對比發現采用這種新教學模式可顯著提高教學效果。其原因可能有：①打破了傳統的以老師單純地講授枯燥乏味的理論知識為主導的上課模式，引入了邊學習理論知識邊在計算機上進行驗證理論的實踐環節，豐富了課堂內容；②課堂上交互式的人機界面操作和豐富多彩的動態仿真曲線極大地吸引了學生們的注意力和興趣；③增強了學生與教師之間的互動與交流，活躍了課堂氛圍的同時也拉近了學生與教師之間的距離，顯著提高了學生學習的積極性和主動性。

本文提出了一種以板書結合MATLAB仿真為主、多媒體講授為輔的“機械工程控制”教學新模式，并在實際的教學過程中進行了為期兩年的實踐。結果表明：與以多媒體講授為主的常規教學模式相比，采用這種新教學模式豐富了課堂內容，極大地吸引了學生們興趣，提高了學生學習的主動性，顯著提高了教學效果。

參考文獻：

[1]楊叔子，楊克沖，吳 波，等.機械工程控制基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

[2]陳康寧.機械工程控制基礎[M].西安：西安交通大學出版社，1997.