關(guān)于提高機械工程控制基礎(chǔ)課程教學(xué)質(zhì)量的探討論文
“機械工程控制基礎(chǔ)”課程是河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院(以下簡稱“我院”)機械設(shè)計制造及其自動化、機械電子工程、測控技術(shù)與儀器、熱能與動力工程、車輛工程共五個專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程。該課程在這些專業(yè)的知識體系中起到承前啟后的作用，它緊密聯(lián)系和應(yīng)用先修課程，如高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)與積分變換、電工電子等，并為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下控制理論基礎(chǔ)。該課程主要圍繞“系統(tǒng)”、“反饋”等經(jīng)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(yè)的學(xué)生樹立“系統(tǒng)”和“反饋控制”思想，為學(xué)生運用控制理論分析和解決工程實際問題奠定基礎(chǔ)。
“機械工程控制基礎(chǔ)”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(tǒng)建模方法，線性系統(tǒng)的時域、頻域和根軌跡的分析和設(shè)計方法。因此，該課程理論性強，涉及數(shù)學(xué)、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(xué)生數(shù)量不斷增加、學(xué)生質(zhì)量參差不齊、教學(xué)學(xué)時不斷壓縮的情況下，如何提高教學(xué)質(zhì)量，加強反饋控制理論基本概念和方法的理解，增強學(xué)生系統(tǒng)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(wù)。
在這幾年的教學(xué)摸索中，我們不斷克服教學(xué)中遇到的問題，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，改善教學(xué)質(zhì)量。主要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實踐環(huán)節(jié)和考核制度四個方面完善教學(xué)環(huán)節(jié)，教學(xué)質(zhì)量得到穩(wěn)步提升，學(xué)生的滿意度也越來越好。
一、完善教學(xué)內(nèi)容
完善教學(xué)內(nèi)容以學(xué)生能夠輕松快樂地學(xué)習(xí)和領(lǐng)會所教授的知識為主要原則。為了保證教學(xué)效果，在教材選擇、教學(xué)內(nèi)容編排等方面進行了改善。
1.教材選擇
教材是學(xué)生進行課程學(xué)習(xí)的主要工具，是學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)的重要參考資料。因此教材的優(yōu)劣一定程度上影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。根據(jù)各專業(yè)的不同特點，編寫了適合機械類各專業(yè)的通用性教材。根據(jù)學(xué)生的不同基礎(chǔ)，注重學(xué)生接受能力和上課質(zhì)量，編寫不同的教案，有針對性講解課程核心內(nèi)容。
在給獨立學(xué)院上課時，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱，復(fù)變函數(shù)和積分變換學(xué)得也不是太扎實，因此在講解系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型之前，首先給這部分學(xué)生單獨補習(xí)一階微分方程的求解，然后再將“機械工程控制基礎(chǔ)”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(chǔ)較差的學(xué)生能輕松順利接受控制理論中的基本概念和知識。
2.教學(xué)內(nèi)容編排
隨著本科教學(xué)的不斷改革，我院“機械工程控制基礎(chǔ)”的上課學(xué)時逐漸被壓縮，由最初的48學(xué)時削減到32學(xué)時(含4學(xué)時實驗課程)。教學(xué)中出現(xiàn)了上課學(xué)時和授課任務(wù)量的嚴(yán)重矛盾沖突。這對教師的專業(yè)知識水平和授課水平提出了更高的要求。
為解決上課學(xué)時少的突出矛盾，從學(xué)生和教師兩方面逐步著手解決。積極拓展學(xué)生的課外學(xué)習(xí)和實踐，布置一定量難度適中的課外習(xí)題作業(yè)和上機實踐作業(yè)，督促學(xué)生深刻理解上課時講授的概念和方法，通過課外作業(yè)進一步領(lǐng)會、強化學(xué)習(xí)。同時，教師在深刻分析教材知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，把握教學(xué)重點、難點問題，有效實施重點教學(xué)。重點、難點問題要從概念到例題，一點點分析推導(dǎo)，詳細闡述每個細節(jié)和要求。講授內(nèi)容遵循從簡單到復(fù)雜的基本規(guī)律，讓學(xué)生的認(rèn)識水平循序漸進，逐步提高。對于較為簡單的教學(xué)內(nèi)容，則通過例題和提問的方式展開與學(xué)生的討論，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主動者，增強學(xué)習(xí)質(zhì)量和效果。
在教學(xué)內(nèi)容的組織上，循序漸進，逐步深化，強調(diào)基本概念的理解和應(yīng)用，減少一些定理和公式的太細推導(dǎo)。在教學(xué)過程中，重點講授經(jīng)典控制理論的主要內(nèi)容，注重知識體系的完整和工程問題的應(yīng)用分析，理論聯(lián)系實際，例如將電路系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等模型的分析引入課堂中來，提高學(xué)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(xué)生們能夠動起手來，用計算機實現(xiàn)公式的推導(dǎo)、計算和仿真，提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)樂趣和成就感。
二、改善教學(xué)方法
改善教學(xué)方法以提升學(xué)生的課堂授課效果為主要原則。改善教學(xué)方法主要包括改善教學(xué)手段和采用新穎的教學(xué)方法，如啟發(fā)式、討論式和激勵式教學(xué)方法。
1.改善教學(xué)手段
目前主要的課堂教學(xué)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(xué)工具。多年來，根據(jù)我們編寫的教材和教案，不斷完善電子講義，授課內(nèi)容涵蓋經(jīng)典控制理論的全部內(nèi)容，豐富了課堂的信息量。充分發(fā)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(xué)生及時抓住重點和難點，跟上課堂進度。對于課程中的系統(tǒng)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(nèi)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(guī)范，文字精煉扼要，多用圖片和動畫。讓學(xué)生直接觀測到復(fù)雜的時域響應(yīng)曲線、頻率響應(yīng)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(dǎo)和習(xí)題時，當(dāng)Powerpoint不方便闡述時，則采用板書手寫推導(dǎo)和計算，提高講解效率，也便于學(xué)生跟著教師的思路，深刻領(lǐng)會這些難懂的知識點。例如在講解頻率特征量中系統(tǒng)的截止頻率的概念時，結(jié)合圖形和計算公式，指出幅頻特性的數(shù)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(yīng)的系統(tǒng)頻率值，這樣學(xué)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(guān)系。
2.采用新穎的教學(xué)方法
教師的專業(yè)水平和知識結(jié)構(gòu)是一切教學(xué)活動的核心。在教學(xué)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(jīng)滿足教學(xué)要求，相對欠缺的是一些教學(xué)方法和技巧的靈活掌握，尤其是對于那些剛加入教學(xué)隊伍的博士教師。為提高教學(xué)效果，應(yīng)采用新穎的教學(xué)方法，杜絕灌輸式的陳舊教學(xué)模式，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
(1)提高緒論講授的質(zhì)量。緒論幾乎是所有課程的第一節(jié)課，一定要將第一節(jié)課上好，讓學(xué)生對課程本身產(chǎn)生濃厚的興趣和學(xué)習(xí)沖動。在講授“機械工程控制基礎(chǔ)”的緒論時，除了介紹該課程的性質(zhì)和主要內(nèi)容外，還講授了控制理論的發(fā)展歷史，控制理論在世界文明中的作用，國內(nèi)外科學(xué)家在控制領(lǐng)域的一系列科學(xué)貢獻，讓學(xué)生先有一個完整的控制理論發(fā)展脈絡(luò)，然后又介紹當(dāng)今的控制理論的應(yīng)用領(lǐng)域，如柔性制造、空間探測機器人、飛行器控制等，鼓勵學(xué)生先學(xué)好課本的經(jīng)典控制理論部分，將來有興趣再深入學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制理論和隨機控制。
(2)采用啟發(fā)式和討論式教學(xué)方法。啟發(fā)式和討論式都是一種互動式教學(xué)方法，它能夠啟迪學(xué)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(xué)生參與問題的討論并發(fā)表自己的觀點，形成了師生互動的課堂氣氛，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和課堂質(zhì)量。在進行啟發(fā)式和討論式授課時，教師要先精心準(zhǔn)備好一系列問題，這些問題環(huán)環(huán)相扣，層層推進。提問時，教師要及時掌控課堂的學(xué)習(xí)氣氛，對于答對的學(xué)生，要給予一定的言語鼓勵;對于答錯的學(xué)生，也要及時糾正。做到教師和學(xué)生的思維融為一體，引導(dǎo)學(xué)生進行創(chuàng)造性思維。
(3)采用激勵式教學(xué)方法。激勵式教學(xué)是給學(xué)生一定難度的題目或問題，一旦學(xué)生攻克，給予一定的語言獎勵和成績獎勵，提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)的成就感。例如，在講授系統(tǒng)的時域分析時，讓學(xué)生課下自己編寫程序計算系統(tǒng)時域分析的特征量，并繪制特定系統(tǒng)的時域分析響應(yīng)曲線。對于那些認(rèn)真完成作業(yè)的學(xué)生在期末總成績時給予一定的加分。
三、加強實踐環(huán)節(jié)
以往搭建積分放大電路進行控制系統(tǒng)仿真的實驗?zāi)Ｊ揭崖湮�，改用MATLAB、LabVIEW等計算機輔助教學(xué)軟件進行實驗。
MATLAB控制系統(tǒng)仿真實驗具有建模方法簡單高效、參數(shù)調(diào)整方便、立即得到仿真計算結(jié)果等優(yōu)點。相對于傳統(tǒng)的搭建硬件電路的實驗?zāi)Ｊ�，�?jié)省了硬件調(diào)試時間，而且學(xué)生能夠每人一臺電腦進行控制系統(tǒng)仿真操作，提高了每位學(xué)生的分析問題和動手操作的能力，保證了學(xué)生對課程實驗的參與程度。MATLAB仿真實驗的內(nèi)容安排和理論教學(xué)相呼應(yīng)，通過實驗強化學(xué)生對課程中基本概念和方法的理解。
隨著測試技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器逐漸取代傳統(tǒng)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(xiàn)了各個典型環(huán)節(jié)的時域響應(yīng)，如一階系統(tǒng)和二階振蕩系統(tǒng)，還編寫了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)程序，可以畫出系統(tǒng)正弦信號下的奈奎斯特圖和伯德圖，進而分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度。
通過MATLAB、LabVIEW等實驗軟件，加強了學(xué)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(xué)生的成績結(jié)構(gòu)是：平時課堂表現(xiàn)10%，課后作業(yè)10%，實驗成績20%，期末成績60%。通過這樣的設(shè)置，使學(xué)生開始注重課程的過程學(xué)習(xí)，讓學(xué)生學(xué)好每一個章節(jié)，并及時做課后習(xí)題。加大實驗環(huán)節(jié)的任務(wù)量，注重學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，減少學(xué)生應(yīng)付實驗教學(xué)的心理傾向。課程結(jié)束，鼓勵學(xué)生積極進行課程教學(xué)評價，反饋教學(xué)效果。
堅持考教分離的教學(xué)考核模式。根據(jù)學(xué)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(yīng)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(zhì)量。
閱卷后衡量教學(xué)效果，并總結(jié)考試整體情況，編寫試卷分析報告，為今后的教學(xué)完善提供參考意見。同時，開展學(xué)生對課程的整體評教活動。讓學(xué)生評價教師的教學(xué)效果和質(zhì)量，從而讓一大批深受學(xué)生歡迎的一線教師脫穎而出，為學(xué)校的整體教學(xué)質(zhì)量提高創(chuàng)造良好的教學(xué)氣氛。
五、總結(jié)
“機械工程控制基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革在我院的五個專業(yè)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實踐環(huán)節(jié)和考核制度四個方面進行了初步嘗試，取得了良好的教學(xué)效果：學(xué)生的日常學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性日益濃厚;完善了實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生的計算機編程和動手能力逐步增強;完善了考核制度，學(xué)生的考核更加合理，教師的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平也在穩(wěn)步提高。
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