浅论机械工程控制基础课程的教学探索

　　机械工程控制基础课程侧重于原理的阐释，其内容密切结合工程实际，是一门非常重要的专业基础课。对于机械工程类专业的本科生来讲，掌握好本课程的基本原理和方法，将对他们其他课程的学习甚至以后的工作产生深远的影响，同时对培养他们科学的思维方法和创新能力也会起到重要的作用。然而，笔者从多年的教学实践中发现，因本课程涉及知识面广，内容抽象，难以理解，许多学生学习起来一知半解，难以进入状态，甚至觉得空洞无物。为了提高本课程教学效果，使之起到专业基础课应有的作用，笔者结合多年的教学实践，探索出几点经验。
　　一、营造氛围：人文思想的注入
　　《机械工程控制基础》教材（15版）的编著者，中科院院士杨叔子先生是率先在高校中推行人文教育的前辈，并在其文章中将人文思想引入专业课当中，在教材中处处可以看到人文思想的痕迹。例如在控制理论发展中提到经典控制理论源于1788年JamesWatt的蒸汽机离心调速器所带来的离心调速问题然而，我国早在北宋时期的燕肃就发明了指南车，这是控制论思想的集中体现，并列举了一系列我国古代各种发明创造中体现控制领域发展的实例。这些内容不仅体现出一个学者的爱国情怀，而且对理工科教育中人文思想的缺失进行了有效补充。
　　作为本门课程的教师，要像杨叔子先生那样，首先丰富自己的内涵，以自己的言行举止引导学生。如果教师有渊博的学识，能以振兴中华为己任，用高昂的激情去感染学生，用父母般的爱心去浇灌学生，用科学的方法去指引学生，告诉学生学习的目的是要修身，齐家，治国，平天下，学生们一定会被吸引、被感化。正如本教材中提到的哲学观点外因是变化的条件，内因是变化的根本一样，学习的动力由内而外，学习的效果自然非常显著。
　　二、巩固基础：构建完备的知识结构
　　机械工程控制基础是机械学科中的一门技术基础课，本课程以数学、物理学以及相关学科为理论基础，以机械工程中有关系统动力学为其抽象、概括与研究的对象。因此要求本学科学生要有良好的数学、力学、电学、机械学的基础，有一定的机械工程方面的专业知识。要想学好本门课程，学生必须具有多学科的知识积累。而学生们虽然学过相关课程，但是时间一长就忘得差不多了。因此必须在讲课中要对使用到的基础知识作些简单的提示和回顾，并鼓励学生们进行复习。例如在讲到系统的数学模型一章时，分别会讲到动力学的例子，电学的例子，液压系统，甚至混合构成的系统。这时老师要及时给学生补充该部分内容知识，如牛顿第三运动定理、基尔霍夫定律、运算放大器原理、液压原理等等，这样学生在建立数学模型时就会很清楚地知道这些数学模型是建立在哪些理论基础上，并且知道如何应用原来学过的定律或理论去解决问题，就会有一个完备的知识框架，也能够从中体会到原来各门学科之间其实是相通的。当然，介绍这些内容时只是点到为止，或只介绍核心内容，不适合占很大的篇幅。
　　三、深入浅出，拒绝空洞的理论
　　机械工程控制基础课程给很多学生的感觉就是抽象，因为它的研究的对象是系统，系统可大可小，可繁可简，甚至可实可虚。控制理论本身不仅是一门学科，而且是一门卓越的方法论，它的思考、分析与解决问题的思想方法是符合唯物辩证法的。因此本课程要真正传授给学生的是思想，是方法。这样就产生一个普遍的现象：老师在空谈理论，只讲原则，学生们感觉云里雾里，一知半解。
　　要消除空洞理论的方法，必须采用各种一定的技巧，深入浅出地分析问题，笔者总结的经验如下。
　　1。复杂的原理简单化、雏形化
　　本课程中有些理论理解起来非常复杂，证明起来则更难。对于这样一些知识点，教师应分三个步骤来讲授，即理论的简化；理论的应用；理论的推导和证明。在较短时间让学生达到前两步的要求，学生理解了基本原理，知道了如何应用，就会产生巨大的成就感，会增强学习积极性，进而很好地去理解该理论的具体推导和证明。反之，如果按照常规步骤从理论证明到理论应用的顺序去组织课堂教学，学生感觉理论证明非常复杂而产生畏难情绪，导致如何应用该理论也成问题了。
　　例如，在讲到奈奎斯特稳定稳定判据一节时，其理论的推导过程十分复杂，涉及到幅角原理、开环传递函数、闭环传递函数以及奈奎斯特轨迹之间的复杂关系，一般要花上约40分钟时间才能完成整个推导过程，即使基础很好的学生也很难在如此长的时间段内保持高度的注意力。为了解决学生接受困难的问题，我们分析后发现，该理论推导虽复杂，但是基本思想和原理可以简化，同时该理论的应用其实很简单。因此在教学中调整思路和顺序，先讲简化的原理奈奎斯特稳定判据是几何判据，它的基本原理是画出开环函数的奈奎斯特，然后根据该轨迹绕复平面特定点的圈数来判别对应闭环系统的稳定性，至于说如何判断稳定性就是该原理应用的问题，只需要进行以下三个步骤：求出开环函数在右半平面的极点数目P；开环奈奎斯特逆时针包含（1，j0）点的圈数P1；如果P与P1相等，则闭环稳定，反之不稳定。然后才开始向学生讲解如何一步步证明奈奎斯特稳定判据。即使最后一步的推导过程学生暂时不理解也不妨碍学生对该理论的基本认识和应用。
　　2。将抽象的内容具体化，将无形的理论有形化
　　控制理论中大部分理论都比较抽象，教学过程如果仅限于理论的介绍和论述，学生不仅觉得空洞而且乏味。如果教师能够结合一些具体和形象的例子会产生事半功倍的效果。例如在讲到系统稳定性定义时，描述系统稳定性是指系统在初始状态影响下，由它引起的系统的时间响应随时间推移，逐渐衰减并趋向于零，仅就该定义本身，教师可能要花很多精力去解释每个概念及其内涵和外延，可是学生并没有什么直观形象的感觉。而当我们通过模型来展示什么是系统的稳定（不稳定）时，就显得非常形象直观，基本上不需要太多的解释了。
　　四、课堂互动：引发积极的思考
　　正因为机械工程控制基础课程的抽象和复杂，如果教学过程仅仅是单一的讲授，必然风过无痕，学生印象不深，课程一结束便什么收获都没有。学生只有积极地跟随老师的思路进行思考，进行讨论，甚至是质疑，初步领会的知识才会真正成为学生自己的东西，才能记住和运用。一般可以采用的方式有如下几点：课堂即兴提问；设置讨论焦点，鼓励踊跃发言；鼓励不同声音乃至质疑。这些方法的引入有利于激发学生的学习主动性和积极性，增强其参与意识和合作精神，培养其独立思考的方式，锻炼其语言表达能力，创造生动活泼的教学氛围。笔者在教学中发现，许多学生对某些理论知识有所了解后，非常愿意把自己的观点、意见讲出来，与其他人交流、探讨，这就为讨论法提供了条件。同时，师生平等的民主氛围使学生更乐于参与互动，从而备受学生的欢迎。
　　五、实验验证：理论联系实际
　　实践是理论的基础，是理论的出发点和归宿点，实践对理论起决定作用，理论必须与实践紧密结合。机械工程控制基础课程本身实践性较强，离开实践，就如同空中楼阁，就会丧失生命力和可信度。为提高教学效果和质量，增强学生的学习兴趣，合理确定实践教学的内容与形式，我们主要采用计算机模拟方法和实际电路两种方案进行实验。比如，通过MATLAB软件对系统（一阶、二阶、高阶）的时域响应曲线和频率特性的Nyquist图、Bode图进行绘制和分析，判断系统的稳定性，求得系统的性能指标等。这些模拟实验给学生以真实、具体的感性认识，然后引导学生对控制系统进行评析。在这种模拟的情况下，学生就必须积极思考，充分利用掌握的知识来处理计算机模拟的实际问题，这样就把抽象的讨论变成了具体的分析。这种方法使学生的角色发生了转变，增加了学生理解、掌握理论并加以运用的动力和积极性，有助于改进他们消极被动接受知识的不良习惯，提高教学效率。
　　六、反馈调节：持续改进的良方
　　控制领域内有一个贯穿始终的观点就是反馈，其核心思想就是检测偏差，消除偏差。其实这个道理可以用在任何领域内，教学过程也不例外。教师应在教学过程中经常告诉学生自己的教学计划，教学目标和想法。同时，有针对性地了解学生对自己教学情况的看法和意见，及时和他们保持交流沟通，获取反馈信息，然后利用这些反馈信息进行方式方法的调节。这样调动了学生对课程的学习兴趣，使一度教与学严重脱节的问题得以改善，从而达到预期的教学目标。
　　七、结束语
　　总之，通过近几年机械工程控制基础课程的教学实践，深切体会到用人文思想去感染学生，温故而知新，由简入繁，互动参与，知行合一，以及反馈改进等方法手段的重要性和有效性。在此与专业课教学的老师一起探讨，有不妥之处请广大同仁批评指正。在课程教与学的实践中还有很长的路要走，我们期待通过不断创新、不断实践、不断改进，找出一条适合本学科教学的成功之路。