机械专业控制类课程教学改革研究与实践

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摘 要：文章从机械工程专业的“控制工程基础”专业基础课的特点出发，分析了当前控制类课程的教学现状，并提出了机械专业控制类课程教学改革的路径。

关键词：控制工程基础;机械工程;教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2016）01-0053-02

“控制工程基础”课程自20 世纪70 年代末首先在国内一些重点高校开设，并很快得到其他高校的响应和重视[1]。笔者任教的高校就开设有针对机械设计专业的“控制工程基础”和针对测控技术与仪器专业的“自动控制原理”。笔者近几年来一直负责这两门课程的课程建设。在教学实践和课程实验指导中发现了一些问题，进行了归纳。针对存在的问题，提出了改进措施，并实施在该课程的教学实践活动中，取得了一定的效果。

一、控制类课程的特点

“控制工程基础”是机械专业的专业基础课。具有课程内容丰富、课程知识点多、课程的理论性较强的特点。且练习题量大，练习题难度较高，对机械专业学生来说，是一门比较难学的课程[2]。而本课程对于机械类学生的重要性也尤为突出。通过该课程的学习，要使机械类学生掌握机械工程中控制理论的基本概念和基本分析方法，并能结合机械工程实际，特别是结合机械制造加工等，建立实际对象到控制系统数学模型的关系式，也就是完成专业知识向数理方程的转换。因此，本课程要求学生对具体的机械工程控制问题，能够从理论上对控制系统的性能指标进行定性分析与定量计算，并根据系统性能的要求，正确地设计控制系统，确定相关参数。并进一步设计串联校正环节，修正系统更好地满足系统设计任务的要求[3]。

二、控制类课程教学现状分析

（一）开课时间滞后

湖南科技大学控制类课程一般安排在大三上学期或下学期，与其他的专业课同时进行。本课程学习过程中需要用到数学微分变换、积分变换以及相关复变量和复变函数的知识。而此时，距离学习相关课程已经过去了三至四个学期，从知识的延续性上来说，存在一定的滞后性，很多学生已经不记得复变函数的相关概念。因此对于控制系统频域分析理解比较吃力，而在分析控制系统模型与传递函数转换关系时，对于高等数学的知识又有遗忘。本课程目前的开课时间比较滞后，应该引起重视与改进。

（二）课程难度较大，课时压缩严重

控制工程课程的学习内容以理论教学为主，且对数学功底要求较高。首先，本课程的主要数学工具拉普拉斯变化属于高等数学的知识，而传递函数的数学基础为复变函数。工程问题中涉及的控制系统数学模型的建立，则需要用到学生学习过的理论力学、电机拖动和电工电子学等课程知识。据了解，清华大学、南京理工大学等重点高校，对于机械类学生开设的控制工程类课程都是48课时。由于教学大纲的修改，湖南科技大学的“控制工程基础”被压缩至32课时，再扣除4个课时的实验教学。实际课堂授课仅为28课时。如何在短时间内提高课堂教学效率取得较好的教学效果，就成为教师讲授时必须考虑的一个重要问题。

（三）学生对于本课程有认知上偏差

机械专业的专业课一般都以机械原理、机械设计、机械制图和机械制造技术基础等课程为主。而本课程属于专业基础课，很多学生对课程的认识上有偏差。通过课后与学生交流笔者了解到，相当部分机械专业学生对“控制工程基础”课程存在认知上的误区，认为该课程与自己将来就业及深造的关系不大，属于比较“鸡肋”的课程，只用应付考试就可以了。另外，大多数机械类专业的研究生入学考试科目是没有“控制工程基础”的。所以学习该课程时积极性不高，也很少有学生肯下功夫在这门课程的学习中。

（四）教学方法落后，实验效果不佳

本课程其实是一门理论与实践紧密衔接的课程。但是目前其理论与实践教学衔接不够紧密。在理论课授课时一般是通过公式推导式的教学。对学生来说，概念比较抽象，内容比较晦涩难懂。因此这种传统的教学方法就显现出了一定的局限性。而实验教学效果就更不理想了。湖南科技大学所开设的四个实验都是在微机的Matlab平台上完成的。以数组的形式输入传递函数的分子分母的系数，再通过单位阶跃响应函数step等指令，来绘制其响应曲线[4]。对学生来说，无法直观体会二阶系统的阻尼比、无阻尼自然频率两个参数对于系统的稳定性，响应曲线、时域指标之间的关系，实验教学效果不佳。

三、控制类课程教学改革路径

（一）合理安排开课时间

本课程涉及的专业知识较广泛，如在控制系统数学模型建立环节，会用到大量电工学、理论力学等知识。在介绍控制系统传递函数和频域分析方法时，要用的微积分和复变函数的知识。因此笔者认为，最好将本课程安排在大二第二个学期，与其他的专业基础课同时进行，既能巩固相关课程知识，又距离高等数学课程教学时间上不是很久远，有利于学生开展本课程的学习，对于学好本课程是很有帮助的。

（二）突出课程的地位

针对学生对控制类课程的热情不够、学习主动性不强烈的问题，应该通过多种途径向学生传达机电不分家的道理。其他相关人员如：院系领导、辅导员和班主任也都要发挥自己的作用，群策群力，搞好机械专业学生非机类课程的宣传工作。比如学院可以在新生入学专业介绍、学生座谈等不同的场合，开展相关的教育，使其能正确理解本课程在专业中的作用。要让学生明白，随着信息技术与计算机技术的飞速发展，如今的机械系统，已经不仅仅是一个简单的机械系统，而是附加了很多电子装置、控制系统复杂的机电系统，因此学好控制技术对于机电一体化是非常重要的。

（三）以控制要求为主线，串联授课内容

“控制工程基础”的研究对象是控制系统，而对于控制系统的基本要求，稳定性、快速性和准确性是贯穿在所有授课内容中的一条主线。“控制工程基础”课程所研究的对象是传递函数，即从具体机械控制需求提炼出的传递函数。因此授课时应当以传递函数为研究对象，紧贴控制系统性能指标要求这条主线，串联各部分内容，即：时域分析、频域分析、跟轨迹分析和系统校正等内容，从而考察所分析或设计系统的稳定性、快速性和准确性等，进而对系统进行综合与校正。这样，全部课程内容在性能指标这条主线的串联下，形成了一个有机的整体，便于学生系统掌握本课程的基本方法。

（四）结合实际应用，加深概念学习

教师授课时，应当注重将较为空洞难以理解的概念与日常生活中的实际应用例子进行关联，启发学生的思维。这样不仅能激发学生的学习欲望，而且能使学生深刻理解理论知识，做到学以致用。如在讲解控制系统的不同分类方式时，需要着重强调开环控制与闭环控制系统的区别和优缺点。如果仅仅把定义讲述给学生，就无法使他们真正理解和建立起这两者之间一个较为清晰的界限。例如让学生判断半自动洗衣机、全自动洗衣机和家用空调等属于哪种类型的系统。先让他们自由探讨，再找个学生来课堂回答，最后再具体讲解。即半自动洗衣机属于手动控制与自动控制的结合;而全自动洗衣机的洗涤和脱水依照设定的时间程序进行，无法对洗衣机的性能进行检测和比较，整个系统依据设定的时间表顺序执行，所以属于开环自动控制系统;而家用空调则是按照设定的温度值运行的，当温度传感器测得的温度高或低于设定值时，就会启动压缩机工作，直到测得温度与设定温度一致，属于闭环自动控制系统。这样的教学方式，就取得了一定的教学效果。

（五）自主开发教学实验平台

实践教学环节也是该课程的重要环节，受硬件设备条件的限制，实验结果偏差较大，实验效果不太理想。因此笔者将虚拟仿真学习平台应用到“控制工程基础”教学中。改变单一课堂教学模式，简化公式的推导和概念叙述，增强教学的直观性和生动性，有利于学生加深对所学知识的理解。

笔者针对控制工程课程教学中所涉及的重点和难点，以及相关无法在授课时直观演示给学生观看的教学内容开发了控制工程教学实验平台。学生可以通过网页访问虚拟实验系统，进行自主学习和实验。本控制工程实验系统包括：一阶系统时域响应分析、二阶系统时域响应和稳定性分析、线性系统的根轨迹分析、线性系统的频率响应分析和控制系统串联校正实验等。如下图所示的线性系统的根轨迹分析，可以输入传递函数的零点和极点，绘制其根轨迹曲线。通过这样的教学平台，加深学生对授课内容的理解，起到事半功倍的效果。

图1 线性系统的根轨迹分析软件界面

在控制工程教学中贯彻上面提到的改进措施，并且引入控制工程基础虚拟实验平台进行辅助教学，不但丰富了教学内容，还提高了与学生的互动效果，取得了较好的改革效果。在提高课堂教学的效率的同时方便学生课后复习，对于提高学生的综合素质大有裨益。此外，在教师的教学和科研过程中，教师应当注重积累，时刻注意收集和积累新的知识和授课技能。加强与同行的交流与研讨，不断提升自身的专业知识与授课技能。虚心听取学生的反馈意见，进一步改进自己的教学能力，为培养适合时展所需要的具有创新能力的合格机械工程人才而努力。

参考文献：

[1]张忠华等.机械工程专业控制工程基础课程教学改革的

探讨[J].科技资讯，2013，（20）.

[2]王伟，申爱明.控制工程基础课程教学改革研究与探索

[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2007，（2）.

[3]陈雪波，欧阳鑫玉.自动控制原理教学中的关联教学实

例[J].中国科教创新导刊，2012，（25）.

[4]董明，黄民德.自动控制原理课程教学改革与创新实践

[J].中国电力教育，2010，（30）.