车辆工程专业《机械工程控制基础》教学改革

沈长青　石娟娟　谢靖　祁玉梅　朱忠奎

摘 要：《机械工程控制基础》是机械类专业一门重要的必修课，随着新工科教育的提出，如何在课程学习中提升学生的实践能力、分析问题与解决问题以及创新能力是该课程亟需解决的难题。本文以车辆工程专业为例，分析了该课程教学存在的问题，并结合新工程教育，根据学生特点优化教学内容，采用虚实结合、中心转换的教学方法帮助学生能够更好地掌握课程内容并运用于工程实践。

关键词：机械工程控制基础 车辆工程 虚实结合 中心转换

Teaching Reform of “Mechanical Engineering Control Basis” for Vehicle Engineering

Shen Changqing，Shi Juanjuan，Xie Jing，Qi Yumei，Zhu Zhongkui

Abstract：“Mechanical Engineering Control Fundamentals Basis” is an important compulsory course for mechanical majors. With the introduction of new engineering education， how to improve students' practical ability， analyze problems， solve problems， and innovate in the course of study is an urgent problem to be solved. This article takes the vehicle engineering major as an example， analyzes the problems in the teaching of the course， and combines the new engineering education， optimizes the teaching content according to the characteristics of the students， and uses the teaching method of combining virtual and real and center conversion to help students better master the course content and use it in engineering practice.

Key words：mechanical Engineering Control Basis， vehicle Engineering， combination of virtual and reality， center conversion

1 课程性质

《机械工程控制基础》是机械类专业的一门专业必修课，理论性强、难度大，主要介绍自动控制论的基本概念、基本控制原理与方法，包括如何建模，如何进行系统设计与分析，以及性能校正[1]。目的在于学生能够结合具体的工程实际，针对具体的机械控制系统进行定性、定量分析，以及根据具体的性能要求实现系统校正。对于提升学生今后的工程问题分析与解决能力具有重大意义[2]。

2 课程教学存在的弊端

（1）该课程涉及大量的基础课程支撑，理论性强，难度大，尤其对于数学基础较薄弱的车辆工程专业的学生。例如他们没有学过拉氏变换，因此在建立系统的数学模型-传递函数时存在困难，觉得又难又枯燥，只想被动接受知识。而该课程的系统性又很强，基础没打好，后面的知识更难学。（2）授课过程往往出现重理论，轻实践的现象。理论推导与公式计算充满整堂课，与工程实践的结合却被忽视，理论与实际的工程应用严重脱离，从而导致课程的实际意义被大量复杂繁琐的公式所掩盖[3]，学生完全不明确这些理论的实际应用价值，更无法与自己的生活或者工作建立联系，学习兴趣大大降低。（3）课堂以教师为中心，学生活跃度很低，这也是传统教学方式的弊端，主要考虑以下2方面原因：①内容多，课时少，难度大，不可避免地导致课堂上教师为中心，過分强调教师的教，而忽略了学生的学。②由于课程本身比较抽象、难度大，从而学生的兴致与积极性不高，在课堂上只想充当配角。这种教学模式最终导致学生仅仅会记公式或套结论去完成考试，无实质性收获，更无法应用于具体的工程实践。

总体而言，由于课程的特殊性、学生浅薄的知识储备情况，以及传统教学模式的弊端，面对大量繁琐的公式推导和计算，以及抽象的概念，教师觉得难教，学生更觉得难学，教与学的效果均不理想。

3 改革措施

根据新工程教育对学生提出的要求，如何完善课程教学体系，使得学生在有限时间内掌握控制理论与方法，并将其运用于具体的工程实践[4]，提升学生的工程能力，包括分析问题、解决问题能力以及创新能力，可从以下几个方面进行改进。

3.1 教学内容

（1）考虑车辆工程专业学生缺少相应课程基础，因此在介绍具体内容之前可补充相关知识。例如在介绍系统建模前，可补充介绍拉普拉斯变换。（2）鉴于车辆工程专业学生非数学专业，数学基础比较薄弱，因此在授课过程中尽量减少大篇幅的公式推导，着重在于实际的理解和应用。（3）教学过程中不可避免地会利用案例帮助学生更好地理解知识。案例的选取应充分结合学生的特点。（4）教师应不断更新教学内容以适应新时代和企业的要求。

3.2 教学方法

第一：虚实结合[5]，弱化理论推导，强化理解与应用。

课程中包含大量的“虚”的内容，例如抽象的概念以及复杂的公式推导，如果仅仅强调“虚”，学生的学习兴趣会大大降低，而且无法真正理解与应用，学习效果十分不理想。因此，应重点引入“实”的内容，虚实结合，将理论运用于实践，强化学生对内容的理解与应用，主要可从以下几方面着手。

3.2.1 引入工程案例，激发学习兴趣

在教学过程中引入“实”的工程案例。相比起“虚”的公式推导以及文字介绍，形象生动的工程实例既能激发学生的学习兴趣，又能帮助学生更好地理解所学内容。例如，在绪论部分，可通过引入工程案例帮助大家了解自动控制系统，感受自动控制理论给生活带来的便利，从而发觉课程的学习意义，大大激发学习兴趣。在介绍系统的分析以及性能校正时，同样可以通过实例帮助大家理解相关理论。

选择工程案例时需要注意几点：一、充分考虑学生的所学专业，这样便于学生更好地接受与理解。例如，针对车辆工程专业学生，其接触较多的属机械系统，因此可选取生活中的一些机械系统为例，或者选择他们比较感兴趣，觉得比较高大上的例子，如无人驾驶汽车，里面存在许多的自动控制现象，充分调动学生的积极性;二、所选案例应能贯穿整个教学过程[6]，而不是零散的案例。这是因为课程本身综合性很强，章节之间联系紧密，若所选案例能贯穿始终，对于学生整体把握所学内容具有很大的帮助。

3.2.2 结合Matlab，弱化抽象理论，形象化实际应用过程与结果

利用Matlab可以很方便地对系统进行分析，包括求响应、性能指标，绘图判断系统的稳定性等。能够有效避免复杂的公式推导，形象化实际结果。对于老师而言，可以节约时间，对于学生而言，求知过程不再繁琐枯燥。例如图1和2是系统的Nyquist图和Bode图，实际结果更加直观与生动，化“虚”为“实”，学生的学习兴趣大大提升，教与学之效率明显提高。

另外，Matlab作为工程常用软件，引入Matlab即将“实”的工程处理方法与手段引入课堂，形象化实际应用过程，有效回答了学生关于“课程内容在实际工程中如何应用的问题”。课后学生也可以自己编程实现相应系统的分析与设计，提高他们的动手实践能力，并且有利于学生更好地掌握知识并将其运用于日后的工程实践中。如某系统的传递函数为，学生可尝试取不同a下系统的单位脉冲响应以及单位阶跃响应，如图3和4所示，还可以计算系统的时域性能指标。

3.2.3 组织参加竞赛类项目，学以致用

课余时间应组织学生多参加竞赛类项目，在项目中充分发挥个人潜能，将所学用于实践，化“虚”的理论为“实”的项目成果。例如，教师可组织车辆工程专业学生参加恩智浦杯智能汽车竞赛、中国机器人大赛等。首先在班级组队，然后各队围绕项目要求开展实施，在这过程中会涉及到控制论的许多知识，也会遇到许多困难，这些都需要学生自己去解决。不论最终结果如何，各位学生都在此过程中对课程知识有了更深的理解，对于提高他们分析与解决问题的能力以及创新能力意义重大。

3.2.4 校企融合，与实际工程實践接轨

除了正常的学校学习外，教师应在学校的帮助下，带领学生走入企业，抛去“虚”的图纸，去看“实”的控制系统。例如对于车辆工程专业的学生而言，可以去轨道公司的控制室参观学习，或者去某些车企感受一下研究人员对自动驾驶技术的研究，充分让学生感受到课程所讲授的知识不是“虚”的，而是实实在在工程中需要用到的。

第二：转变教学模式，以学生为中心。

传统的教学模式都是以教师为中心，学生是配角，如今应强调学生的主体地位，以学生为中心，教师为指导，充分培养学生的实践能力，提高他们的自主学习能力。例如上述所提到的参加竞赛类项目，就是一种以学生为中心的教学模式。另外也可以在介绍完一章内容后，请同学自选案例，并向其余同学介绍自己是如何实现系统的建模，分析与性能校正的。

4 结语

通过进一步完善教学内容以及教学方法，力求虚实结合，变抽象为生动，使得学生能够充分理解课程内容，并将其运用于工程实践，不断提高学生的自主学习能力、以及分析问题、解决问题能力和创新能力，符合新工科教育、新时代和企业对学生提出的要求。除此外，教师也应该不断完善自身，教学与科研并重，为学生提供更优质的学习资源。

参考文献：

[1]杨叔子，杨克冲等.《机械工程控制基础》[M]，第七版，华中科技大学出版社，2018.

[2]胡月明，张龙，袁奎，陈家兑，赵津，张大斌. “机械工程控制基础”课程教学模式改革[J].科教导刊（中旬刊），2020，14（05）：112-113.

[3]齐建家，孙玉芳，窦建华，刘桂波，何文广. 《机械工程控制基础》课程多元化教学方法改革与探索[J]. 中外企业家，2020，（06）： 198-199.

[4]许明，倪敬，陈国金.《机械工程控制基础》教学改革探讨[J].教育教学论坛，2013，（17）： 42-43.

[5]钟志贤，杨桂华.“虚实结合”的《机械工程控制基础》课堂教学改革实践[J]. 科技创新导报，2015，12（09）：97-98.

[6]何一文，李珍，周先辉.《机械工程控制基础》课程建设与教学改革探索[J].南阳师范学院学报，2016，15（06）：73-75.