机械控制工程基础课程改革实践

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0引言

机械控制工程基础是机械类专业的必修课，是一门非常重要的专业基础课，在机械类专业的人才培养体系中起着承上启下的作用。①它基于经典控制理论，结合机械工程中的实际控制应用，介绍经典控制理论的基本概念、控制系统的数学模型、频率特性、稳定性分析、快速性分析、准确性分析及控制系统性能校正等。通过该课程的学习，使学生了解机械控制系统的基本结构和工作原理，掌握自动控制理论在机械工程中的具体应用；学会分析机械工程系统的稳定性、准确性、快速性等基本性能，掌握系统设计和校正的本方法；培养学生分析问题和解决问题的能力，为后续学习专业课以及从事相关工作打下基础。②机械控制工程基础是数理基础课程与专业课程之间的一道桥梁，课程中有大量的公式、定理、判据，涉及时间域、频率域和复数域，课程内容较枯燥。笔者通过多年的教学经验发现：学生感到该课程难度较大，对所学内容不易消化和吸收。这使得一部分学生在学习中的主动性变差，产生厌学情绪，从而严重影响到了课程的教学质量。这导致学生整个机械专业知识体系不完善，出现了中断，从而影响了人才培养质量。因此，结合机械控制工程基础的课程特点进行教学改革，对于提高该课程的教学质量，是十分必要的。本文根据机械控制工程基础课程特点，结合我校机械类专业特色，从课程的教学内容、教学手段及实验教学等方面开展了一定的探索和研究，对于促进学生学习的主动性和学习效果有一定的参考作用。

1我校机械类专业特色

长沙理工大学的“机械设计制造及其自动化”专业是学校的骨干专业，其起源于原湖南交通学校1956年创办的“船舶技术管理”专业和随后开设的“筑路工程机械”专业。1978年经国务院批准，在湖南交通学校的基础上创办长沙交通学院，归通部直接管理。自1979年始，筑路工程机械专业面向全国招收四年制本科生。1987年长沙交通学院开设机械制造工艺与设备专业，当年开始面向全国招收三年制大专班。1996年经教育部批准，在原机械制造工艺与设备专科专业的基础上创办“机械电子工程”四年制本科专业。1998年，“筑路工程机械”和“机械电子工程”两专业合并为“机械设计制造及其自动化”，设工程机械和机电一体化两个方向。几十年来，已培养了近三千名主要在机械和交通领域相关行业就业的毕业生，具有鲜明的机械行业和交通行业特色，形成了“立足交通和工程机械行业，传承‘铺路石’精神；夯实基础知识，突出机电一体化；强化工程实践与动手能力，培养面向基层的高级应用型人才”的专业特色。

2改革措施

根据机械控制工程基础课程特点，结合我校“机械设计制造及其自动化”专业特色，从教学内容理论联系实际、优化教学内容、实践环节注重虚实结合、多样化的教学手段、将CDIO教学理念引入教学等方面采取了措施进行了课程改革。

2.1教学内容理论联系实际

机械控制工程基础所讨论的问题源于工程实践，是进行自动控制系统性能分析和设计所面临的共性问题。随着工业化进程的不断加快和科学技术水平不断提高，控制理论的应用面越来越宽，知识体系越来越成熟。但由于本课程偏重理论基础的介绍，往往使学生在学习中对实际的控制系统缺乏感性知识，他们感到学习的内容比较抽象，和他们接触的控制系统差距很大，影响学习效果。因此，教师在教学过程中应注重理论联系实际。比如，讲到机械控制系统的组成时，多举一些工程机械控制系统和数控机床控制系统的实例，很容易提高学生的学习兴趣。这样既克服了该门课程的理论性和抽象性，又增加了学生的学习能动性，开阔了学生视野，从而很好地促进教学效果。

2.2优化教学内容

机械控制工程基础内容比较多而且也比较抽象，我校“机械设计制造及其自动化”专业培养计划中机械控制工程基础安排为2.5学分，40学时。由于课程知识点较多，在规定的时间难以把所有内容讲完。所以，我们必须加强课程知识体系的研究，对教学内容进行优化。根据我校机械工程专业状况，我们把课程教学内容重放在控制理论的基本概念、控制系统的数学模型、系统稳定性分析、系统快速性分析、系统准确性分析及系统性能校正等几部分，而对于要求较高的内容，如非线性控制系统、离散控制系统系统及根轨迹法等只作简要阐述，感兴趣的学生可以在课下和老师进行交流。

2.3实践环节注重“虚”、“实”结合

机械控制工程基础是一门注重实践、实践性很强的专业课程。实践环节对于培养学生分析问题并运用所学知识解决问题的能力起着非常重要的作用，有利于学生工程实践能力的提高。很多高校机械控制工程基础的实践环节一般借助MATLAB软件实施，通常是上机实验。③④然而，单纯采用MAT-LAB软件进行虚拟实验，不够直观，与工程实际有些脱节，激发不起学生兴趣，实验效果不是很理想。为此，我们对传统实验方式进行了改革，采取了“虚”、“实”结合的实验方式，一部分实验借助MATLAB软件平台上机进行，同时还开设了实物实验。学院为本课程购买了自动控制工程基础试验台，可以进行控制系统的时域响应分析、频率特性测试、校正设计等实物实验。相对于软件实验，利用真实的控制器件，更能激发学生的学习兴趣，提高学生主观能动性，学生也普遍反映更加喜欢这种实验形式，取得了较好效果。

2.4多样化的教学手段

机械控制工程基础课程中的许多概念和原理等内容，学习过程中需要大量复杂的计算、分析、作图，这使得传统的常规的课堂授课方法很难使学生充分消化吸收。要想获得较好的教学效果，必须对传统教学方法进行改革，采用多样化教学手段。为此，我们在课堂教学中采用“以多媒体教学为主，板书为辅”的方法，改变传统“板书教学”方式。同时，针对该课程理论性强、计算复杂、绘图工作量大的特点，将MATLAB软件引入教学中。MATLAB软件中有专门的控制系统分析和设计工具箱，比较容易绘制系统的时间响应曲线、Nyquist图、Bode图等，利用Simulink模块可以方便地进行控制系统的性能分析和设计，获得了良好的教学效果。

2.5将CDIO教学理念引入教学

CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Imple-ment）、运作（Operate）等四个英文单词的缩写，⑤代表了产品、系统或过程的整个生命周期的所有环节。CDIO工程教育教学模式的核心思想是把整个学习过程利用“工程项目”来组织，以学生在项目实施不同阶段的知识需求为驱动来安排教学内容和方法。由于机械控制工程基础这门课程系统性强，适合借助工程案例借助CDIO模式进行教学。作者针对机械控制工程基础课程特点提出的CDIO教学模式包括四个过程：构思、设计、实施和考核。老师针对所讲授的知识点结合具体的工程实例，提出了几个适合机械控制工程基础的“工程项目”，并力争把本门课程的主要知识点融入到“工程项目”中。在实施过程中，把学生分成若干小组，给每个小组分配不同的“工程项目”，针对所要学习的知识点，查阅资料，进行分组讨论，加深对知识的理解，并提出解决“工程项目”的具体方案。然后，合理综合课程内容，通过综合性实验或模拟仿真加以验证。最后，改革传统考核方式，加大学生在“工程项目”实施过程中和实践部分的考核分值，根据学生的考试成绩、“工程项目”实施中的表现、实践动手能力、创新能力等来综合评分。

3结语

高等教育的核心是提高人才培养质量，工程教育的目标是为社会输送合格的工程师，这些目标的实现是要落实在具体的教学过程中。随着自动控制技术的不断进步，当前高等工程教育对人才培养有了更高的要求，机械控制工程基础及其他相关课程的教学改革也应与时俱进，这就要求任课教师要树立“提高人才培养质量”的教学理念，不断改善教学方法，优化教学内容，精心组织教学过程，提高学生学习的主动性，使学生能够更好地学习和掌握相关专业知识，为自身全面发展创造良好的条件。笔者从教学内容理论联系实际、优化教学内容、实践环节注重虚实结合、多样化的教学手段、将CDIO教学理念引入教学等方面采取了措施进行了机械控制工程基础的课程改革，取得了良好的效果。

作者：唐宏宾 吴康雄 单位：长沙理工大学汽车与机械工程学院