淺論機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的教學(xué)探索論文
“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程側(cè)重于原理的闡釋，其內(nèi)容密切結(jié)合工程實(shí)際，是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。對(duì)于機(jī)械工程類專業(yè)的本科生來講，掌握好本課程的基本原理和方法，將對(duì)他們其他課程的學(xué)習(xí)甚至以后的工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，同時(shí)對(duì)培養(yǎng)他們科學(xué)的思維方法和創(chuàng)新能力也會(huì)起到重要的作用。然而，筆者從多年的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，因本課程涉及知識(shí)面廣，內(nèi)容抽象，難以理解，許多學(xué)生學(xué)習(xí)起來一知半解，難以進(jìn)入狀態(tài)，甚至覺得空洞無物。為了提高本課程教學(xué)效果，使之起到專業(yè)基礎(chǔ)課應(yīng)有的作用，筆者結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，探索出幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。
一、營造氛圍：人文思想的注入
《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》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(yè)課當(dāng)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(fā)展中提到“經(jīng)典控制理論源于1788年JamesWatt的蒸汽機(jī)離心調(diào)速器所帶來的離心調(diào)速問題……然而，我國早在北宋時(shí)期的燕肅就發(fā)明了指南車，這是控制論思想的集中體現(xiàn)”，并列舉了一系列我國古代各種發(fā)明創(chuàng)造中體現(xiàn)控制領(lǐng)域發(fā)展的實(shí)例。這些內(nèi)容不僅體現(xiàn)出一個(gè)學(xué)者的愛國情懷，而且對(duì)理工科教育中人文思想的缺失進(jìn)行了有效補(bǔ)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(nèi)涵，以自己的言行舉止引導(dǎo)學(xué)生。如果教師有淵博的學(xué)識(shí)，能以振興中華為己任，用高昂的激情去感染學(xué)生，用父母般的愛心去澆灌學(xué)生，用科學(xué)的方法去指引學(xué)生，告訴學(xué)生學(xué)習(xí)的目的是要“修身，齊家，治國，平天下”，學(xué)生們一定會(huì)被吸引、被感化。正如本教材中提到的哲學(xué)觀點(diǎn)“外因是變化的條件，內(nèi)因是變化的根本”一樣，學(xué)習(xí)的動(dòng)力由內(nèi)而外，學(xué)習(xí)的效果自然非常顯著。
二、鞏固基礎(chǔ)：構(gòu)建完備的知識(shí)結(jié)構(gòu)
“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”是機(jī)械學(xué)科中的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，本課程以數(shù)學(xué)、物理學(xué)以及相關(guān)學(xué)科為理論基礎(chǔ)，以機(jī)械工程中有關(guān)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為其抽象、概括與研究的對(duì)象。因此要求本學(xué)科學(xué)生要有良好的數(shù)學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、機(jī)械學(xué)的基礎(chǔ)，有一定的機(jī)械工程方面的專業(yè)知識(shí)。要想學(xué)好本門課程，學(xué)生必須具有多學(xué)科的知識(shí)積累。而學(xué)生們雖然學(xué)過相關(guān)課程，但是時(shí)間一長就忘得差不多了。因此必須在講課中要對(duì)使用到的基礎(chǔ)知識(shí)作些簡單的提示和回顧，并鼓勵(lì)學(xué)生們進(jìn)行復(fù)習(xí)。例如在講到“系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型”一章時(shí)，分別會(huì)講到動(dòng)力學(xué)的例子，電學(xué)的例子，液壓系統(tǒng)，甚至混合構(gòu)成的系統(tǒng)。這時(shí)老師要及時(shí)給學(xué)生補(bǔ)充該部分內(nèi)容知識(shí)，如“牛頓第三運(yùn)動(dòng)定理”、“基爾霍夫定律”、“運(yùn)算放大器原理”、“液壓原理”等等，這樣學(xué)生在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)就會(huì)很清楚地知道這些數(shù)學(xué)模型是建立在哪些理論基礎(chǔ)上，并且知道如何應(yīng)用原來學(xué)過的定律或理論去解決問題，就會(huì)有一個(gè)完備的知識(shí)框架，也能夠從中體會(huì)到原來各門學(xué)科之間其實(shí)是相通的。當(dāng)然，介紹這些內(nèi)容時(shí)只是“點(diǎn)到為止”，或只介紹核心內(nèi)容，不適合占很大的篇幅。
三、深入淺出，拒絕空洞的理論
“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程給很多學(xué)生的感覺就是“抽象”，因?yàn)樗难芯康膶?duì)象是“系統(tǒng)”，系統(tǒng)“可大可小，可繁可簡，甚至可實(shí)可虛”�？刂评碚摫旧聿粌H是一門學(xué)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(xué)生的是思想，是方法。這樣就產(chǎn)生一個(gè)普遍的現(xiàn)象：老師在空談理論，只講原則，學(xué)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(jié)的經(jīng)驗(yàn)如下。
1.復(fù)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(fù)雜，證明起來則更難。對(duì)于這樣一些知識(shí)點(diǎn)，教師應(yīng)分三個(gè)步驟來講授，即理論的.簡化;理論的應(yīng)用;理論的推導(dǎo)和證明。在較短時(shí)間讓學(xué)生達(dá)到前兩步的要求，學(xué)生理解了基本原理，知道了如何應(yīng)用，就會(huì)產(chǎn)生巨大的成就感，會(huì)增強(qiáng)學(xué)習(xí)積極性，進(jìn)而很好地去理解該理論的具體推導(dǎo)和證明。反之，如果按照常規(guī)步驟——從理論證明到理論應(yīng)用的順序去組織課堂教學(xué)，學(xué)生感覺理論證明非常復(fù)雜而產(chǎn)生畏難情緒，導(dǎo)致如何應(yīng)用該理論也成問題了。
例如，在講到奈奎斯特穩(wěn)定穩(wěn)定判據(jù)一節(jié)時(shí)，其理論的推導(dǎo)過程十分復(fù)雜，涉及到幅角原理、開環(huán)傳遞函數(shù)、閉環(huán)傳遞函數(shù)以及奈奎斯特軌跡之間的復(fù)雜關(guān)系，一般要花上約40分鐘時(shí)間才能完成整個(gè)推導(dǎo)過程，即使基礎(chǔ)很好的學(xué)生也很難在如此長的時(shí)間段內(nèi)保持高度的注意力。為了解決學(xué)生接受困難的問題，我們分析后發(fā)現(xiàn)，該理論推導(dǎo)雖復(fù)雜，但是基本思想和原理可以簡化，同時(shí)該理論的應(yīng)用其實(shí)很簡單。因此在教學(xué)中調(diào)整思路和順序，先講簡化的原理“奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)是幾何判據(jù)，它的基本原理是畫出開環(huán)函數(shù)的奈奎斯特，然后根據(jù)該軌跡繞復(fù)平面特定點(diǎn)的圈數(shù)來判別對(duì)應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”，至于說如何判斷穩(wěn)定性就是該原理應(yīng)用的問題，只需要進(jìn)行以下三個(gè)步驟：求出開環(huán)函數(shù)在右半平面的極點(diǎn)數(shù)目P;開環(huán)奈奎斯特逆時(shí)針包含(-1，j0)點(diǎn)的圈數(shù)P1;如果P與P1相等，則閉環(huán)穩(wěn)定，反之不穩(wěn)定。然后才開始向?qū)W生講解如何一步步證明奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)。即使最后一步的推導(dǎo)過程學(xué)生暫時(shí)不理解也不妨礙學(xué)生對(duì)該理論的基本認(rèn)識(shí)和應(yīng)用。
2.將抽象的內(nèi)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(xué)過程如果僅限于理論的介紹和論述，學(xué)生不僅覺得空洞而且乏味。如果教師能夠結(jié)合一些具體和形象的例子會(huì)產(chǎn)生事半功倍的效果。例如在講到系統(tǒng)穩(wěn)定性定義時(shí)，描述“系統(tǒng)穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在初始狀態(tài)影響下，由它引起的系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)隨時(shí)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(gè)概念及其內(nèi)涵和外延，可是學(xué)生并沒有什么直觀形象的感覺。而當(dāng)我們通過模型來展示什么是系統(tǒng)的穩(wěn)定(不穩(wěn)定)時(shí)，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(dòng)：引發(fā)積極的思考
正因?yàn)椤皺C(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程的抽象和復(fù)雜，如果教學(xué)過程僅僅是單一的講授，必然風(fēng)過無痕，學(xué)生印象不深，課程一結(jié)束便什么收獲都沒有。學(xué)生只有積極地跟隨老師的思路進(jìn)行思考，進(jìn)行討論，甚至是質(zhì)疑，初步領(lǐng)會(huì)的知識(shí)才會(huì)真正成為學(xué)生自己的東西，才能記住和運(yùn)用。一般可以采用的方式有如下幾點(diǎn):課堂即興提問;設(shè)置討論焦點(diǎn)，鼓勵(lì)踴躍發(fā)言;鼓勵(lì)不同聲音乃至質(zhì)疑。這些方法的引入有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，增強(qiáng)其參與意識(shí)和合作精神，培養(yǎng)其獨(dú)立思考的方式，鍛煉其語言表達(dá)能力，創(chuàng)造生動(dòng)活潑的教學(xué)氛圍。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，許多學(xué)生對(duì)某些理論知識(shí)有所了解后，非常愿意把自己的觀點(diǎn)、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(shí)，師生平等的民主氛圍使學(xué)生更樂于參與互動(dòng)，從而備受學(xué)生的歡迎。
五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：理論聯(lián)系實(shí)際
實(shí)踐是理論的基礎(chǔ)，是理論的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)，實(shí)踐對(duì)理論起決定作用，理論必須與實(shí)踐緊密結(jié)合�！皺C(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程本身實(shí)踐性較強(qiáng)，離開實(shí)踐，就如同空中樓閣，就會(huì)喪失生命力和可信度。為提高教學(xué)效果和質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，合理確定實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容與形式，我們主要采用計(jì)算機(jī)模擬方法和實(shí)際電路兩種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。比如，通過MATLAB軟件對(duì)系統(tǒng)(一階、二階、高階)的時(shí)域響應(yīng)曲線和頻率特性的Nyquist圖、Bode圖進(jìn)行繪制和分析，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，求得系統(tǒng)的性能指標(biāo)等。這些模擬實(shí)驗(yàn)給學(xué)生以真實(shí)、具體的感性認(rèn)識(shí)，然后引導(dǎo)學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)析。在這種模擬的情況下，學(xué)生就必須積極思考，充分利用掌握的知識(shí)來處理計(jì)算機(jī)模擬的實(shí)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(xué)生的角色發(fā)生了轉(zhuǎn)變，增加了學(xué)生理解、掌握理論并加以運(yùn)用的動(dòng)力和積極性，有助于改進(jìn)他們消極被動(dòng)接受知識(shí)的不良習(xí)慣，提高教學(xué)效率。
六、反饋調(diào)節(jié)：持續(xù)改進(jìn)的良方
控制領(lǐng)域內(nèi)有一個(gè)貫穿始終的觀點(diǎn)就是“反饋”，其核心思想就是“檢測偏差，消除偏差”。其實(shí)這個(gè)道理可以用在任何領(lǐng)域內(nèi)，教學(xué)過程也不例外。教師應(yīng)在教學(xué)過程中經(jīng)常告訴學(xué)生自己的教學(xué)計(jì)劃，教學(xué)目標(biāo)和想法。同時(shí)，有針對(duì)性地了解學(xué)生對(duì)自己教學(xué)情況的看法和意見，及時(shí)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(jìn)行方式方法的調(diào)節(jié)。這樣調(diào)動(dòng)了學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣，使一度教與學(xué)嚴(yán)重脫節(jié)的問題得以改善，從而達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。
七、結(jié)束語
總之，通過近幾年“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程的教學(xué)實(shí)踐，深切體會(huì)到用人文思想去感染學(xué)生，溫故而知新，由簡入繁，互動(dòng)參與，知行合一，以及反饋改進(jìn)等方法手段的重要性和有效性。在此與專業(yè)課教學(xué)的老師一起探討，有不妥之處請(qǐng)廣大同仁批評(píng)指正。在課程教與學(xué)的實(shí)踐中還有很長的路要走，我們期待通過不斷創(chuàng)新、不斷實(shí)踐、不斷改進(jìn)，找出一條適合本學(xué)科教學(xué)的成功之路。
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