關于提高機械工程控制基礎課程教學質量的探討論文
“機械工程控制基礎”課程是河南理工大學機械與動力工程學院(以下簡稱“我院”)機械設計制造及其自動化、機械電子工程、測控技術與儀器、熱能與動力工程、車輛工程共五個專業的基礎必修課程。該課程在這些專業的知識體系中起到承前啟后的作用，它緊密聯系和應用先修課程，如高等數學、復變函數與積分變換、電工電子等，并為后續課程的學習打下控制理論基礎。該課程主要圍繞“系統”、“反饋”等經典控制理論的概念進行講解，所研究的問題具有普遍的工程實踐價值，有利于機械專業的學生樹立“系統”和“反饋控制”思想，為學生運用控制理論分析和解決工程實際問題奠定基礎。
“機械工程控制基礎”以反饋控制理論為核心，突出基本概念和方法，介紹控制系統建模方法，線性系統的時域、頻域和根軌跡的分析和設計方法。因此，該課程理論性強，涉及數學、物理、電工等多方面的知識，比較抽象，是一門具有一定深度和難度的課程。在高校學生數量不斷增加、學生質量參差不齊、教學學時不斷壓縮的情況下，如何提高教學質量，加強反饋控制理論基本概念和方法的理解，增強學生系統分析問題和解決問題的能力，是擺在全體教師面前一項艱巨的任務。
在這幾年的教學摸索中，我們不斷克服教學中遇到的問題，總結經驗教訓，改善教學質量。主要從教學內容、教學方法、實踐環節和考核制度四個方面完善教學環節，教學質量得到穩步提升，學生的滿意度也越來越好。
一、完善教學內容
完善教學內容以學生能夠輕松快樂地學習和領會所教授的知識為主要原則。為了保證教學效果，在教材選擇、教學內容編排等方面進行了改善。
1.教材選擇
教材是學生進行課程學習的主要工具，是學生課前預習和課后復習的重要參考資料。因此教材的優劣一定程度上影響著學生的學習效果。根據各專業的不同特點，編寫了適合機械類各專業的通用性教材。根據學生的不同基礎，注重學生接受能力和上課質量，編寫不同的教案，有針對性講解課程核心內容。
在給獨立學院上課時，發現學生的數學基礎薄弱，復變函數和積分變換學得也不是太扎實，因此在講解系統的數學模型之前，首先給這部分學生單獨補習一階微分方程的求解，然后再將“機械工程控制基礎”中用到的傅里葉變換和拉普拉斯變換，從概念到例題詳細講述一遍，以便于這部分基礎較差的學生能輕松順利接受控制理論中的基本概念和知識。
2.教學內容編排
隨著本科教學的不斷改革，我院“機械工程控制基礎”的上課學時逐漸被壓縮，由最初的48學時削減到32學時(含4學時實驗課程)。教學中出現了上課學時和授課任務量的嚴重矛盾沖突。這對教師的專業知識水平和授課水平提出了更高的要求。
為解決上課學時少的突出矛盾，從學生和教師兩方面逐步著手解決。積極拓展學生的課外學習和實踐，布置一定量難度適中的課外習題作業和上機實踐作業，督促學生深刻理解上課時講授的概念和方法，通過課外作業進一步領會、強化學習。同時，教師在深刻分析教材知識結構的基礎上，把握教學重點、難點問題，有效實施重點教學。重點、難點問題要從概念到例題，一點點分析推導，詳細闡述每個細節和要求。講授內容遵循從簡單到復雜的基本規律，讓學生的認識水平循序漸進，逐步提高。對于較為簡單的教學內容，則通過例題和提問的方式展開與學生的討論，讓學生成為學習的主動者，增強學習質量和效果。
在教學內容的組織上，循序漸進，逐步深化，強調基本概念的理解和應用，減少一些定理和公式的太細推導。在教學過程中，重點講授經典控制理論的主要內容，注重知識體系的完整和工程問題的應用分析，理論聯系實際，例如將電路系統、液壓系統等模型的分析引入課堂中來，提高學生們靈活運用知識解決問題的能力。課程進行中，穿插講授MATLAB語言在本課程中的`運用。讓學生們能夠動起手來，用計算機實現公式的推導、計算和仿真，提高學生們的學習樂趣和成就感。
二、改善教學方法
改善教學方法以提升學生的課堂授課效果為主要原則。改善教學方法主要包括改善教學手段和采用新穎的教學方法，如啟發式、討論式和激勵式教學方法。
1.改善教學手段
目前主要的課堂教學手段有板書和電子講義兩種方式。
減少板書的時間，提高課堂效率，采用多媒體教室授課，引入MATLAB等計算機輔助教學工具。多年來，根據我們編寫的教材和教案，不斷完善電子講義，授課內容涵蓋經典控制理論的全部內容，豐富了課堂的信息量。充分發揮Powerpoint的演示功能，針對課堂中的重點和難點，采用了不同顏色和字號的字體和線條，便于學生及時抓住重點和難點，跟上課堂進度。對于課程中的系統方框圖的簡化、Nyquist圖、Bode圖的繪制等，采用Powerpoint的動畫功能和MATLAB軟件輔助完成，讓整個電子講義“活”起來，課堂內容充實起來，而不僅僅是知識的灌輸。
每頁幻燈片的排版要清晰、整齊、規范，文字精煉扼要，多用圖片和動畫。讓學生直接觀測到復雜的時域響應曲線、頻率響應曲線以及奈奎斯特曲線，加深對概念的理解和掌握。在講解某些公式推導和習題時，當Powerpoint不方便闡述時，則采用板書手寫推導和計算，提高講解效率，也便于學生跟著教師的思路，深刻領會這些難懂的知識點。例如在講解頻率特征量中系統的截止頻率的概念時，結合圖形和計算公式，指出幅頻特性的數值由零頻幅值下降3dB得到的頻率，也就是0.707倍的零頻幅值對應的系統頻率值，這樣學生就能夠深刻理解零頻幅值下降3dB和0.707倍的零頻幅值之間的關系。
2.采用新穎的教學方法
教師的專業水平和知識結構是一切教學活動的核心。在教學活動中，教師光有知識是不夠的，還要具備一些傳授知識的技巧。大部分教師的知識層次都已經滿足教學要求，相對欠缺的是一些教學方法和技巧的靈活掌握，尤其是對于那些剛加入教學隊伍的博士教師。為提高教學效果，應采用新穎的教學方法，杜絕灌輸式的陳舊教學模式，主要體現在以下幾個方面。
(1)提高緒論講授的質量。緒論幾乎是所有課程的第一節課，一定要將第一節課上好，讓學生對課程本身產生濃厚的興趣和學習沖動。在講授“機械工程控制基礎”的緒論時，除了介紹該課程的性質和主要內容外，還講授了控制理論的發展歷史，控制理論在世界文明中的作用，國內外科學家在控制領域的一系列科學貢獻，讓學生先有一個完整的控制理論發展脈絡，然后又介紹當今的控制理論的應用領域，如柔性制造、空間探測機器人、飛行器控制等，鼓勵學生先學好課本的經典控制理論部分，將來有興趣再深入學習現代控制理論和隨機控制。
(2)采用啟發式和討論式教學方法。啟發式和討論式都是一種互動式教學方法，它能夠啟迪學生思考，將注意力引入教師講授的課堂重點和難點上來，讓學生參與問題的討論并發表自己的觀點，形成了師生互動的課堂氣氛，從而提高學生的學習主動性和課堂質量。在進行啟發式和討論式授課時，教師要先精心準備好一系列問題，這些問題環環相扣，層層推進。提問時，教師要及時掌控課堂的學習氣氛，對于答對的學生，要給予一定的言語鼓勵;對于答錯的學生，也要及時糾正。做到教師和學生的思維融為一體，引導學生進行創造性思維。
(3)采用激勵式教學方法。激勵式教學是給學生一定難度的題目或問題，一旦學生攻克，給予一定的語言獎勵和成績獎勵，提高學生課程學習的成就感。例如，在講授系統的時域分析時，讓學生課下自己編寫程序計算系統時域分析的特征量，并繪制特定系統的時域分析響應曲線。對于那些認真完成作業的學生在期末總成績時給予一定的加分。
三、加強實踐環節
以往搭建積分放大電路進行控制系統仿真的實驗模式已落伍，改用MATLAB、LabVIEW等計算機輔助教學軟件進行實驗。
MATLAB控制系統仿真實驗具有建模方法簡單高效、參數調整方便、立即得到仿真計算結果等優點。相對于傳統的搭建硬件電路的實驗模式，節省了硬件調試時間，而且學生能夠每人一臺電腦進行控制系統仿真操作，提高了每位學生的分析問題和動手操作的能力，保證了學生對課程實驗的參與程度。MATLAB仿真實驗的內容安排和理論教學相呼應，通過實驗強化學生對課程中基本概念和方法的理解。
隨著測試技術的發展，虛擬儀器逐漸取代傳統測試儀器。利用LabVIEW軟件及其仿真工具包，我們編寫VI程序，實現了各個典型環節的時域響應，如一階系統和二階振蕩系統，還編寫了系統的頻率響應程序，可以畫出系統正弦信號下的奈奎斯特圖和伯德圖，進而分析系統的穩定性和穩定裕度。
通過MATLAB、LabVIEW等實驗軟件，加強了學生利用計算機解決工程問題的實踐能力，對課堂理論知識的理解也起到了事半功倍的作用。
四、完善考核制度
不斷完善考核制度，注重平時和實踐考核，實行考核多樣化制度。一般學生的成績結構是：平時課堂表現10%，課后作業10%，實驗成績20%，期末成績60%。通過這樣的設置，使學生開始注重課程的過程學習，讓學生學好每一個章節，并及時做課后習題。加大實驗環節的任務量，注重學生動手能力的培養，減少學生應付實驗教學的心理傾向。課程結束，鼓勵學生積極進行課程教學評價，反饋教學效果。
堅持考教分離的教學考核模式。根據學生的不同層次，組織教師編寫不同難度的考試試題，建立相應的試題庫，此外，還嘗試自主編寫新試題并加入試題庫中，保證課程考核質量。
閱卷后衡量教學效果，并總結考試整體情況，編寫試卷分析報告，為今后的教學完善提供參考意見。同時，開展學生對課程的整體評教活動。讓學生評價教師的教學效果和質量，從而讓一大批深受學生歡迎的一線教師脫穎而出，為學校的整體教學質量提高創造良好的教學氣氛。
五、總結
“機械工程控制基礎”課程教學改革在我院的五個專業教學內容、教學方法、實踐環節和考核制度四個方面進行了初步嘗試，取得了良好的教學效果：學生的日常學習興趣和學習積極性日益濃厚;完善了實踐環節，學生的計算機編程和動手能力逐步增強;完善了考核制度，學生的考核更加合理，教師的教學質量和教學水平也在穩步提高。
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