機械工程控制基礎(chǔ)教學(xué)改革研究論文
【摘要】“機械工程控制論”是高校機械工程類本科專業(yè)必修的一門重要學(xué)科，它闡述了機械工程領(lǐng)域中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題。本文分析研究本校《機械工程控制基礎(chǔ)》的課程性質(zhì)與現(xiàn)狀，針對現(xiàn)代學(xué)科的新形勢新變化，采用循序漸進(jìn)的方式進(jìn)行教學(xué)改革。對理論教學(xué)進(jìn)行合理的縮減，精心設(shè)計并引入依托于MATLAB和Simulink的實踐性環(huán)節(jié)，收集評定改革效果，為后續(xù)改革打下基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】機械工程；控制；教學(xué)改革；實踐性環(huán)節(jié)
1課程性質(zhì)與現(xiàn)狀
“機械工程控制論”是各大高校機械工程類本科專業(yè)必須掌握的一門重要學(xué)科，它是一種方法論，通過將控制的理論和方法運用到機械工程來闡述領(lǐng)域中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題[1]。許多院校不約而同的選擇楊叔子院士編著的《機械工程控制基礎(chǔ)》一書作為授課教材，此教材至今已經(jīng)歷六次修訂，在機械工程控制領(lǐng)域多次獲獎，與時俱進(jìn)，廣受好評。本校采用該本教材進(jìn)行《機械工程控制基礎(chǔ)》的課程授課已有多年，積累了豐富課程經(jīng)驗的同時，伴隨時代的變遷、新思路浪潮的涌現(xiàn)、新生代學(xué)生觀念的巨大差異，陳舊的教學(xué)手段已經(jīng)無法匹配現(xiàn)代教學(xué)。課程總學(xué)時數(shù)32，目前均為課堂授課式教學(xué)，主要講授線性定常系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、時域分析、頻域分析和穩(wěn)定性，屬于經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)核心內(nèi)容，且越來越多的高校在相關(guān)的考研考試中選擇本門課程作為專業(yè)考試科目。學(xué)習(xí)本課程前需要儲備微積分、復(fù)變函數(shù)、機械工程內(nèi)各學(xué)科的基礎(chǔ)知識，學(xué)時少內(nèi)容多且內(nèi)容的理論性強。在授課過程中很容易不自覺的陷入強調(diào)理論和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，弱化實際應(yīng)用的狀況。然而，作為一所獨立的具備個性化教學(xué)手段的學(xué)院而言，學(xué)生們厭煩理論性內(nèi)容，更喜歡自己動手進(jìn)行實踐。為了應(yīng)對新形勢新變化、促進(jìn)學(xué)習(xí)積極性、體現(xiàn)學(xué)科的實踐性價值，考慮適當(dāng)刪減理論課程內(nèi)容，逐步引入實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。
2實踐性課程環(huán)節(jié)
本次引入的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，基于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，避免未經(jīng)論證的大刀闊斧型改革，反而產(chǎn)生反作用，擬首先選用較少的'4個學(xué)時做為試驗田，且對此4個學(xué)時精心設(shè)計，力求達(dá)到明顯的效果。
2.1刪減理論課學(xué)時
考慮本校學(xué)生的實際水平，特別是數(shù)學(xué)能力較弱，因此，剔除高階系統(tǒng)的時域分析、頻率特性的特征量這兩部分較難推導(dǎo)和計算的內(nèi)容；同時，在二階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)和階躍響應(yīng)推導(dǎo)中，重點分析討論欠阻尼的情況，其他阻尼條件由于后續(xù)很少提到，因此在教學(xué)中可一語帶過。由此，可空余出4個學(xué)時，將其作為初步引入實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)時使用。后續(xù)若效果較好，則可繼續(xù)進(jìn)行更深度的實踐性改革。
2.2增加實踐環(huán)節(jié)
首先，為了及時的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將該實踐性環(huán)節(jié)設(shè)置在課程中間階段，較合適的節(jié)點為第3章"系統(tǒng)的時間響應(yīng)分析"之后，內(nèi)容上選擇機械工程領(lǐng)域內(nèi)的時域分析相關(guān)典型案例，且通過該實驗?zāi)軐⑾到y(tǒng)時域分析的主要知識點加以全面的掌握和使用。其次，對于用于控制論教學(xué)的實驗工具來說，試驗箱需要大量的資金、獨立的實驗室、長時的前期準(zhǔn)備，這對于本門課程的改革探索來說，前期消耗過大且耗時太長，并不適宜。而另一個更好的選擇則是任何機房都可以安裝使用的軟件平臺MATLAB，MATLAB具備強大的控制系統(tǒng)工具箱，對控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、分析、設(shè)計、校正等提供了全面完善的解決方案[2]。本文采用MATLAB7.0作為實踐性教學(xué)授課的主要工具，期望達(dá)到以下3點目的：（1）帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識MATLAB，鼓勵其今后自己安裝，自學(xué)并掌握該工具；（2）通過典型實例的講解和演練使學(xué)生初步了解系統(tǒng)的建模和分析；（3）通過本教學(xué)環(huán)節(jié)鞏固課堂所學(xué)的知識點；（4）通過實踐改變學(xué)生對本學(xué)科只有理論的偏見，提高其學(xué)習(xí)的興趣，從而達(dá)到輔助課堂教學(xué)，提升教學(xué)效果。
2.3基于MATLAB的實踐性環(huán)節(jié)設(shè)計
環(huán)節(jié)設(shè)計選擇某隨動系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)方框圖如圖1．（1）熟悉MATLAB的系統(tǒng)環(huán)境，學(xué)會創(chuàng)建.m文件；（2）熟悉MATLAB中的Simulink，找出常用模塊：脈沖信號、階躍信號、斜坡信號、比例、積分、微分、慣性、振蕩、反饋、比較、輸出示波器等；（3）采用Simulink搭建圖1所對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，令K=1、T1=0.2、T2=0.5，分別繪制出單位脈沖、單位階躍響應(yīng)曲線，比較并分析；（4）改變K的值，使之分別=0.5、1、2、5，繪制出四組單位階躍響應(yīng)；（5）通過.m文件分別調(diào)用上述四組模型，并編程求出各組的性能指標(biāo)（上升時間、峰值時間、超調(diào)量、調(diào)整時間）；（6）用表格列出在不同K值下由系統(tǒng)求出的性能指標(biāo)，并與自己的計算結(jié)果進(jìn)行比較，確定結(jié)果的一致性；（7）撰寫本次課程的報告，并附上自己的心得體會。此環(huán)節(jié)設(shè)計可根據(jù)實際情況略作調(diào)整，但總體應(yīng)考慮知識點的全面覆蓋，將實踐真正服務(wù)于理論。
3配套機制及成果采集
為加強實踐性環(huán)節(jié)的效果，將原有的考試、課堂、作業(yè)評估體系修改為考試、實踐、課堂、作業(yè)四位一體，降低10%的考試占比。收集并評估學(xué)生在實踐性環(huán)節(jié)之后的4、5章學(xué)習(xí)中的課堂表現(xiàn)和作業(yè)效果，結(jié)合最終考試結(jié)果，總體分析教學(xué)改革的有效性。
4結(jié)束語
本文以本校機電專業(yè)的《機械工程控制基礎(chǔ)》課程為背景，分析研究課程現(xiàn)狀，提出實踐性教學(xué)改革，深入分析并設(shè)計具體的改革措施。在得到較好的效果反饋后，可進(jìn)一步繼續(xù)探索，研究加入更多的實踐性環(huán)節(jié)。
【參考文獻(xiàn)】
［1］楊叔子.機械工程控制基礎(chǔ)[M].第七版.武漢：華中科技大學(xué)出版社,2016(10-15).
［2］周先輝.面向工程能力培養(yǎng)的《機械工程控制基礎(chǔ)》課程教學(xué)方法探索[J].高教論壇.2010(01).
作者：曾海霞 單位：文華學(xué)院機械與電氣工程學(xué)部
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