有关机械工程控制基础课程建设与教学改革探索

　　《机械工程控制基础》是机械制造及其自动化专业和测控技术与仪器专业学生必修的一门重要的专业基础课，课程的主要内容是依托控制论的理论基础，研究和分析机械工程技术中的实际问题.具体涵盖两个方面的内容:①熟悉并掌握机械工程系统的数学模型表达方式及一般分析方法，对机电系统中存在的问题能够用控制论的观点和科学的思维方法进行分析，以找出问题的本质和准确有效的解决方法.②如何控制一个机电系统，使之按预定的运算规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实现自动控制并生产出合格的产品打下基础.
　　该课程从信号传递、信号转换和反馈等角度来分析系统的动静态性能和行为，从自动控制理论的角度解决生产过程中存在的实际问题.为使系统按预定的规律运动，达到预定的技术指标，实现最佳控制打下基础，且可为后续的机械类相关课程的学习，如机械工程测试技术、数控机床、机电一体化系统设计、工业机器人等打下坚实的理论基础.《机械工程控制基础》研究的问题带有普遍性，对工程实践具有重要的指导意义，该课程的开设对培养学生运用控制原理的基本方法，分析和解决各种工程问题具有重要作用.
　　1课程特点及目前教学中存在的问题
　　与专业课是掌握某些具体的工程技术和具体的软件等学习工具不同，《机械工程控制基础》比较抽象，需要数学、物理等基础知识的支撑.因此，在学习过程中，学生普遍存在不知道为什么学、怎么学等问题，久而久之，就会失去学习兴趣甚至产生厌学现象.因此，教学效果并不理想，教学过程中存在以下一些问题.
　　首先，《机械工程控制基础》理论性很强，从课程内容看，主要包括系统的数学模型、时域频域分析、稳定性分析和控制器设计等.虽然建模阶段工程实例较多，但其他部分大都是理论分析.如果在学习过程中，脱离工程实践，不能搞懂这些理论分析作用和依据，而只会套公式，就会使学生被动地接受知识，使其失去学习兴趣，影响学习效果.其次，由于应用型本科学生的特点，导致其数理知识往往比较薄弱，而该课程恰恰又对其要求较高，就会造成脱节.另外，学生在学习过程中往往只是掌握了一些孤立的知识点，而不能用全面和整体的观点去分析与综合知识.
　　因此，对《机械工程控制基础》课程进行适当的教学模式和教学方法的改革，对于提高该课程的教学质量，构建学生的专业知识体系十分必要.
　　2课程改革采取的主要措施和方法
　　2.1重视绪论学习，激发学习兴趣
　　学生要了解这门课程的主要内容，学来做什么的，因此对第一堂课往往最感兴趣.第一堂课的教学质量在很大程度上影响学生后续学习的积极性.
　　首先从学生比较熟悉的例子如电饭煲、冰箱、空调和学生比较感兴趣的例子如飞机、导弹、卫星等入手，介绍什么是自动控制，如何实现自动控制.此外，将自动控制系统中的各环节与人体的各个部位联系起来，减少对控制论学习的神秘感，加深对控制系统的认识.
　　在阐述控制论发展时，以我国古代的指南车、瓦特发明的蒸汽机离心调速器为例，此外介绍我国钱学森等科学家对控制论的贡献.使学生了解前人对控制理论的贡献，树立学习目标.
　　总之，通过绪论的学习，使学生了解课程的设置、学习中的重点难点、学习方法、课程的教学安排及考核方式.通过上述举措，激发学生的学习兴趣，加深学生对课程的认识，以取得良好的开端.
　　2.2适当补习部分基础理论知识
　　如上所述，学习该课程的一大障碍就是对数理知识要求较高.主要包括:牛顿定律、库克定律等力学知识;欧姆定律、基尔霍夫定律、电磁感应定律等电学知识;微分方程、Laplace变换等数学知识.在课程学习之前，可以建议学生课下复习力学和电学知识，也可在应用到这些知识时适当进行复习.微分方程和Laplace变换是学习传递函数的基础，而由于课程设置的局限及学生基础的薄弱，需在第二章讲述传递函数之前对微分方程和Laplace变换的相关内容进行补充.
　　2.3注重理解与应用，适当减少公式推演
　　《机械工程控制基础》教学内容较多，按现有的课时无法完成全部内容的学习.需依据培养计划和应用型本科的特点，精选教学内容，制订教学大纲.根据学校现状，将教学重点放在系统建模、时域分析、频域分析、稳定性分析、控制器设计上.在内容组织上强调循序渐进，重视概念的理解及知识的应用，适当减少公式的推演.
　　例如，稳定判据的推导过程非常复杂，米哈伊洛夫稳定定理、开闭环传递函数以及Nyquist图之间的关系比较复杂，常常要花上一堂课的时间进行推导，即使学习程度较好的学生理解起来也显得吃力.这就有可能会使部分学生感到厌烦，产生畏惧心理.因此在教学过程中可以先着重介绍判据本身及其应用，最后再适当讲解其推导过程，这样即使学生对推导过程理解不透，也不妨碍对该知识点的理解和应用.
　　2.4精选工程案例，贯穿于课程教学的始终
　　在教学过程中，教材已经给出了一些工程实例，但这些实例比较零散，教材前后各章节之间的实例联系不够紧密，这些例子虽然对学生理解各章节的知识点有所帮助，但不便于从整体上理解所学知识是怎样和工程应用结合的.从工程实际中找到或设计出理论覆盖面广、贯穿课程整体内容且大部分学生能参与分析讨论的工程实例.在各章节教学过程中，尽量以此工程实例为范例，这样便于学生系统地理解各章节核心内容在该工程实例中的作用，可以很大程度地解决为什么学的问题.还可以在课程的开始就能提高学生的学习兴趣，达到教学目的.
　　经过综合分析和探索，在教学中引入了雷达天线伺服控制作为系统案例.在绪论中就引入该案例，介绍该系统的应用领域，所起的主要作用，以方框图的形式体现系统的构成，分块讲述基本的工作原理等知识，并告诉学生，学完本课程，就有能力分析与设计像这样类型的控制系统.将枯燥的理论学习与学生心目中高大上的雷达实际的工程实例联系起来，将其学习兴趣调动到最佳状态.
　　在系统建模、时域分析、频域分析、稳定性分析、控制器设计等章节均以该实例为基础，讨论如何一步步地对雷达天线伺服控制系统进行上述分析与设计，使学生始终将所学理论知识点和雷达系统的相应环节对应上，这样有利于学生对理论知识的系统理解和工程应用能力的提高.
　　2.5加强Matlab软件在教学中的应用
　　Matlab可以很方便地对线性连续系统进行时域分析、求取时域指标，还可以绘制系统的波特图、奈奎斯特图，求系统的频域指标等.将Matlab软件应用于课堂教学中，教师在讲解这些内容时，可以节约作图时间，而且其图形更形象、直观.学生在课下使用Matlab软件，不仅能快速方便地完成一些较复杂的模型分析计算，还能直观形象地看到计算结果.因此，为了加深学生对课程知识的理解，避免学习过程过于单调枯燥，提高学生的学习兴趣，将软件引入课堂教学过程中无疑是一种切实可行的方法.在进行Matlab演示时，要尽量利用可视化程度高的Simulink进行，这样可以尽可能地避免从理论公式推导的枯燥又进入到Matlab编程的枯燥.
　　此外，通过教学实践证明，把Matlab软件部分安排在各个知识点之后而不是章节的最后，会取得更好的效果.此外，可以在课后作业中增加Matlab仿真作业，这样课堂讲授的概念和方法可以在作业中得到复习，在仿真型作业中得到验证.既复习和巩固了课堂的知识，又为进一步学习Matlab提供了基础.
　　2.6改进实验教学环节
　　以往的实验环节，均采用在电脑上用Matlab软件进行仿真验证的方式进行，学生完成实验后，对控制系统的构成、作用、分析等仍然理解不深，不能很好地把实验结果和工程实际结合起来.为了改变这种现状，将实验项目均改为在机电系统综合实验平台等仪器设备上完成.实验项目包括控制系统时域分析、控制器设计与参数整定、水箱液位控制、倒立摆控制等内容.这些项目的开展可以加深学生对书本知识的理解，将理论知识与实际应用更好地联系起来.
　　另外，为培养学生的动手能力和创新能力，增加设计性实验项目.学生在老师的指导下，利用综合实验平台以及典型机电对象、传感器、控制器及执行机构设计控制系统，利用硬件设备搭建系统、设计控制器及参数整定，最终完成系统的调试及系统性能测试等项目.学生不但可以通过设计性实验获取知识，还可以从成败中获取经验教训，提高自身的综合素质和创新能力.
　　3结束语
　　将工程实际中简化而来的小型系统案例雷达天线伺服控制系统贯穿于课程教学的始终，这样便于学生理解各章节内容在该工程实例中的作用，可以将理论知识与具体实际联系起来提高学生学习的兴趣，减少厌学现象.此外，将Matlab引入课堂教学和课后作业，使教学更加形象生动.实践表明:该教学方法有效地提高了学生对机电控制系统的整体分析与综合设计能力，学习针对性和主动性显著增强.