机械控制工程基础课程的教学模式改革与研究

黄文怡++刘天祥+李宝玉+户春影+代洪庆

摘要：文章针对机械控制工程基础课程的特点，如内容抽象、概念繁杂、涉及广泛、实用性较强、课时较少等，深入研究如何改变传统教学模式，引入多媒体等教学手段，进行教学体系改革，增强学生对理论知识的理解能力及解决工程实际问题的能力。

关键词：机械控制工程基础；教学改革；教学研究

《机械控制工程基础》是高等院校机械设计、机械电子等专业的必修课程，也是许多高校机电类专业的考研专业课，是对专业基础课及高等数学、电学、力学等知识点的汇总。现阶段，我国的高等教育改革正在不断深入，工业技术发展迅速，知识更新周期不断缩短。在高校教育中，主要着重于培养具有扎实的基础、广泛的知识面、高素质、高能力、适应性强、具有创新能力的人才。本文结合《机械控制工程基础》的教学实际情况，依据课程的性质与特点，通过分析在教学过程中存在的问题，对《机械控制工程基础》课程的教学改革方法进行研究。

1 课程性质与特点

《机械控制工程基础》作为一门工业实践性很强的课程，除要求学生掌握基本原理之外，更应该使学生能够以动态的观点来认知一个机械控制系统，以看待一个整体的角度从信息的传递、处理与反馈这三大要素来分析系统的动态性能，能够结合工程实际，应用控制理论中的相关原理对实际系统进行分析研究。

《机械控制工程基础》将高数、力学等基础课程与机械专业课程联系起来，既是一门理论性很强的课程，课程内容比较抽象，学生学习较为吃力，又是一门理论与实际紧密联系的课程，包含的信息较多，工程的发展较快，教师很难系统、全面地讲授。本科院校学生在学习课程时，主要是由教师进行理论讲授，然后进行闭卷理论考试。而传统的教学模式更是只注重理论教学，实验环节很少甚至没有，教师将公式定理讲述给学生，学生只是学会了使用公式、定理，却对其所表示的实际意义知之甚少，理论与实践严重脱节，使学生对其理解流于表面，大大限制了学生思考的主观能动性和应用实践的能力。

2 教学过程中存在的问题

2.1 内容繁杂导致学生掌握起来比较困难

由于课程的系统性及理论性较强，课程内容比较抽象，涉及知识面较广，包含了许多数学方面的知识，如微积分、复变函数、线性代数等，对学生基础知识的掌握要求较高，尤其是复变函数，很多专业并未开设这门课程或选修此课，学生对这方面不够重视，基础知识掌握程度不高。这就要求教师提前讲授一些相关内容，如拉氏变换就是学习控制工程的必备基础，需额外占用学时，但是专业课程学时本就紧张，对于本课中繁杂的教学内容更加捉襟见肘。

2.2 理论与实践严重脱节

以往《机械控制工程基础》课程内容比较侧重于理论研究，多是一些数学公式推演，课程内容比较陈旧，很少有与现今社会工程实践中控制理论的发展相结合的内容。板书式教学也大大限制了教学内容，课程只能介绍一些经典控制理论的内容，这部分的知识大多适合在板书上讲授，经典控制论主要适用于一些单输入、单输出的线性定常系统，比较容易进行理论推导，对现代控制理论只涉及到一小部分，但这些内容对生产实际中控制系统的研究是很难满足的。

2.3 实验环节的不足

一般院校的机械专业设置都偏向机械设计及制造方向，只有少部分偏向机械电子方向，所以对课程设置不够重视。而对于生产实际来说，各行各业的自动化程度都是越来越高的，机械控制理论的实用性也越来越强，对学生日后的工作学习有很大的帮助，这也导致课程对于实验环节的需求量大大提高。

2.4 学时太少，与教学内容不符

在高校教育中，大多数的专业课程都存在着教学内容太多而课时太少的矛盾，本门课程尤为严重，一般只有40～50学时，这些时间单单用来讲授课程中繁杂的基础知识就已经很勉强了，还要在其中穿插相关实验课程，尤其很多专业没有开设过积分变换的相关课程，教师还要将这部分内容额外讲述，导致本来就已经不足的学时更加捉襟见肘。

3 教学改革方法的研究

3.1 选择适合本校教学情况的教材

教材是教师和学生之间联系的重要纽带，是学生学习的重要工具，教材的内容既要包含本门课程的基本理论知识，也要符合本专业培养的目标与原则。因此，在选择教材时需要充分考虑教材的知识结构、教师讲授课程的方法、学生对教材内容的接受程度以及教材的难易程度等。基于本专业的培养方向偏向于机械设计及制造，没有开设过《积分变换》《复变函数》等相关课程，学生对拉普拉斯变换的相关内容十分陌生，在选取教材时要优先选择带有拉普拉斯变换章节内容的书籍，以便学生弥补相关内容。

3.2 强化基础，合理安排教学进程

本门课程的系统性很强，前后内容相关，所以就要求教师要善于整理，帮助学生融会贯通。如稳定性、准确性、快速性是评价系统性能的重要指标，通过时域分析、频域分析和稳定性分析的学习，可以对这几项指标进行分析计算，在系统进行综合设计时满足其性能要求。控制理论中需要掌握的知识点较多，并且这些知识点在教材中较为分散，而彼此之间又有一定的联系，教师在讲授某个知识点时要将与其相关联的已经学习的知识点做一个简单回顾，以便学生将前后内容连贯起来。如在传递函数中介绍的几种典型环节，它是频域分析中的重要基础，在讲授频域分析时就需要将其重新介绍以加深印象。

3.3 采用多样化的现代教学工具，丰富课堂内容

《机械控制工程基础》是一门理论性很强的课程，利用现代教育技术和工具进行教学，制作生动直观的电子课件，形成以黑板、教学模型、计算机多媒体、挂图及实物等多样化教学工具相结合的授课方式。

《机械控制工程基础》包含的很多内容都需要进行复杂的计算步骤和画图过程，花费了大量的时间。如函数方框图的化简、伯德图和奈奎斯特图的绘制等，有时还需大量的彩色粉笔作图才能清楚体现出来，浪费时间和精力，也很难集中学生的注意力。如果利用多媒体电子课件的动画效果，使图形能够按照绘图的步骤一步一步地展示给学生，既清晰又生动，大大激发了学生对课程学习的热情和兴趣。合理利用多媒体等现代教育工具可以节约时间，提高教学效率，将繁多的教学内容用多媒体形象生动的表现出来，提高教学质量，加强教学效果，还可以将课程相关学科的一些发展现状补充进去，做到“与时俱进”。

3.4 引入MATLAB 软件进行仿真实验

《机械控制工程基础》课程是一门应用性很强的学科，学生单纯地掌握理论内容是远远无法达到课程学习的目的，必须将理论应用到实践中，通过实践对理论的理解进行进一步的检验，这对学生学习的积极性和创造性是十分有利的。随着计算机的普及，学生对使用计算机软件进行仿真实验兴趣越来越大，因此，将MATLAB仿真引入实验教学中是非常必要的，可以使实验课程从传统的利用实验箱进行演示性实验，发展成为具有验证性、创新性、设计性实验。在实验过程中，由教师给出实验要求和实验目的，学生自行编制相关的MATLAB语言程序，之后再进行调试，直至完成实验。

MATLAB是一个精度较高的计算语言，经常用于工程科学计算中，可在一个较为容易使用的环境中将计算可视化和软件编程紧密结合。MATLAB软件是进行控制系统分析及设计的常用工具，Simulink就是其中一个重要的组件，提供了图形化的用户界面及动态系统建模、分析和仿真的集成环境。运用Simulink 模块进行仿真设计，可以使学生学习到将系统与动态方程相关联。如单位阶跃系统的一阶时间响应、二阶时间响应、系统稳定性分析、系统频率特性图的绘制、系统的根轨迹的绘制等都可以作为实验内容进行仿真实验。并且MATLAB作为最常用的控制系统计算机辅助设计软件，应用是极其广泛的，学生在实验过程中可以更好地掌握这种现代模拟软件设计工具。

4 结论

通过对《机械控制工程基础》课程教学改革，引入了MATLAB仿真软件进行虚拟实验，大大弥补了课程中实验环节的缺失。采用多样化的教学手段，调动了学生学习的积极性和主观能动性，培养了学生分析解决实际工程问题的能力和创新设计能力，提高了教学质量。

参考文献：

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