在“机械控制理论基础”教学改革中体现卓越工程师计划的研究与探索

董霞 李天石 要义勇

摘  要：为了全面提高我国工程教育人才培养质量，教育部启动了“卓越工程师培养计划”，以促进我国从工程教育大国走向工程教育强国。着眼于学生工程能力的培养，文章作者在机械工程学科中的“机械控制理论基础”的课程教学中进行了一些改革和探索。文章主要就如何在课堂教学和实验教学中体现对机械工程本科生工程能力和创新能力的培养讲述了具体的做法。

关键词：本科教学改革;卓越工程师;机械控制;工程能力

中图分类号：G642        文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）13-0122-04

Abstract： In order to improve the personnel training quality in engineering education in China in an all-round way， the Ministry of Education has launched the "Outstanding Engineer Training Program" in order to promote China from a large country of engineering education to a strong country of engineering education. Focusing on the cultivation of students' engineering ability， the author has carried out some reforms and explorations in the course teaching of "Fundamentals of Mechanical Control Theory" which is the main subject in mechanical engineering. This paper mainly describes how to cultivate engineering ability and innovation ability of mechanical engineering undergraduates in classroom teaching and experimental teaching.

Keywords： undergraduate teaching reform; excellent engineers; mechanical control; engineering ability

一、“卓越工程师教育培养计划”的背景

应该说，以中国巨大的人口基数和近年来不断扩大的高等教育招生规模，我们已经当之无愧地成为一个高等教育大国。据统计，自2010年起我国高等工程教育的规模已跃居世界第一，2010年工科专业的在校本科生371万人，研究生47万人[1]。据2019年2月26日教育部的新闻发布会，2018年全国共有普通高等学校2663所，各种形式的高等教育在学总规模为3833万人[2]，但我们并不是一个教育强国。2018年我国的研发人员总数已达419万人，连续6年稳居世界第一，但据瑞士洛桑国际管理发展学院发布的《2019世界竞争力报告》，中国竞争力仅排全球14位[3]。

从国际环境看，自2007年爆发国际金融危机后，我国的经济建设发展到了关键时期，单纯依靠廉价的自然资源和人力资源进行的低附加值的产品生产和出口难以为继，产业结构升级、具有高附加值的产品换代势在必行，尤其自去年以来与美国之间在高科技领域的摩擦愈来愈烈，在被制裁与反制裁的竞争中，我们需要大量的、高素质的工程技术人才提高我们的科技竞争力，因此对高等教育特别是高等工程教育提出了新要求。

但是中国的教育（包括高等教育）存在问题：2009年温家宝总理指出：“应该清醒地看到，我们的教育还不适应经济社会发展的要求，不适应国家对人才培养的要求”。“教育要符合自身规律的要求，教育要符合时代发展的要求，教育要符合建设中国特色社会主义对人才的要求，教育要符合以人为本的要求”[4]。而高等工程教育最主要的问题是我们培养出来的人才缺乏创新性。中国工程院在2009年年初发表了《走向创新——关于中国创新型工程科技人才培养》调研报告，对国内高等工程教育的现状提出了十分尖锐和中肯的意见：我国工程教育的规模远胜于水平;工程专业学生的创新能力不强，重论文、轻设计、缺实践。专业目录与课程体系设计落后、学科交叉欠缺，导致创新与实践双向不足，得不到产业界的认同和重视;工程师社会地位不高，是工程科技人才流失和缺乏创新动力的重要社会因素。因此呼吁：倡导尊重工程的文化，改革高等工程教育，加速我国创新型工程科技人才队伍建设[4]。为此，教育部在2009年9月启动了“卓越工程师教育培养计划”[5]，并将其列入了《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》中的重大改革项目，西安交通大学成为首批试点高校，机械工程学科也因此成为首批试点学科。

“卓越工程师教育培养计划”推行近10年来，对促进高等教育面向社会需求培养人才，全面提高工程教育人才培养质量起到了重要的示范和引导作用。机械控制理论基础作为高等学校机械工程专业的核心专业課，在课程教学和实验中，我们采取了许多措施来加强对学生工程能力和创新能力的培养。

二、在课堂教学中体现“卓越工程师教育培养计划”

“卓越工程师教育培养计划”强调通过企业实践和学校教育来强化培养学生的工程能力和创新能力;下面就作者本人所承担的“机械控制理论基础”的课堂教学和实验教学来谈谈如何在教学中体现“卓越工程师教育培养计划”中对学生的工程能力与创新能力培养。

作为国内最早开设“机械控制工程”教学的高等院校和首批“卓越工程师教育培养计划” 试点学校的试点学科，自2010年起机械工程及自动化专业学生的培养方案执行贯彻“卓越工程师教育培养计划”的2010版培养计划，对于2010级的学生在第6学期（即大三的第一学期）进入到专业基础课“机械控制理论基础”的学习。我们首先在课程的学时上进行了调整，从原来的42学时理论教学+6学时实验教学调整为40学时理论教学+16学时的讨论与实验教学，其中6学时的课堂演示和讨论用于强化学生对该课程重点内容的理解和消化，10个学时用于课程实验，通过学生对电路模拟系统和实际机械系统的动手实验巩固其所学的理论知识并加深其对控制理论在机械工程中应用的直观理解。之所以进行这样的调整是考虑到该课程的特点，主要讲述控制理论基础在机械工程中的应用，是一门理论性很强又要兼顾工程应用的专业主干课程。

具体来说，为培养学生的工程意识和综合应用理论解决工程实际问题的能力，我们在课堂教学过程中尽可能突出控制理论在机械工程中的应用背景，增加了工程应用方面的实例和针对重点内容的课堂讨论，例如在讲授系统的频率特性时，我们直接通过在机械加工中经常碰到的问题：当利用车刀车内螺纹时由于刀柄过长在一次性加工时会出现抖（振）动情况（如图1视频截图），这时可以通过在刀柄内内置一被动的动态吸振器来减轻轻振动，即内置预调过的重金属阻尼单元，由弹性原件支撑在刀柄的腔体内靠近刀头处（如图2），阻尼体经过预调，以使其自身频率与整个刀柄的频率一致，这样在实际加工过程中，刀柄前端刀具发生的振动变形会在第一时间被阻尼体抵消，不会沿着刀柄向后传递，从而减少了整个刀柄的振动变形。

我们又进一步启发学生如何将该动态吸振器的设计引入到机床加工中的减振和吸振中，甚至磁共振仪梯度线圈的动态吸振中（其吸振原理如图3所示），让学生明白：把基本理论真正理解和掌握了可以创新性地解决许多工程实际问题。

通过这些工程实例的讲解，同学们真切地理解了在机械系统中如何利用频率特性和谐振频率来解决工程中的振动问题，也真正地感到“理论有用武之地”。

MATLAB作为控制系统分析的基本软件，可以方便直观地体现和深化课程内容。在讲授系统分析内容时，我们会利用MATLAB分析工具充分展示系统参数对控制系统性能的影响，例如在时域分析中，讨论了二阶系统参数阻尼比和固有频率对系统瞬态性能指标的影响，有零点和无零点时系统时域响应的不同以及零点对系统时域性能的影响，影响系统稳态误差的因素;在频域分析中，讨论了影响系统稳定性的因素以及系统开环频率特性与闭环系统性能之间的联系;在控制系统校正和设计中，通过MATLAB分析和演示讨论了不同的校正环节对系统性能的影响作用。特别是通过对系统开环频率特性的对数坐标图的绘制和估算来分析和设计控制系统，这正是“卓越工程师教育培养计划”中要着重培养的工程能力的体现。

在此，对于“机械控制理论基础”的教学中是否要求学生手工绘制开环频率特性对数坐标图和极坐标图的问题，有一种意见认为，现在计算机如此普及控制系统分析软件（如MATLAB等）那么方便好用，根本不需要再要求学生去费力画出伯德图和奈奎斯特图，可以直接利用计算机和软件。作者认为控制理论的诞生和发展起源于工程应用的需要（如自动瞄准武器研制的需要、宇宙空间探索的需要等），控制理论特别是经典控制理论在工程中应用时不需计算机、不用软件而只需在草稿纸上略微推算即可进行系统分析和判断，正是一个工程技术人员工程能力的体现，是在课程教学中应该对学生进行着重培养的能力，而计算机和软件的应用可以作为一个验证的手段并应用于更复杂的系统分析中。

三、在实验教学中体现“卓越工程师教育培养计划”

实验教学对于学生工程能力和创新能力的培养起着非常重要的作用。作为一门重点讲述控制理论在机械工程中应用的一门课程，本应把机械（包含机、电、液）控制对象作为实验的重要对象，但本课程原来限于经费的制约，只是采用了电路模拟系统进行课程实验，如图4。

所设计的主要实验内容为：典型环节的瞬态响应和动态分析，包括一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响、二阶环节的阶跃响应及参数的影响、零点、极点分布对二阶系统瞬态响应的影响，实验目的是让学生掌握瞬态响应的基本概念和测试方法;典型环节的频率特性实验，包括一阶环节的频率特性和影响参数、二阶环节的频率特性和影响参数以及高阶系统的频率特性，实验目的是让学生掌握频率特性的测试方法，理解谐振频率、频宽等基本概念;控制系统的校正，包括控制系统的反馈校正、串联校正，目的是让学生掌握改善控制系统性能的基本方法和工程实现。

这些实验虽然体现了课程中所讲授的控制理论的基本内容，但没有把控制理论在机械对象上的工程应用体现出来，学生难以形成如何在机械对象上实施控制的基本印象。为切实落实“卓越工程师教育培养计划”，我们增加了典型的机械对象应用控制理论进行分析的实验（如图5所示）。这是一个单轴伺服控制的实验平台，它采用直流伺服电机驱动、配以齿形带传动带动转盘旋转形成了一个二阶旋转系统，既涉及机械系统建模也涉及传感器的使用，并可以通过改变质量和阻尼参数实现不同参数下系统的响应特性，使学生理解二阶系统参数对系统性能的影响。

该实验平台可以在MATLAB/Simulink下完成以下控制实验：系统建模和稳定性分析、二阶系统时域分析、频率特性分析、PID校正、频域法校正等实验，帮助学生理解PID影响系统性能指标的基本原理，掌握调整直流伺服驱动器PID电流环、速度环、位置环参数的方法;深入理解运动控制中不同转动惯量对电机速度环、位置环性能的影响情况;理解不同阻尼力矩和扰动力矩扭矩对电机位置环、速度环性能的影响情况，从而培养运动控制的实践技能。

另外，我们还尽可能将教师的科研成果转化到课程的教学中，让学生体验理论应用于实际的创新。图6是李天石教授为广东设计的一个转屏同步控制系统，我们把它转化到课程教学中，开发了图7所示的教学实验系统，主要用于完成转臂处于某静止状态的位置时的阶跃输入跟踪实验，转臂以恒定的速度匀速转动时的斜坡输入跟踪实验，两套实验平台的同步实验，试验目的是让学生掌握以伺服电机驱动的同步转动控制系统的工作原理与作用，角度传感器和倾角传感器的原理和特点，学会绘制直流电机控制原理图，推导相关传递函数，了解传递函数的校正方法，初步掌握同步控制原理，观察转屏同步控制过程。

四、结束语

通过在“机械控制工程基础”课程教学与实验中的一系列改革，我们把卓越工程人才的培养与工程实际紧密结合，所做的改革获得了学生的认可，以本课程为三大主要内容（机械控制理论、机械测试技术、数控技术）之一的教学成果“面向智能制造的数控技术教学体系改革与实践”在2014年获得国家级教学成果二等奖。

为切实理解和落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要》的内容以及“卓越工程师教育培养计划”的核心内容，作为实施高等教育的一线教师，在相关专业课程的教学中，我们会坚持不懈地去仔细琢磨各个教学环节的内容设计，为扎实贯彻“卓越工程师教育培养计划”、培养具有工程创新能力的优秀人才而做出自己的一份贡献。

参考文献：

[1]罗家莉.更新工程教育理念 培养卓越工程人才[J].北京教育（高教），2011（09）：16-18.

[2]姜远平，刘少雪.从工科毕业生就业竞争力看我国的高等工程教育改革[J].復旦教育论坛，2004，2（5）：55-58.

[3]温家宝在北京三十五中的讲话：教育大计 教师为本[EB/OL].http：//www.gov.cn/ldhd/2009-10/11/content_1436183.htm.

[4]陈平.关于卓越工程师教育培养计划的一些思考[EB/OL].http：//www.doc88.com/p-990957828423.html.

[5]http：//www.jyb.cn/high/tbch/2010/zygcs/[EB/OL].