有關(guān)《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程建設(shè)與教學(xué)改革探索論文
《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》是機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)和測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程的主要內(nèi)容是依托控制論的理論基礎(chǔ)，研究和分析機(jī)械工程技術(shù)中的實(shí)際問(wèn)題.具體涵蓋兩個(gè)方面的內(nèi)容:①熟悉并掌握機(jī)械工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)方式及一般分析方法，對(duì)機(jī)電系統(tǒng)中存在的問(wèn)題能夠用控制論的觀點(diǎn)和科學(xué)的思維方法進(jìn)行分析，以找出問(wèn)題的本質(zhì)和準(zhǔn)確有效的解決方法.②如何控制一個(gè)機(jī)電系統(tǒng)，使之按預(yù)定的運(yùn)算規(guī)律運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到預(yù)定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制并生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品打下基礎(chǔ).
該課程從信號(hào)傳遞、信號(hào)轉(zhuǎn)換和反饋等角度來(lái)分析系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能和行為，從自動(dòng)控制理論的角度解決生產(chǎn)過(guò)程中存在的實(shí)際問(wèn)題.為使系統(tǒng)按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)最佳控制打下基礎(chǔ)，且可為后續(xù)的機(jī)械類相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，如機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工業(yè)機(jī)器人等打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ).《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》研究的問(wèn)題帶有普遍性，對(duì)工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義，該課程的開(kāi)設(shè)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用控制原理的基本方法，分析和解決各種工程問(wèn)題具有重要作用.
1課程特點(diǎn)及目前教學(xué)中存在的問(wèn)題
與專業(yè)課是掌握某些具體的工程技術(shù)和具體的軟件等學(xué)習(xí)工具不同，《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》比較抽象，需要數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)知識(shí)的支撐.因此，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生普遍存在不知道為什么學(xué)、怎么學(xué)等問(wèn)題，久而久之，就會(huì)失去學(xué)習(xí)興趣甚至產(chǎn)生厭學(xué)現(xiàn)象.因此，教學(xué)效果并不理想，教學(xué)過(guò)程中存在以下一些問(wèn)題.
首先，《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》理論性很強(qiáng)，從課程內(nèi)容看，主要包括系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、時(shí)域頻域分析、穩(wěn)定性分析和控制器設(shè)計(jì)等.雖然建模階段工程實(shí)例較多，但其他部分大都是理論分析.如果在學(xué)習(xí)過(guò)程中，脫離工程實(shí)踐，不能搞懂這些理論分析作用和依據(jù)，而只會(huì)套公式，就會(huì)使學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)，使其失去學(xué)習(xí)興趣，影響學(xué)習(xí)效果.其次，由于應(yīng)用型本科學(xué)生的特點(diǎn)，導(dǎo)致其數(shù)理知識(shí)往往比較薄弱，而該課程恰恰又對(duì)其要求較高，就會(huì)造成脫節(jié).另外，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中往往只是掌握了一些孤立的知識(shí)點(diǎn)，而不能用全面和整體的觀點(diǎn)去分析與綜合知識(shí).
因此，對(duì)《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)模式和教學(xué)方法的改革，對(duì)于提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，構(gòu)建學(xué)生的專業(yè)知識(shí)體系十分必要.
2課程改革采取的主要措施和方法
2.1重視緒論學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣
學(xué)生要了解這門(mén)課程的主要內(nèi)容，學(xué)來(lái)做什么的，因此對(duì)第一堂課往往最感興趣.第一堂課的教學(xué)質(zhì)量在很大程度上影響學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)的積極性.
首先從學(xué)生比較熟悉的例子如電飯煲、冰箱、空調(diào)和學(xué)生比較感興趣的例子如飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等入手，介紹什么是自動(dòng)控制，如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制.此外，將自動(dòng)控制系統(tǒng)中的各環(huán)節(jié)與人體的各個(gè)部位聯(lián)系起來(lái)，減少對(duì)控制論學(xué)習(xí)的神秘感，加深對(duì)控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí).
在闡述控制論發(fā)展時(shí)，以我國(guó)古代的指南車、瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)離心調(diào)速器為例，此外介紹我國(guó)錢(qián)學(xué)森等科學(xué)家對(duì)控制論的貢獻(xiàn).使學(xué)生了解前人對(duì)控制理論的貢獻(xiàn)，樹(shù)立學(xué)習(xí)目標(biāo).
總之，通過(guò)緒論的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解課程的設(shè)置、學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)難點(diǎn)、學(xué)習(xí)方法、課程的教學(xué)安排及考核方式.通過(guò)上述舉措，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)識(shí)，以取得良好的開(kāi)端.
2.2適當(dāng)補(bǔ)習(xí)部分基礎(chǔ)理論知識(shí)
如上所述，學(xué)習(xí)該課程的一大障礙就是對(duì)數(shù)理知識(shí)要求較高.主要包括:牛頓定律、庫(kù)克定律等力學(xué)知識(shí);歐姆定律、基爾霍夫定律、電磁感應(yīng)定律等電學(xué)知識(shí);微分方程、Laplace變換等數(shù)學(xué)知識(shí).在課程學(xué)習(xí)之前，可以建議學(xué)生課下復(fù)習(xí)力學(xué)和電學(xué)知識(shí)，也可在應(yīng)用到這些知識(shí)時(shí)適當(dāng)進(jìn)行復(fù)習(xí).微分方程和Laplace變換是學(xué)習(xí)傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)，而由于課程設(shè)置的局限及學(xué)生基礎(chǔ)的薄弱，需在第二章講述傳遞函數(shù)之前對(duì)微分方程和Laplace變換的'相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充.
2.3注重理解與應(yīng)用，適當(dāng)減少公式推演
《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》教學(xué)內(nèi)容較多，按現(xiàn)有的課時(shí)無(wú)法完成全部?jī)?nèi)容的學(xué)習(xí).需依據(jù)培養(yǎng)計(jì)劃和應(yīng)用型本科的特點(diǎn)，精選教學(xué)內(nèi)容，制訂教學(xué)大綱.根據(jù)學(xué)�，F(xiàn)狀，將教學(xué)重點(diǎn)放在系統(tǒng)建模、時(shí)域分析、頻域分析、穩(wěn)定性分析、控制器設(shè)計(jì)上.在內(nèi)容組織上強(qiáng)調(diào)循序漸進(jìn)，重視概念的理解及知識(shí)的應(yīng)用，適當(dāng)減少公式的推演.
例如，穩(wěn)定判據(jù)的推導(dǎo)過(guò)程非常復(fù)雜，米哈伊洛夫穩(wěn)定定理、開(kāi)閉環(huán)傳遞函數(shù)以及Nyquist圖之間的關(guān)系比較復(fù)雜，常常要花上一堂課的時(shí)間進(jìn)行推導(dǎo)，即使學(xué)習(xí)程度較好的學(xué)生理解起來(lái)也顯得吃力.這就有可能會(huì)使部分學(xué)生感到厭煩，產(chǎn)生畏懼心理.因此在教學(xué)過(guò)程中可以先著重介紹判據(jù)本身及其應(yīng)用，最后再適當(dāng)講解其推導(dǎo)過(guò)程，這樣即使學(xué)生對(duì)推導(dǎo)過(guò)程理解不透，也不妨礙對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用.
2.4精選工程案例，貫穿于課程教學(xué)的始終
在教學(xué)過(guò)程中，教材已經(jīng)給出了一些工程實(shí)例，但這些實(shí)例比較零散，教材前后各章節(jié)之間的實(shí)例聯(lián)系不夠緊密，這些例子雖然對(duì)學(xué)生理解各章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)有所幫助，但不便于從整體上理解所學(xué)知識(shí)是怎樣和工程應(yīng)用結(jié)合的.從工程實(shí)際中找到或設(shè)計(jì)出理論覆蓋面廣、貫穿課程整體內(nèi)容且大部分學(xué)生能參與分析討論的工程實(shí)例.在各章節(jié)教學(xué)過(guò)程中，盡量以此工程實(shí)例為范例，這樣便于學(xué)生系統(tǒng)地理解各章節(jié)核心內(nèi)容在該工程實(shí)例中的作用，可以很大程度地解決為什么學(xué)的問(wèn)題.還可以在課程的開(kāi)始就能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到教學(xué)目的.
經(jīng)過(guò)綜合分析和探索，在教學(xué)中引入了雷達(dá)天線伺服控制作為系統(tǒng)案例.在緒論中就引入該案例，介紹該系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，所起的主要作用，以方框圖的形式體現(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)成，分塊講述基本的工作原理等知識(shí)，并告訴學(xué)生，學(xué)完本課程，就有能力分析與設(shè)計(jì)像這樣類型的控制系統(tǒng).將枯燥的理論學(xué)習(xí)與學(xué)生心目中高大上的雷達(dá)實(shí)際的工程實(shí)例聯(lián)系起來(lái)，將其學(xué)習(xí)興趣調(diào)動(dòng)到最佳狀態(tài).
在系統(tǒng)建模、時(shí)域分析、頻域分析、穩(wěn)定性分析、控制器設(shè)計(jì)等章節(jié)均以該實(shí)例為基礎(chǔ)，討論如何一步步地對(duì)雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行上述分析與設(shè)計(jì)，使學(xué)生始終將所學(xué)理論知識(shí)點(diǎn)和雷達(dá)系統(tǒng)的相應(yīng)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)上，這樣有利于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的系統(tǒng)理解和工程應(yīng)用能力的提高.
2.5加強(qiáng)Matlab軟件在教學(xué)中的應(yīng)用
Matlab可以很方便地對(duì)線性連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析、求取時(shí)域指標(biāo)，還可以繪制系統(tǒng)的波特圖、奈奎斯特圖，求系統(tǒng)的頻域指標(biāo)等.將Matlab軟件應(yīng)用于課堂教學(xué)中，教師在講解這些內(nèi)容時(shí)，可以節(jié)約作圖時(shí)間，而且其圖形更形象、直觀.學(xué)生在課下使用Matlab軟件，不僅能快速方便地完成一些較復(fù)雜的模型分析計(jì)算，還能直觀形象地看到計(jì)算結(jié)果.因此，為了加深學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解，避免學(xué)習(xí)過(guò)程過(guò)于單調(diào)枯燥，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將軟件引入課堂教學(xué)過(guò)程中無(wú)疑是一種切實(shí)可行的方法.在進(jìn)行Matlab演示時(shí)，要盡量利用可視化程度高的Simulink進(jìn)行，這樣可以盡可能地避免從理論公式推導(dǎo)的枯燥又進(jìn)入到Matlab編程的枯燥.
此外，通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明，把Matlab軟件部分安排在各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之后而不是章節(jié)的最后，會(huì)取得更好的效果.此外，可以在課后作業(yè)中增加Matlab仿真作業(yè)，這樣課堂講授的概念和方法可以在作業(yè)中得到復(fù)習(xí)，在仿真型作業(yè)中得到驗(yàn)證.既復(fù)習(xí)和鞏固了課堂的知識(shí)，又為進(jìn)一步學(xué)習(xí)Matlab提供了基礎(chǔ).
2.6改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)
以往的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，均采用在電腦上用Matlab軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證的方式進(jìn)行，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，對(duì)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、作用、分析等仍然理解不深，不能很好地把實(shí)驗(yàn)結(jié)果和工程實(shí)際結(jié)合起來(lái).為了改變這種現(xiàn)狀，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均改為在機(jī)電系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等儀器設(shè)備上完成.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括控制系統(tǒng)時(shí)域分析、控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定、水箱液位控制、倒立擺控制等內(nèi)容.這些項(xiàng)目的開(kāi)展可以加深學(xué)生對(duì)書(shū)本知識(shí)的理解，將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用更好地聯(lián)系起來(lái).
另外，為培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，利用綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及典型機(jī)電對(duì)象、傳感器、控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，利用硬件設(shè)備搭建系統(tǒng)、設(shè)計(jì)控制器及參數(shù)整定，最終完成系統(tǒng)的調(diào)試及系統(tǒng)性能測(cè)試等項(xiàng)目.學(xué)生不但可以通過(guò)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)獲取知識(shí)，還可以從成敗中獲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提高自身的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力.
3結(jié)束語(yǔ)
將工程實(shí)際中簡(jiǎn)化而來(lái)的小型系統(tǒng)案例雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)貫穿于課程教學(xué)的始終，這樣便于學(xué)生理解各章節(jié)內(nèi)容在該工程實(shí)例中的作用，可以將理論知識(shí)與具體實(shí)際聯(lián)系起來(lái)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，減少厭學(xué)現(xiàn)象.此外，將Matlab引入課堂教學(xué)和課后作業(yè)，使教學(xué)更加形象生動(dòng).實(shí)踐表明:該教學(xué)方法有效地提高了學(xué)生對(duì)機(jī)電控制系統(tǒng)的整體分析與綜合設(shè)計(jì)能力，學(xué)習(xí)針對(duì)性和主動(dòng)性顯著增強(qiáng).
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