“機電控制工程基礎A”教學改革探討

徐曉惠 徐延海 蔡云 唐嵐

摘要“機電控制工程基礎A”是面向車輛工程專業的一門專業學科基礎課。筆者結合自身教學經驗和學生專業背景，通過現有教學情況和車輛工程專業認證需求，秉承“以學生為中心，以需求為導向”對該課程進行了相關教學分析和改革。通過學生的問題反饋并借助考核結果找到問題所在，為課程教學改革和教學效果優化指明方向。

關鍵詞 機電控制工程 車輛工程 改革 以學生為中心

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.23.039

Discussion on the Teaching Reform of the Course of"Fundamentals of Electromechanical Control Engineering A"

XU Xiaohui， XU Yanhai， CAI Yun， TANG Lan

（School of Automobile and Transportation， Xihua University， Chengdu， Sichuan 610039）

AbstractThe course "Fundamentals of Electromechanical Control Engineering A" is a basic course of professional discipline for vehicle engineering professional. Combining with our teaching experience and professional background of students， we perform related teaching analysis and reform of the course through the existing teaching conditions and vehicle engineering professional certification requirements， which take the student as the center and the demand oriented. By means of the problem feedback of students and the results of the appraisal， we find the solutions to show clearly direction for both teaching reform and teaching effect optimization.

Keywordselectromechanical control engineering； vehicle engineering； reform； take the student as the center

0引言

自從《控制論》這一偉大著作問世以來，自動控制理論便作為一門基礎學科滲透到各個機電類專業領域，因此各高校將控制基礎理論成為相關專業的學科基礎課勢在必行。[1-2]此外，隨著工程教育專業認證的高重視度和認可度，我校2018年也成功申報了車輛工程專業認證資格。因“機電控制工程基礎”和“建模與仿真基礎”兩門課程合并原因，使得本門課程對專業認證的支撐度在2級指標點中所占權重總和由原來的0.4變為0.8，其重要程度可見一斑。本文首先對課程進行了簡介；然后根據筆者所在課程教學小組近年來對課程的教學方法的探究和學生學習動態，提出了近期教學方法和考核方法的改革策略，為課程教學的深化改革和優化教學效果指明方向。

1課程簡介

“機電控制工程基礎A”是車輛工程專業的學科基礎課程，共40學時，其中理論學時為28個，實驗學時為12個。課程的目的在于使學生掌握機電控制系統建模、分析及設計等相關的理論知識。通過本課程的學習，為學生的后續學科基礎課（如汽車測試技術基礎）、專業課（如汽車動力學分析）、汽車電控課程設計和畢業設計（要求對電控系統進行動力學仿真）等奠定系統分析與設計的理論基礎。

根據畢業要求指標點的對應關系，該課程設立了4個教學目標，分別為：（1）要求學生掌握控制工程基礎中的基本概念、基本原理和基本方法，構建力學、電學等研究對象的系統數學模型；（2）掌握分析與描述控制系統的性能指標，進行系統設計方案驗證，具有針對簡單連續機電控制系統進行定性分析、定量估算和初步設計的能力；（3）培養學生綜合運用相關軟件對機電控制系統進行初步計算與系統分析的能力，能夠構建研究對象的相關實驗系統；（4）能夠利用相關基礎理論證明和解釋實驗結論的合理性與有效性，培養學生的工程素質及實際工程問題解決的能力。

本課程教學通過以課堂講授為主，結合上機、作業共同實施完成教學。以考核學生對課程目標的達成為主要目的，以檢查學生對各知識點的掌握程度為重要內容，最終課程成績包括四大部分，分別為平時作業成績（10%）、期中考試成績（10%）、上機實驗（20%）、期末考試成績（60%）。

2教學改革措施

2.1課程合并的必要性

本校“建模與仿真基礎”這門課程是從2015級-2018級的車輛工程專業學生的限選課程。開設該課程的目的使得學生通過計算機軟件建立動態系統模型，進而了解系統仿真與分析的基本步驟和思想，培養學生以MATLAB/Simulink為工具解決較為簡單的實際工程問題。[3]該課程開設在大二第一學期，也就是開設在“機電控制工程基礎”課程的前面。本課程共32學時，其中實驗學時為24個，它是“機電控制工程基礎”課程的軟件操作基礎和建模基礎。

在“建模”課程實驗過程中，當涉及基礎的數學運算時，比如矩陣的運算、繪制函數繪制曲線、搭建Simulink模型等，學生可以根據提示較好地完成實驗。然而，涉及給出一個具體動力系統（典型的質量-彈簧-阻尼-系統），要求學生分析系統搭建微分方程、并通過M語言和搭建Simulink模型兩種形式繪制系統的單位階躍響應曲線時，多數學生束手無策。原因在于：（1）不理解具體動態系統的微分方程建立過程；（2）不清楚如何根據微分方程如何求傳遞函數；（3）不明白響應曲線結果的意義是什么，無法判斷曲線的對錯。這三部分知識點均為“機電控制工程基礎”中數學模型和系統的時間響應分析兩大模塊的知識點，需8個學時才能完成的教學內容。通過四年的教學效果分析和思考，最后將“建模與仿真基礎”和“機電控制工程基礎”兩門課程進行合并，在“機電控制工程基礎A”中增設了4個理論學時講解MATLAB/Simulink軟件的操作，并增設了4個實驗學時MATLAB/Simulink鍛煉學生的軟件操作能力。經過2021年上半年對2019級車輛工程專業學生的教學，學生的反映和實驗結果均令人滿意。

2.2理論教學與實驗內容的融合

建模和機電兩門課程合并后，除了需要為學生講解軟件操作外，多數實驗內容輔助學生對授課知識點的認知而服務。在以往教學時，因涉及協調實驗室預約、學生空余時間和教師空余時間等多因素，往往實驗課在所有授課內容結束后才進行。這種方式一方面不利于學生對所學知識點的實時強化，另一方面不利于學生高質量的完成實驗報告，最終導致教學效果不佳。2021年度上學期授課過程中，筆者所在教學小組采用了將理論教學與實驗內容相融合的方式進行展開，該過程通過知識點一階系統響應的性能指標的講解流程進行解釋，具體如圖1所示。通過理論知識和實驗操作的同時進行，使得學生可以清晰的看出理論知識點和實驗結果的一致性，以及如何利用理論知識點驗證實驗結果。此方式不僅強化了學生對知識點的理解，同時在書寫實驗報告時不會出現“不知道寫什么？”和分析邏輯混亂的情況。

2.3平時作業考核方式的多樣化

本門課程是一個數學性較強的課程，學生經常會迷惑所學知識究竟是控制理論還是多門數學的綜合。[4]學生即便明白了控制的原理和相關解題過程，但因數學計算能力的差異對該課程產生畏懼，甚至放棄學習，最后導致課程考核結果參差不齊，課程分數兩極分化較為嚴重。為了在教學過程中積極調動學生學習的積極性，只要采用以下3點：

（a）本門課的作業幾乎都是計算分析題。以往布置作業后并未給出答案，學生作業情況極為不佳。經思考后，本期授課時布置作業后實時給出最終計算結果。這樣，學生做題有目標感，發現錯誤后及時糾正，解題過程“正確率”極大提高。

（b）利用課堂提問和課間抽查方式，采用不定期“面試考核重要知識點方式”督促學生學習，該方式有效提高了學生上課的注意力和課后復習的力度。

（c）限于時間壓力和學生人數多壓力，方式（b）很難兼顧到所有學生，效果是局部的。因此采用課堂隨堂測試的方式彌補方式（b）。通常，在重要知識點階段性結束后，在授課前或接近下課時，利用10分鐘左右對學生進行隨堂小測試，允許翻閱教科書或者和同學討論。通過學生之間的互動來檢閱知識點的掌握和糾正，該方式彌補了部分同學被動吸收知識和知識零碎化問題。

2.4考試題目的變革

以往考試過程中，試卷題目偏向重視題型的多樣化和計算量，以及對每章重要內容的覆蓋面。本年度采用了重概念、重基礎、重靈活性的方式進行了試卷考核。從考試結果來看，學生對知識的掌握存在以下問題：

基礎概念不清晰。例如：在簡答題中，往年給出一個最小相位系統的Bode圖，要求學生在圖上標注出與穩定裕量相關的重要概念（如增益交界頻率、相位交界頻率、幅值裕量、相位裕量），半數同學以上可以在給定的圖中正確標記出來。本年要求學生自己通過繪制一個Bode圖示意圖，標記出以上相關概念，僅有極少量學生可以標記出來，說明學生對概念理解不到位。

關聯性不夠。例如，在計算題中，給出一個系統的單位階躍響應的表達式，要求學生求出該系統的單位脈沖響應。題目本身只需要將單位階躍響應求導即可得到答案。部分同學是通過求出閉環傳遞函數，再進行拉普拉斯反變換求出單位脈沖響應。雖然思路可行，但計算量非常大，導致失分非常嚴重。

靈活性不夠。例如，在考核方框圖化簡時，往年不給出具體環節，只給出方框里的符號，即便方框較多且環路之間存在交叉時，學生此題的得分率較高。本年度給出的總體方框圖較往年簡化很多，方框里給出具體的典型環節表達式，題目考核的知識點相同，僅形式上做出改變。此外，本題通過梅森公式法可以快速提前預知計算結果。然而，本題卻成為所有計算題中學生失分最高的題目，學生或放棄解答抑或計算結果不對。

基于以上分析，今后在授課過程中，通過各種教學手段、作業布置和實驗來強化學生對基礎概念的理解、授課內容知識點的串聯以及題型的靈活度掌握、是十分必要的。

3結語

本文基于筆者在“機電控制工程基礎A”課程的多年教學實踐，通過分析該課程的教學目標，提出了課程考核要求和方式。通過采用理論與實驗的課堂融合、平時考核的多樣化以及考試題型的重概念、重基礎和重靈活性，提出了在教學過程中學生存在的問題及教學舉措。筆者希望本文可以為相關課程的教學改革和教學優化起到一定的指引作用。

基金支持：四川省高等教育人才培養質量和教學改革項（No. 05020665），汽車服務工程教學團隊（No. RC2100001767），《汽車測試基礎》四川省省級一流課程（No. RC2100001384），西華大學教師師資支持計劃（No.20150018），西華大學課程思政建設項目（2020年），西華大學汽車與交通工程實驗教學團隊建設項目（2020年）

參考文獻

[1]吳炳勝，荀杰.機電工程控制基礎[M].第1版，北京：冶金工業出版社，2011.

[2]楊繼斌.“能源與動力工程控制基礎”課程教學改革探討[J].科教導刊，2020（19）：137-138+147.

[3]熊慶，徐延海，彭憶強，等.“建模與仿真基礎”課程教改探討[J].科教導刊，2017（34）：118-119+125.

[4]張煥梅.機電控制工程基礎教學方法探討[J].大學教育，2017（08）： 73-75.