《机械工程控制基础》教学改革探索

(重庆三峡学院机械工程学院 重庆 404000)



《机械工程控制基础》教学改革探索

徐海华

(重庆三峡学院机械工程学院重庆404000)

《机械工程控制基础》是一门机械类专业基础课，内容抽象并涉及多个领域知识的交叉融合，普遍反映学习难、实践难，学生严重缺乏学习兴趣。根据国内各高校对《机械工程控制基础》课程的教学研究，结合多年教学经验和学生学习心得，对本课程的理论与实验教学内容、教学方法和考核方式进行教学创新改革研究。

机械工程控制基础；创新；教学改革

一、教学背景

《机械工程控制基础》是一门理论性、系统性和逻辑性非常强的机械类专业基础课，内容抽象并且涉及高等数学、力学、电工学等多个领域知识的交叉融合。该课程既需要严格的理论推导与繁琐的数学证明，又涉及工程画图和工程设计法。学校将教学重点侧重于数学推导上，而忽略了与工程实践的结合。

二、教改目标

总结新老教师机械工程控制基础的教学方法和经验，以学生的学习心得为依据，根据当前控制论教学中存在的弊端分析，寻求新的教学思路，将抽象的控制论内容转化成具体化、工程化和实践化内容。力争使学生能深入掌握控制论思想，并能将理论与实践紧密结合，提高实际应用能力。使学生基本掌握自动控制系统性能分析及设计的方法和技巧，为进一步学习后续课程及今后的实际工作打下较坚实的基础。

三、教改内容

从《机械工程控制基础》知识体系来看，主要教学内容有系统的数学模型、时间响应分析、频率特性分析、稳定性判定、性能指标与校正等，这些内容理论性都比较强。因此，教学改革重点研究内容包括：

(一)学时分配研究

通常《机械工程控制基础》课程总学时为40多个，理论与实验学时比例约为9:1。对于一门应重视理论与实践的结合程度的机械类专业基础课，实验学时偏少。调整理论学时与实验学时的比例为7:3，理论学时调整为30多学时，实验学时为12个学时。

(二)理论教学研究

理论学时减少，应重新规划理论课教学计划。另外，教学过程中涉及到高等数学、力学和电工学等多门学科，注意提前帮学生补习前导课程的知识。教学中多引入一些机械、机电系统的相关实例，来计算数学模型、研究输入输出关系，研究系统稳定性等等。理论教学过程中，尽量从生活实例中发现问题、分析问题，培养学生的洞察力。

(三)实验教学研究

通过实验可使学生进一步掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法。实验设备有自动控制试验箱、计算机和示波器，除了进行一阶和二阶系统的典型信号响应分析外，可增加如下实验：

①控制系统的稳定性分析实验

观察系统的不稳定现象。研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。做实验之前，要求学生分析实验系统电路，掌握其工作原理。理论计算系统产生等幅振荡、增幅振荡、减幅振荡的条件。实验完成之后，要求学生绘制模拟电路图；画出系统增幅或减幅振荡的波形图。计算系统的临界放大系数，并与试验中测得的临界放大系数相比较。

②系统频率特性测量实验

加深了解频率特性的物理概念。掌握频率特性的测量方法。掌握利用“李沙育图形法”测量系统频率特性的方法。做实验之前，教师应该要求学生阅读实验原理部分，掌握李沙育图形法的基本原理及频率特性的测量方法。实验完成之后，画出被测系统的开环L(ω)曲线与闭环φ(ω)曲线。按实验中规定格式选择几个频率点，算出各点频率特性的理论值。画出被测系统的结构和模拟电路图。画出被测系统的开环L(ω)曲线与闭环φ(ω)曲线。整理实验数据，并算出理论值和实测值。讨论李沙育图形法测量频率特性的精度。

③连续系统串联校正实验

加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。做实验之前，要求学生明确理解校正前系统的ωc及ν。计算串联超前校正装置的传递函数Gc(s)和校正网络参数，并求出校正后系统的ω′c及ν′。实验完成之后，计算串联校正装置的传递函数Gc(s)和校正网络参数；画出校正后系统的对数坐标图，并求出校正后系统的剪′c及ν′；比较校正前后系统的阶跃响应曲线及性能指标，说明校正装置的作用。

④数字PID控制实验

研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。研究采样周期T对系统特性的影响。研究I型系统及系统的稳定误差。做实验之前，要求学生熟悉PID控制器系统的组成,熟悉PID控制器的参数对系统稳定性的影响。实验完成之后，画出所做实验的模拟电路图；当被控对象为Gp1(s时)取过渡过程为最满意时的Kp,Ki,Kd,画出校正后的Bode图，查出相稳定裕量γ和穿越频率ωc；总结一种有效的选择Kp,Ki,Kd方法，以最快的速度获得满意的参数。

(四)教学方法手段研究

课堂教学不以获得相关知识与技能为唯一或终级目标，而要重在培养学生的学习兴趣，调动学生学习的积极性。课堂教学同时要突出师生互动，做到接受式学习、研究性学习等多种学习方法互补，促进学生在课堂动态探究生成，促进知识与技能、过程与方法、态度和价值观三方面的和谐发展。

(五)考核方式研究

考核方式必须随着教学改革而变化，否则教学新方法的探索毫无意义。单一的考核方式不能反映学生的整个学习过程，采用多样化的考核方式可以更加全面地了解学生知识的掌握情况。考核总成绩应该由平时成绩(包括出勤、课堂表现)、作业成绩(包括课后习题、读书笔记)、实验成绩(预习情况、实验操作、实验报告)以及期末考试成绩等几个方面组成。其中期末考核可以尝试开卷、半开半闭卷的形式以及分小组课题答辩的形式。

另外，随着实验学时增加应该适当安排基础实验考核。与理论考核不同，基础实验考核的重点应该放在教学过程、教学效果和能力素质的提高上。通常的理论考核忽视了过程和能力素质的重要性，并不能客观的评价学生的动手能力和工程实践能力。因此，为了提高实践教学质量，全面推进素质教育，后续建立基础实验科学规范的考核方法是十分重要的。

四、结论

通过《机械工程控制基础》应用型教学改革研究，最终可以确定更完善的教学内容、教学方法和教学手段，提高教学效率。使学生快速掌握《机械工程控制基础》课程的学习方法和思维方式。使课程的理论性、实践性、工程性得到有机结合,激发学生的学习兴趣和主动性。培养学生用控制论解决机械工程实践问题的能力，为社会培养更多应用型人才。

[1]顾志良.应用型大学教育的改革实践与创新[M].北京：知识产权出版社，2009.

[2]邵瑞影.机械工程控制基础的教学改革[M].长春：考试周刊，2010.

[3]许明,倪敬,陈国金.《机械工程控制基础》教学改革探讨[M].北京：教育教学论坛,2013.

徐海华(1985-)，女，汉族，河北邯郸人，硕士，重庆三峡学院，研究方向：超精密加工。