淺論機械工程控制基礎課程的教學探索論文
“機械工程控制基礎”課程側重于原理的闡釋，其內容密切結合工程實際，是一門非常重要的專業基礎課。對于機械工程類專業的本科生來講，掌握好本課程的基本原理和方法，將對他們其他課程的學習甚至以后的工作產生深遠的影響，同時對培養他們科學的思維方法和創新能力也會起到重要的作用。然而，筆者從多年的教學實踐中發現，因本課程涉及知識面廣，內容抽象，難以理解，許多學生學習起來一知半解，難以進入狀態，甚至覺得空洞無物。為了提高本課程教學效果，使之起到專業基礎課應有的作用，筆者結合多年的教學實踐，探索出幾點經驗。
一、營造氛圍：人文思想的注入
《機械工程控制基礎》教材(1-5版)的編著者，中科院院士楊叔子先生是率先在高校中推行人文教育的前輩，并在其文章中將人文思想引入專業課當中，在教材中處處可以看到人文思想的痕跡。例如在控制理論發展中提到“經典控制理論源于1788年JamesWatt的蒸汽機離心調速器所帶來的離心調速問題……然而，我國早在北宋時期的燕肅就發明了指南車，這是控制論思想的集中體現”，并列舉了一系列我國古代各種發明創造中體現控制領域發展的實例。這些內容不僅體現出一個學者的愛國情懷，而且對理工科教育中人文思想的缺失進行了有效補充。
作為本門課程的教師，要像楊叔子先生那樣，首先豐富自己的內涵，以自己的言行舉止引導學生。如果教師有淵博的學識，能以振興中華為己任，用高昂的激情去感染學生，用父母般的愛心去澆灌學生，用科學的方法去指引學生，告訴學生學習的目的是要“修身，齊家，治國，平天下”，學生們一定會被吸引、被感化。正如本教材中提到的哲學觀點“外因是變化的條件，內因是變化的根本”一樣，學習的動力由內而外，學習的效果自然非常顯著。
二、鞏固基礎：構建完備的知識結構
“機械工程控制基礎”是機械學科中的一門技術基礎課，本課程以數學、物理學以及相關學科為理論基礎，以機械工程中有關系統動力學為其抽象、概括與研究的對象。因此要求本學科學生要有良好的數學、力學、電學、機械學的基礎，有一定的機械工程方面的專業知識。要想學好本門課程，學生必須具有多學科的知識積累。而學生們雖然學過相關課程，但是時間一長就忘得差不多了。因此必須在講課中要對使用到的基礎知識作些簡單的提示和回顧，并鼓勵學生們進行復習。例如在講到“系統的數學模型”一章時，分別會講到動力學的例子，電學的例子，液壓系統，甚至混合構成的系統。這時老師要及時給學生補充該部分內容知識，如“牛頓第三運動定理”、“基爾霍夫定律”、“運算放大器原理”、“液壓原理”等等，這樣學生在建立數學模型時就會很清楚地知道這些數學模型是建立在哪些理論基礎上，并且知道如何應用原來學過的定律或理論去解決問題，就會有一個完備的知識框架，也能夠從中體會到原來各門學科之間其實是相通的。當然，介紹這些內容時只是“點到為止”，或只介紹核心內容，不適合占很大的篇幅。
三、深入淺出，拒絕空洞的理論
“機械工程控制基礎”課程給很多學生的感覺就是“抽象”，因為它的研究的對象是“系統”，系統“可大可小，可繁可簡，甚至可實可虛”。控制理論本身不僅是一門學科，而且是一門卓越的方法論，它的思考、分析與解決問題的思想方法是符合唯物辯證法的。因此本課程要真正傳授給學生的是思想，是方法。這樣就產生一個普遍的現象：老師在空談理論，只講原則，學生們感覺云里霧里，一知半解。
要消除空洞理論的方法，必須采用各種一定的技巧，深入淺出地分析問題，筆者總結的經驗如下。
1.復雜的原理簡單化、雛形化
本課程中有些理論理解起來非常復雜，證明起來則更難。對于這樣一些知識點，教師應分三個步驟來講授，即理論的.簡化;理論的應用;理論的推導和證明。在較短時間讓學生達到前兩步的要求，學生理解了基本原理，知道了如何應用，就會產生巨大的成就感，會增強學習積極性，進而很好地去理解該理論的具體推導和證明。反之，如果按照常規步驟——從理論證明到理論應用的順序去組織課堂教學，學生感覺理論證明非常復雜而產生畏難情緒，導致如何應用該理論也成問題了。
例如，在講到奈奎斯特穩定穩定判據一節時，其理論的推導過程十分復雜，涉及到幅角原理、開環傳遞函數、閉環傳遞函數以及奈奎斯特軌跡之間的復雜關系，一般要花上約40分鐘時間才能完成整個推導過程，即使基礎很好的學生也很難在如此長的時間段內保持高度的注意力。為了解決學生接受困難的問題，我們分析后發現，該理論推導雖復雜，但是基本思想和原理可以簡化，同時該理論的應用其實很簡單。因此在教學中調整思路和順序，先講簡化的原理“奈奎斯特穩定判據是幾何判據，它的基本原理是畫出開環函數的奈奎斯特，然后根據該軌跡繞復平面特定點的圈數來判別對應閉環系統的穩定性”，至于說如何判斷穩定性就是該原理應用的問題，只需要進行以下三個步驟：求出開環函數在右半平面的極點數目P;開環奈奎斯特逆時針包含(-1，j0)點的圈數P1;如果P與P1相等，則閉環穩定，反之不穩定。然后才開始向學生講解如何一步步證明奈奎斯特穩定判據。即使最后一步的推導過程學生暫時不理解也不妨礙學生對該理論的基本認識和應用。
2.將抽象的內容具體化，將無形的理論有形化
控制理論中大部分理論都比較抽象，教學過程如果僅限于理論的介紹和論述，學生不僅覺得空洞而且乏味。如果教師能夠結合一些具體和形象的例子會產生事半功倍的效果。例如在講到系統穩定性定義時，描述“系統穩定性是指系統在初始狀態影響下，由它引起的系統的時間響應隨時間推移，逐漸衰減并趨向于零”，僅就該定義本身，教師可能要花很多精力去解釋每個概念及其內涵和外延，可是學生并沒有什么直觀形象的感覺。而當我們通過模型來展示什么是系統的穩定(不穩定)時，就顯得非常形象直觀，基本上不需要太多的解釋了。
四、課堂互動：引發積極的思考
正因為“機械工程控制基礎”課程的抽象和復雜，如果教學過程僅僅是單一的講授，必然風過無痕，學生印象不深，課程一結束便什么收獲都沒有。學生只有積極地跟隨老師的思路進行思考，進行討論，甚至是質疑，初步領會的知識才會真正成為學生自己的東西，才能記住和運用。一般可以采用的方式有如下幾點:課堂即興提問;設置討論焦點，鼓勵踴躍發言;鼓勵不同聲音乃至質疑。這些方法的引入有利于激發學生的學習主動性和積極性，增強其參與意識和合作精神，培養其獨立思考的方式，鍛煉其語言表達能力，創造生動活潑的教學氛圍。筆者在教學中發現，許多學生對某些理論知識有所了解后，非常愿意把自己的觀點、意見講出來，與其他人交流、探討，這就為討論法提供了條件。同時，師生平等的民主氛圍使學生更樂于參與互動，從而備受學生的歡迎。
五、實驗驗證：理論聯系實際
實踐是理論的基礎，是理論的出發點和歸宿點，實踐對理論起決定作用，理論必須與實踐緊密結合。“機械工程控制基礎”課程本身實踐性較強，離開實踐，就如同空中樓閣，就會喪失生命力和可信度。為提高教學效果和質量，增強學生的學習興趣，合理確定實踐教學的內容與形式，我們主要采用計算機模擬方法和實際電路兩種方案進行實驗。比如，通過MATLAB軟件對系統(一階、二階、高階)的時域響應曲線和頻率特性的Nyquist圖、Bode圖進行繪制和分析，判斷系統的穩定性，求得系統的性能指標等。這些模擬實驗給學生以真實、具體的感性認識，然后引導學生對控制系統進行評析。在這種模擬的情況下，學生就必須積極思考，充分利用掌握的知識來處理計算機模擬的實際問題，這樣就把抽象的討論變成了具體的分析。這種方法使學生的角色發生了轉變，增加了學生理解、掌握理論并加以運用的動力和積極性，有助于改進他們消極被動接受知識的不良習慣，提高教學效率。
六、反饋調節：持續改進的良方
控制領域內有一個貫穿始終的觀點就是“反饋”，其核心思想就是“檢測偏差，消除偏差”。其實這個道理可以用在任何領域內，教學過程也不例外。教師應在教學過程中經常告訴學生自己的教學計劃，教學目標和想法。同時，有針對性地了解學生對自己教學情況的看法和意見，及時和他們保持交流溝通，獲取反饋信息，然后利用這些反饋信息進行方式方法的調節。這樣調動了學生對課程的學習興趣，使一度教與學嚴重脫節的問題得以改善，從而達到預期的教學目標。
七、結束語
總之，通過近幾年“機械工程控制基礎”課程的教學實踐，深切體會到用人文思想去感染學生，溫故而知新，由簡入繁，互動參與，知行合一，以及反饋改進等方法手段的重要性和有效性。在此與專業課教學的老師一起探討，有不妥之處請廣大同仁批評指正。在課程教與學的實踐中還有很長的路要走，我們期待通過不斷創新、不斷實踐、不斷改進，找出一條適合本學科教學的成功之路。
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