基于新工科机械控制工程基础课程改革的探讨

魏树国，张少伍，周 超

(铜陵学院，安徽 铜陵 244061)

随着工业革命和产业变革的发展，社会需要更多实践能力强的高校毕业生，为了支撑产业转型升级进而提出了新工科建设。根据新工科的要求，培养的人才不仅具备丰富知识，还要具备实践动手能力及创新创造能力；不仅能够运用所学知识解决实际问题，还能够根据技术的发展趋势和工作经验的积累，预见新问题的出现，找出解决问题的方法。因此，新工科背景下的人才培养需要构建以工程创新实践能力培养为核心的培养模式，结合新型经济特点和专业特色展开工作[1]。

机械工程控制基础是在自动控制理论基础上发展起来的控制理论，是控制理论和机械工程技术理论相结合的一门交叉学科，是机械电子工程专业的一门专业基础必修课[2]。这门课起到基础课和专业课的“桥梁”作用，为后续的工程测试技术、液压伺服与比例控制等专业课提供理论分析的基础。专业基础课教学效果，对于培养学生的工程实践能力起着重要作用。本文提出的教学改革方案是以铜陵学院专业评估为背景，着力解决专业评估中发现的一些问题，理顺机械控制工程基础理论教学内容，形成机械控制工程基础课程的教学改革方案。提高学生的工程实践能力，使本院毕业生满足新工科时代的需求。

1 教学改革内容

这门课程原来的教学模式是理论教学，教学形式是以课堂授课为主，要求学生具有很好的数学基础；同时需要强调已学过的大学物理、力学、电工学以及机械工程的相关知识。机械工程控制中的大部分概念和理论都是比较抽象的，在教学过程中如果不将理论知识和现实联系起来讲授，则学生对这门课程普遍感觉理论性比较强和现实相脱节，且难以接受和理解。根据新工科提出的要求，我们在教学过程中积累相关教学经验，改变教学方法，将无形的理论通过现代教学方法进行有形化，多采用案例教学，在保证“掌握主要知识点、项目与现代教学方法相结合教学、锻炼学生实践能力”的原则下，应合理安排教学内容，不断调整教学方法，在有限的课时内，保证在基本概念和基本方法讲解完成的条件下，更要进行分析方法的应用讲授，着力培养学生解决工程实践能力，培养学生参加各类比赛的实践操作能力，为此在教学过程中应在以下5个方面作出改变。

1.1 根据课时情况，合理安排教学内容

控制工程基础课程各章节理论性强，对学生的基础要求较高。该课程需要掌握的知识点多，本课程的主要内容分为3部分，首先是数学模型(拉普拉斯变换、传递函数)，然后是系统分析方法(时域分析、频域分析、稳定性分析)，最后一部分是3种系统分析方法的应用(系统的综合与校正)。

首先进行数学模型讲解，这部分是后面两部分的基础。时域分析、频率特性和稳定性分析是本课程的主要内容，是教学的重点。时域分析是基础，频率特性和稳定性分析是本课程的难点，该部分内容理论性、逻辑性强，难以理解，但这部分内容是这门课的关键章节，是解决工程实际问题的基本工具。这就需要对课程的分析方法熟练掌握，并辅以好的教学策略，从而保证教学质量。系统校正是利用3种分析方法设计控制器及校正装置，使系统的快速响应性、稳定性及准确性满足控制系统要求。在课时分配上，首先保证第一部分及第二部分基本内容的讲授，在授课过程中确保基本概念及相关知识点的掌握；然后根据所学的基本控制理论知识解决系统的基本问题，帮助学生掌握控制理论的基本知识，建立课程各章节的联系与知识体系。

1.2 充分利用计算机技术，增加可视性调动学生学习积极性

机械控制工程基础传统讲授方式是教师采用板书和多媒体课件相结合的形式讲述课程内容，关键公式用板书推导，图形用多媒体课件演示，对那些比较抽象的内容和复杂的图形学生很难理解，对于课程中出现的Bode图和Nyquist图，缺乏可视化的直观展示[3]，在系统校正讲授时，系统分析方法和系统响应图形都很抽象，学生很难理解；系统分析方法在工程实际中的应用也是学生难点之一，缺乏解决实际工程问题的能力，更是缺少了创新性的培养。

LabVIEW具有界面设计友好、编程功能强大的特点，能有效弥补课堂授课时系统分析直观性不足的缺点。因此充分利用了LabVEW测量界面的便捷性和MATLAB/Simulink建模的灵活性，将LabVIEW及MATLAB/Simulink应用到控制工程基础课程教学过程中，在系统数学模型中，通过软件应用可以验证学生所做题目的正确性；同时学生也体会到两个软件的优越性，为其今后的专业学习奠定了基础。在系统分析方法讲授中，二阶系统的时域分析是基础的分析方法，二阶系统中的2个参数(阻尼比、振荡频率)对系统动态性能影响，没有图形学生较难理解和掌握。通过课下建立系统时域分析软件，当给定系统参数后，软件界面就可以显示系统的响应曲线，改变阻尼比和振荡频率的大小，可以直观看到系统两个参数对系统响应的影响，利用软件直观性的优点，将理论分析和实例讲授相结合，有助于学生对枯燥理论知识的理解，也加深学生对这些概念的记忆。

1.3 增加项目教学，培养学生的创新能力

学生创新意识及能力的培养不仅指要创造出新的事物和物体，更要求学生具有根据所学的知识解决实际问题的能力[5]。为了提高学生创新能力需要改进教学模式，其中最好的方法就是采用启发式教学，引导学生不断深入学习，或是采用项目任务驱动教学模式，在任务中提高动手能力，将所学习专业知识应用到实际项目之中，使理论研究与操作实践连接得更加紧密[6]。

项目教学是以工程实例讲授为辅助的教学法，有助于学生加深课堂教学内容的理解，提高学生用所学的知识解决实际问题的能力。项目教学案例选题要贴近工程实例，恰当合理。控制工程基础是理论性强的专业基础课，专业性比较强，理解比较困难。在卓越班教学中，第一部分以系统数学模型液压系统的阀控缸系统建模为例进行讲授，阀控缸系统是液压伺服比例控制系统中最常见的系统，而且怎样提高阀控缸系统的响应性也是液压系统的实际问题。在数学模型建立讲授过程中，首先给学生提前布置任务(复习液压传动课程中液压流量方程、压力方程、动量方程)，课堂上根据液压相关知识及大学物理知识进行阀控缸数学模型建立；然后根据建立微分方程的过程，进行系统方框图的绘制；最后进行传递函数的建立。第二部分系统分析方法教学中，根据前面建立的阀控缸系统数学模型进行时域分析和系统参数对阀控缸系统快速响应性的分析，通过MATLAB计算进行系统的频率分析。第三部分系统校正教学中，在前面时域和频率分析的基础上，改变系统参数和增加环节使系统的响应速度提高。这个项目教学使学生加深对所学理论知识的理解，提高了运用所学专业知识解决实际问题的能力。

1.4 教学课时有限，充分利用线上资源

由于课程学时有限，仅利用课堂时间内将每个知识点都进行拓展较为困难。因此利用好课外时间进行课时的补充是必然的选择。随着信息技术的发展，线上教育可以弥补线下教学课时不足的问题，而且在全民“战疫”背景下，充分利用线上教学内容进行线上线下教学融合已成为当前主流的一种教学模式之一。

利用学习通平台构建机械控制工程基础课程网络教学平台，课程网络平台分为线上自主学习、网络视频课堂、教学资料(电子图书、电子课件、电子教案等)和线上答疑4部分，逐步形成了线上与线下教学相结合的教学模式。同时，我们将项目教学内容提前放到线上，发布预习任务，使学生提前知道每堂课的教学内容，便于学生预习课堂上所需要的知识，有助于学生理解课堂所讲内容。设置讨论主题，学生参与讨论，通过参与讨论的过程，学生加深了对所学知识的理解。线上教学答疑方便学生的难题及时解决，在给同学答疑时，及时了解学生的学习情况，根据学生反馈情况，教师可以实时调整教学内容，促使教师教学方法的改进。

1.5 “以赛促学、以赛促教”激发学生兴趣，锻炼工程经验

新工科时代要求学生不仅有深厚的理论知识，还应该强化学生的实践能力，增加实践教学内容激发学生兴趣，培养学生工程经验。从课程建设的角度出发，培养学生的工程经验可以从两方面着手：一方面通过课程的实验环节，让学生在实验中验证仿真和分析的正确性，感性和理性地认识控制系统的各个方面，另一方面以赛促教，鼓励学生参加大学生创业、创新大赛以及机械综合类等全国性比赛[3]。

“以赛促学、以赛促教”教学模式，主要是通过大赛锻炼学生的动手能力及创新意识，将课堂上所学的理论知识和技术内容应用到比赛作品创造之中，通过比赛检验学生所学知识应用到实际中的能力，在教学中要求教师的教学方法和学生的学习方法与常规的截然不同。在比赛中综合运用所学的知识，提高学生的工程能力，培养创新意识和工程思维的建立，激发学生的课程学习兴趣。

大赛对学生应用能力要求较高，因此需要优化教学方法，促进从传统的“教得好”向“学得好”教学方式转变。在教学中将以往大赛中应用的知识作为案例进行讲解，这样既丰富了教学内容又激发同学学习热情，教师在指导大赛中也锻炼了解决实际问题的能力，同时也会反哺正常班级课堂教学质量的提高。

以学生备战每年的《“西门子”杯智能制造挑战赛大赛》大赛自由探索分项为例，通过分析比赛项目内容知道，指导教师不仅需要具备机械控制基础、单片机、气动控制、PLC编程与调试、触摸屏组态、专业素养等多方面知识和技能，还需有创新意识，创新意识不仅是对学生的要求，指导教师也需要具有一定的创新意识。在指导学生的比赛中，教师根据比赛内容，参照教学中有针对性强的课程教学大纲，制定出符合学生快速提升技能的教学方案。

2 实际教学效果

2.1 课程考核评价指标

鉴于新工科对人才培养提出了更高的要求，笔者针对机械控制工程基础课程进行了教学改革，为了更好地评价教学效果，需要进行课程考核评价指标的修订。评价指标既包含了课堂考勤、课堂互动、项目分组讨论等过程性评价考核指标，又包括单元测试、平时测验、期末考试、课后作业分值考核评价，建立了客观反映学生学习情况的一种多维度的考核评价体系[7]。

2.2 期末考试试卷分析

按照改革方案的要求，首先对教学大纲及教学学时分配进行了修改。为了更好的评价教学改革成果，课题组根据学校的相关要求设计了教学计划相匹配的期末考试细目表(表1)，学时分布、考分分布及期末考试题型见表1，试题难度适中。以2020-2021第二学期2018级机电专业学生的期末考试成绩为例，成绩统计如图1所示，从结果来看，学生期末考试情况良好，≥90分的占12.5%，80～89分的占38.9%，70～79分的占31.94.5%，60～69分的占16.67%。

表1 机械控制工程试卷明细

考试成绩统计成绩分布最高分96最低分62平均分82.1成绩<6060～6970～7980～89≥90人数01223289百分比0.00%16.67%31.94%38.89%12.50%

3 结 语

随着新工科建设的出现，高校毕业生的实践动手能力培养显得更加重要。机械控制工程基础作为机械电子工程专业一门重要的专业基础课，原来的教学主要是传统的理论教学，给学生感觉这门课抽象难以理解，为了培养学生解决实际问题的能力，进行该课程的教学改革。本课程改革主要包括理顺教学内容、采用现代教学方式进行形象化教学、丰富网络资源便于学生课前练习和课后复习、将课堂上所学的理论知识和技术内容应用到比赛作品创造之中等，有效地培养了学生的实践能力和创新意识。