基于產(chǎn)出導(dǎo)向的“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)體系改革及實(shí)踐

李小虎 王朝暉 郭艷婕 張進(jìn)華

[摘 要] 針對(duì)“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”課程理論內(nèi)容多、與實(shí)際工程結(jié)合難等問(wèn)題，嘗試對(duì)該課程進(jìn)行改革。首先確定“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”的教學(xué)目標(biāo)、思路和內(nèi)容，其次提出理論知識(shí)與科研項(xiàng)目、工程實(shí)踐相互印證的多元教學(xué)方法，最后建立以學(xué)生培養(yǎng)達(dá)成度為目標(biāo)的機(jī)械控制工程教學(xué)評(píng)價(jià)體系，形成以提升學(xué)生綜合能力為導(dǎo)向的課程拓展創(chuàng)新環(huán)節(jié)。通過(guò)該課程教學(xué)改革的初步嘗試，培養(yǎng)了學(xué)生在實(shí)際機(jī)械工程中的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力。

[關(guān)鍵詞] 機(jī)械控制;教學(xué)改革;教學(xué)目標(biāo);教學(xué)評(píng)價(jià)

[基金項(xiàng)目] 2020年度西安交通大學(xué)名課程、思政課程建設(shè)項(xiàng)目，新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“智能制造對(duì)新型工程科技人才的培養(yǎng)需求及對(duì)策研究”;2017年度教育部產(chǎn)學(xué)合作育人項(xiàng)目“以產(chǎn)品研發(fā)工程鏈的機(jī)電類(lèi)項(xiàng)目式實(shí)踐教學(xué)方法研究”（201702008021）;2017年度科技部創(chuàng)新方法工作專(zhuān)項(xiàng)“多層次多模式的高校創(chuàng)新方法人才培養(yǎng)體系建設(shè)與示范”（2017IM030100）

[作者簡(jiǎn)介] 李小虎（1976—），男，江西萍鄉(xiāng)人，博士，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，主要從事復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)優(yōu)化控制研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] TH165 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）49-0052-04 ? ?[收稿日期] 2021-06-26

一、引言

2016年6月，我國(guó)正式加入華盛頓協(xié)議，標(biāo)志著我國(guó)高等工程教育與國(guó)際接軌。協(xié)議規(guī)定了大學(xué)人才培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求等多個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)要求大學(xué)的課程架構(gòu)、教學(xué)與評(píng)價(jià)要圍繞這些規(guī)定的環(huán)節(jié)來(lái)開(kāi)展[1，2]。“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”是西安交通大學(xué)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的必修核心課程之一，學(xué)生對(duì)課程中的系統(tǒng)、模型、反饋、控制等重要概念理解不深，與實(shí)際機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)系的思維缺乏，導(dǎo)致難以在今后的實(shí)際工作中將本課程的理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合[3-8]。因此，本文擬從產(chǎn)學(xué)導(dǎo)向理念出發(fā)，結(jié)合理論與實(shí)際對(duì)“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革進(jìn)行闡述，構(gòu)建實(shí)仿結(jié)合、機(jī)控一體的教學(xué)體系，旨在培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械工程思維、機(jī)械控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力等，滿足智能制造對(duì)機(jī)械類(lèi)學(xué)生素質(zhì)和能力的要求。

二、課程目標(biāo)及要求

本課程的主要任務(wù)是通過(guò)課堂教學(xué)、計(jì)算機(jī)軟件模擬、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等教學(xué)方式，使學(xué)生掌握實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)控制的基本理論;學(xué)會(huì)典型機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、運(yùn)行性能分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、校正與補(bǔ)償?shù)然局R(shí)和基本技能;具有最基本的機(jī)電控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)能力，以及對(duì)機(jī)械控制問(wèn)題進(jìn)行分析、求解和論證的能力。具體指標(biāo)如圖1所示。

三、教學(xué)思路及內(nèi)容

（一）教學(xué)思路

為使學(xué)生能夠?qū)?shí)踐與仿真、機(jī)械與控制等知識(shí)結(jié)合理解，提出以下教學(xué)思路：

1.機(jī)、電結(jié)合。踐行課程的教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合具體機(jī)電控制系統(tǒng)（如智能機(jī)器人系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床絲杠導(dǎo)軌系統(tǒng)等）進(jìn)行講解。

2.注重仿真與理論教學(xué)的同步，對(duì)教學(xué)內(nèi)容中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)輔以計(jì)算機(jī)分析和設(shè)計(jì)手段，選用MATLAB或LabVIEW等編程與分析。

3.緊密結(jié)合學(xué)科前沿知識(shí)，突出知識(shí)體系的系統(tǒng)性、完整性，增加現(xiàn)代數(shù)字控制和智能控制理論等的介紹。

4.重新規(guī)劃課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)面向機(jī)械領(lǐng)域的典型對(duì)象，并與課堂教學(xué)內(nèi)容相對(duì)應(yīng)。

（二）教學(xué)內(nèi)容

“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程教學(xué)內(nèi)容包含理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、仿真教學(xué)及課外拓展，具體教學(xué)內(nèi)容如下。

1.理論教學(xué)內(nèi)容。理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)置了40個(gè)學(xué)時(shí)，主要介紹機(jī)械控制工程的基本概念、機(jī)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、機(jī)電控制系統(tǒng)的時(shí)域分析、機(jī)電控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、根軌跡方法及校正、系統(tǒng)的頻域分析和機(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正。

2.仿真教學(xué)內(nèi)容。仿真課外操作教學(xué)設(shè)置了8學(xué)時(shí)，圍繞各章教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容，介紹Matlab計(jì)算機(jī)控制仿真分析軟件，并指導(dǎo)學(xué)生上機(jī)操作。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，設(shè)置了16學(xué)時(shí)的課程實(shí)驗(yàn)，包括：（1）基于直流伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制與校正實(shí)驗(yàn);（2）基于比例電磁鐵的直線運(yùn)動(dòng)控制與校正實(shí)驗(yàn);（3）基于直線伺服電機(jī)的倒立擺控制與校正實(shí)驗(yàn);（4）基于直流伺服電機(jī)的球桿控制與校正實(shí)驗(yàn);（5）基于倒立擺系統(tǒng)的控制與校正系統(tǒng)。以上5個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生自由選擇其中4個(gè)，通過(guò)開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)綜合設(shè)計(jì)的能力，以及分析理論問(wèn)題、解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

4.課外實(shí)踐拓展。采用CDIO等形式開(kāi)展本課程的課外實(shí)踐拓展活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)用于實(shí)踐，并開(kāi)發(fā)相關(guān)作品。

四、教學(xué)方法

在教學(xué)方法方面，增加實(shí)際工程案例，將教師科研項(xiàng)目與成果不斷地引進(jìn)到教學(xué)體系中。同時(shí)，邀請(qǐng)從事機(jī)械控制領(lǐng)域相關(guān)的企業(yè)工程技術(shù)人員講授企業(yè)案例。具體包括以下幾方面。

第一，采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，結(jié)合討論，增強(qiáng)學(xué)生的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的分析能力，從而使學(xué)生通過(guò)獨(dú)立思考和討論獲得理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的知識(shí)。

第二，采用機(jī)械工程案例教學(xué)，系統(tǒng)講授古典控制理論應(yīng)用于經(jīng)典機(jī)電系統(tǒng)案例（如工業(yè)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、數(shù)控機(jī)床等），初步介紹現(xiàn)代控制、智能控制理論的基本知識(shí)和方法。并邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域的企業(yè)技術(shù)人員開(kāi)展講座，深入了解控制技術(shù)在機(jī)械工程的應(yīng)用情況。

第三，在教學(xué)過(guò)程中采用PPT與傳統(tǒng)板書(shū)相結(jié)合的方式，同時(shí)輔以視頻課件、動(dòng)畫(huà)課件等，提高課堂教學(xué)的生動(dòng)性，提升教學(xué)質(zhì)量和效果。

第四，理論教學(xué)緊密聯(lián)系實(shí)驗(yàn)教學(xué)，強(qiáng)化計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)，結(jié)合教師的機(jī)械控制類(lèi)科研項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生理解其中的基本原理，采用相關(guān)的工具軟件，進(jìn)行機(jī)械控制系統(tǒng)的理論分析與設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生解決機(jī)械控制工程實(shí)際問(wèn)題的邏輯思維和實(shí)踐應(yīng)用能力。

第五，實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分要求4～5名學(xué)生成立一個(gè)小組，每個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)1名組長(zhǎng)，由組長(zhǎng)協(xié)調(diào)組員的分工。綜合實(shí)驗(yàn)完成后需撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并就實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行答辯，總結(jié)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到的規(guī)律和發(fā)現(xiàn)的不足。答辯評(píng)委由任課教師與實(shí)驗(yàn)教師共同組成，根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和答辯情況給出最終成績(jī)，著重培養(yǎng)每日一個(gè)學(xué)生的溝通交流和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

第六，課程將結(jié)合機(jī)電系統(tǒng)實(shí)例，從理論層面對(duì)其原理進(jìn)行剖析，并結(jié)合當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行拓展，找出目前國(guó)內(nèi)研究和應(yīng)用等層面上的差距，激發(fā)學(xué)生改變這種現(xiàn)狀的激情，使學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷在實(shí)際工程中得到體現(xiàn)。

五、課程評(píng)價(jià)

（一）課程考核環(huán)節(jié)

“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”課程考核的主要目的是考核學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度，包括平時(shí)課堂作業(yè)（10分）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告與答辯（30分）、期末考試（60分）三部分。

（二）課程目標(biāo)達(dá)成度的評(píng)價(jià)方式

“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”課程目標(biāo)達(dá)成度的具體計(jì)算方法：

課程總目標(biāo)達(dá)成度=

“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)值計(jì)算的具體說(shuō)明如表1所示。

六、課程效果評(píng)價(jià)及問(wèn)題分析

為清晰描述課程改革后的產(chǎn)出導(dǎo)向效果，選取某學(xué)年學(xué)生考核結(jié)果進(jìn)行分析，包括考試試卷分析、實(shí)驗(yàn)考核分析和課程達(dá)成度分析。本文以課程達(dá)成度分析為基礎(chǔ)，分析結(jié)果如圖2所示。從課程考核結(jié)果綜合來(lái)看，課程的總體達(dá)成度為0.883。課程目標(biāo)1（畢業(yè)要求1.4）的達(dá)成度相對(duì)于課程目標(biāo)2（畢業(yè)要求2.2）和課程目標(biāo)3（畢業(yè)要求4.2）的達(dá)成度度略低，反映出學(xué)生對(duì)機(jī)械控制系統(tǒng)一般概念和原理的理解和掌握還有待提升。

通過(guò)對(duì)試卷、綜合實(shí)驗(yàn)及課程進(jìn)行整體分析，發(fā)現(xiàn)在后期教學(xué)過(guò)程中需提高學(xué)生在系統(tǒng)校正方面的能力。這主要是因?yàn)樵谏险n過(guò)程中，教師過(guò)多地強(qiáng)調(diào)理論和名詞解釋?zhuān)瑢?dǎo)致學(xué)生只是掌握了基本概念和組成原理，但是掌握機(jī)電系統(tǒng)的時(shí)域和頻域分析設(shè)計(jì)校正方法的能力不足。

七、教學(xué)拓展實(shí)踐

為加深學(xué)生對(duì)課程的理解，本課程緊密結(jié)合CDIO項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生在CDIO項(xiàng)目中實(shí)踐機(jī)械控制工程理論知識(shí)，提升學(xué)生理論與實(shí)踐的結(jié)合能力。學(xué)生形成4～6人的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)小組，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和討論，確定項(xiàng)目研發(fā)方向和方案，并通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂論證方案的可行性。隨后項(xiàng)目小組根據(jù)分工，完成各個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子電路及軟件計(jì)等;隨后完成項(xiàng)目模塊的整合、調(diào)試和優(yōu)化;最終項(xiàng)目小組提供功能樣機(jī)，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，形成研究報(bào)告和技術(shù)資料。圖3給出了學(xué)生將機(jī)械控制工程基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際開(kāi)發(fā)作品的情況。

八、結(jié)語(yǔ)

西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院對(duì)“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化配置，提出了理論與實(shí)踐結(jié)合、仿真與實(shí)物結(jié)合、機(jī)械與控制結(jié)合的教學(xué)方法，將課程目標(biāo)與畢業(yè)要求進(jìn)行了對(duì)應(yīng)，并通過(guò)2019年本課程的學(xué)生考試成績(jī)、綜合實(shí)驗(yàn)成績(jī)及課程綜合的達(dá)成度等多方面分析，為后續(xù)課程教學(xué)改進(jìn)提供了參考和支撐。通過(guò)本課程的教學(xué)改革，在機(jī)械控制工程教學(xué)中增加相關(guān)實(shí)例教學(xué)和專(zhuān)案報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用機(jī)械控制工程基礎(chǔ)理論，分析和解決機(jī)械控制實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)機(jī)械控制工程的邏輯思維能力，提高了學(xué)生解決機(jī)械控制工程綜合應(yīng)用問(wèn)題的能力。

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（4）：59-62+75.

Reform and Practice of “Mechanical Control Engineering Foundation” Course Teaching System Based on Output Orientation

LI Xiao-hu， WANG Chao-hui， GUO Yan-jie， ZHANG Jin-hua

（School of Mechanical Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an， Shaanxi 710049， China）

Abstract： Aiming at solving the problems caused by many theoretical contents and the difficulty to combine with practical engineering， reformation has been tried on the course “Mechanical Control Engineering Foundation”. Firstly， the teaching objectives， ideas and contents of “Mechanical Control Engineering Foundation” were determined. Secondly， the multiple teaching methods of mutual confirmation of theoretical knowledge， scientific research projects and engineering practice were proposed. Finally， a teaching evaluation system of mechanical control engineering aiming at assessing students training achievement degree was established to form an innovative curriculum expansion oriented toward improving students’ comprehensive ability. Students’ ability of system analysis and design in practical mechanical engineering was increased through the preliminary attempt of teaching reform of this course.

Key words： mechanical control; teaching reform; teaching objectives; teaching evaluation

3415501908216