基于案例教學法的控制工程基礎課程教學研究

廖生溫 王玉勤

摘 要 文章先分析控制工程基礎課程在教學中存在的問題，然后將5個具體案例穿插在各個章節(jié)，將課程知識點串起來系統(tǒng)地講述控制系統(tǒng)的建模、分析與設計校正的過程。并在課程理論與實踐教學中引入Matlab，使教學與仿真實驗緊密相結合，能更好地激發(fā)學生學習控制工程的積極性，同時還提高了學生綜合應用計算機進行系統(tǒng)設計、仿真實驗和解決實際工程問題的能力具有良好的效果。

關鍵詞 控制工程基礎 案例 控制系統(tǒng)中圖分類號：G424文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.04.043

Abstract The article first analyzes the problems existing in the teaching of the basic course of control engineering， and then intersperses five specific cases into the chapters， and links the course knowledge points to describe the process of modeling， analysis and design correction of the control system. In addition， Matlab is introduced into the course theory and practice teaching， so that teaching and simulation experiment are closely combined， which can better stimulate students' enthusiasm in learning control engineering， and also improve students' ability to comprehensively apply computer to conduct system design， simulation experiment and solve practical engineering problems.

Keywords control engineering foundation; case; control system

“控制工程基礎”是機械大類專業(yè)學生一門非常重要的專業(yè)基礎課程，在機械工程學科課程建設中起著承上啟下，是工程數(shù)學理論與實踐相結合的作用。課程在機械控制系統(tǒng)中以現(xiàn)代經典控制理論為基礎，對系統(tǒng)的建模、分析、設計與校正的相關理論知識進行闡述，解決實際工程技術問題的一門課程。同時，該課程對提高學生創(chuàng)新性思維和分析解決工程問題的實際應用能力具有十分重要的意義。由于“控制工程基礎”課程的理論性強，同時還涉及高等數(shù)學、大學物理、電工學、機械設計等其他學科的知識，是一門具有一定難度和深度的專業(yè)基礎課程，理論知識理解起來十分抽象，因此要求學生具有扎實的學業(yè)功底和較強的抽象思維能力。對學生的知識儲備要求較高，且學起來有一定的難度性。在課程教學中根據學校定位和專業(yè)人才培養(yǎng)目標的實際情況采用案例教學法是應用廣泛且有效的教學手段，在授課中可以加深學生理解掌握課程相關理論知識和提高解決工程實踐實際問題的能力。

1 控制工程基礎課程教學中存在的問題

1.1 “控制工程基礎”課程中理論與實踐相結合不夠緊密

由于控制工程基礎課程是以經典控制理論為基礎側重于理論研究，故其理論性與系統(tǒng)性較強，概念內容較抽象，涉及知識面廣，公式比較多等特點，因此要求學生掌握的相關知識基礎較高。而在整個課程教學內容里除了在數(shù)學模型的章節(jié)中，涉及到一些簡單的工程系統(tǒng)以外，在其它章節(jié)中很少有與實際的工程系統(tǒng)在實踐中控制理論發(fā)展相結合的內容，且內容也比較陳舊。而由于課程理論知識的抽象性，授課中學生也沒有實際操作，學生會對學習該課程的目的、用途及如何應用知識解決實際工程實踐問題產生疑問。為此，教師在授課中要選擇合適的教材以外，還可以根據所教專業(yè)的特點結合一定量的實際控制系統(tǒng)案例進行講解，能讓學生從感官上意識到對學習課程的重要性和實用性，從而提高學生學習該課程的興趣與積極性。

1.2 “控制工程基礎”課程教學模式較單一

教師在控制工程基礎課程教學手段普遍是板書傳統(tǒng)教學或者多媒體教學。而作為理論性較強的控制工程基礎課程，這兩種教學手段難以發(fā)揮出各自的優(yōu)勢，“板書”教學對容易使課堂變成對數(shù)學公式的推導，教學變得枯燥無味，學生注意力也不易高度集中，而多媒體教學容易使部分學生的思維跟不上教學進度，課堂知識也較難以消化。同時，學生可以從互聯(lián)網資源中獲取該課程大量的學習資料，如果教師在教學過程中只是照本宣科，公式推導，就會使學生的學習熱情不高，課堂教學變得乏味。而對問題的求解授課教師多是增加例題的形式來吸引學生的注意力，加深對該理論知識的認識。

1.3 學生學習該課程積極性不高

控制工程基礎課程具有理論嚴謹、系統(tǒng)性強、概念抽象、涉及數(shù)學知識面廣泛、學科交叉明顯等特點。對課程的重要性學生在學習出普遍能意識到，學習該課程的熱情與積極性也較高。可隨著課程的推進，理論公式推導較多，各學科知識之間交叉明顯，而對相關的課程基礎知識掌握學生往往不牢固，從而導致學生在學習時困難重重，學習熱情與積極性下降。另外還有相當一部分學生對“控制工程基礎”課程在認識上存在誤區(qū)，認為自己將來就業(yè)及深造與該課程的關系不大，也會導致學生在學習該課程時積極性不高。

2 教學改革的思路

2.1 結合工程實際應用，使理論與實踐相結合

學生學習改課程教學的最終目的是用所學的控制理論知識來解決機械工程實際問題的能力。而在教學中適當增加工程實際案例的應用，做到理論與實踐相結合，教師可以鼓勵和指導學生參加機械類相關的學科競賽活動（如機械創(chuàng)新設計大賽，工程訓練大賽，飛思卡爾智能車大賽，機器人大賽等），也可以讓部分學生參與到該領域相關的科研項目中，培養(yǎng)學生對科學研究的興趣和利用所學知識解決實際問題能力，達到理論與實踐相結合。同時為適應專業(yè)的發(fā)展，可以聘請本學科領域的專家舉辦科研講座，讓學生對控制領域的最新研究成果能更好地了解，豐富完善學生的實踐內容和知識體系。

2.2 改進教學模式，提高課堂教學質量

控制工程基礎課程在授課過程中要改變以往教師在課堂上滿堂灌，學生在下面聽的填鴨式教學方式，合理多利用多媒體和網絡教學等手段，使新媒體與傳統(tǒng)教學手段更好地結合。

并在授課中每章最后進行簡要介紹MATLAB軟件在該章節(jié)的應用，這樣可以使教學內容更生動直觀，學生對相關理論知識更容易理解和掌握，并且可以給學生布置與之相關的課后作業(yè)通過MATLAB軟件來完成，從而提高學生學習使用MATLAB仿真軟件，充分調動學生學習的主動性和積極性。同時通過融合新媒體教學手段，將控制工程學科最新的研究成果和內容相對應地補充到教學內容中去，提高學生對該課程學習的熱情與興趣，達到提高教學質量的目的。

3 教學改革的具體內容

在案例選取時教師要根據授課學生的專業(yè)，并且需要選擇教師熟悉的相關工程系統(tǒng)，最好是專業(yè)教師在教學中自己研發(fā)的工程實例。在授課時對這些工程中的控制問題進行簡要介紹并提供相對應的解決思路，這樣可以達到很好的教學效果，否則將直接影響到課堂的教學效果。在教學環(huán)節(jié)中，教師講授時以控制系統(tǒng)數(shù)學建模、分析、設計與綜合校正為主線，在以時域分析、穩(wěn)定性分析、根軌跡分析和頻域分析作為輔助來開展。并在理論與實踐教學中引入MATLAB軟件仿真，可以簡化公式推導，降低控制理論的抽象性。在這個過程中理論知識與工程實際應用緊密相連和貫通，能加深學生對理論知識的理解與掌握，更能有效的提高學生對知識的綜合運用能力。

本研究建立了控制工程基礎案例庫，第二章選取的案例是汽車半主動懸架模型，是汽車在凹凸不平路上行駛時承載系統(tǒng)的簡化力學模型，可抽象成質量—彈簧—阻尼系統(tǒng)的力學模型。把路面的高低變化形成激勵源作為輸入位移，造成汽車的振動和輪胎受力。汽車車體可以作為一個彈簧阻尼系統(tǒng)，輪胎的垂直受力可看作為一個彈簧。

第三章控制系統(tǒng)的時域分析，以火星漫游車驅動系統(tǒng)和哈勃太空望遠鏡驅動系統(tǒng)兩個實例作為案例。先用結構框圖和信號流圖梅遜公式等效方法進行建模，之后用勞斯穩(wěn)定判據判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對其總輸出與誤差函數(shù)用結構圖等效變換方法求解，最后，利用MATLAB軟件仿真，求出其控制系統(tǒng)的性能指標和相關誤差參數(shù)。

第四章根軌跡分析法，選X-Y繪圖儀控制系統(tǒng)作為案例，利用MATLAB軟件仿真，通過調整系統(tǒng)偏差信號的增益和速度信號增益，使系統(tǒng)的階躍響應的超調量、調整時間和穩(wěn)態(tài)誤差滿足設計要求。

第五章頻域分析法和第六章控制系統(tǒng)的綜合與校正，都是選激光操縱控制系統(tǒng)作為案例，利用頻域分析法對控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻域響應特性可以根據系統(tǒng)的開環(huán)頻域特性圖形來求解，同時對控制系統(tǒng)的性能影響的相關參數(shù)及環(huán)節(jié)進行判別，從而修改控制系統(tǒng)使之滿足系統(tǒng)所要求的性能指標。

通過這些實例把控制工程基礎的各方面知識進行形象化展示與講解，既可以提高學生學習的興趣與積極性，又可以為學生的自主學習提供方便，從而提高解決實際工程實踐能力，達到理論與實踐相結合。

4 結束語

綜上所述，通過案例教學法在控制工程基礎課程中的實踐，學生對課程中的抽象內容更容易理解和掌握，激發(fā)學生學習興趣。課堂的教學內容與理論知識聯(lián)系緊密，改善了教學效果，提高學生聽課效率和對知識的綜合實際應用能力，促進學校教學水平的提高。另外教師在授課授課時引入MATLAB提高學習興趣，進而培養(yǎng)出具有扎實專業(yè)技術基礎、綜合工程系統(tǒng)能力和良好團隊協(xié)作能力的當代應用型人才，為學生后續(xù)課程學習和科研打下基礎。

巢湖學院校級特色專業(yè)項目“機械設計制造及其自動化”（項目編號：ch17tszy01）

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