新工科背景下机械控制工程实验课程教学改革与实践

摘 要：机械控制工程实验是机械工程专业本科生的必修基础实验课。通过对课程教学现状和学生学习效果的深入分析，从教学内容、教学方法、教学流程和教学评价四个维度提出了创新改革举措。实践效果显示，经过改革的教学方法能有效提高学生参与实验的积极性和主动性，有效加深学生对理论知识的理解，并大幅提升学生的自主创新能力和解决问题的能力。

关键词：新工科；实验教学；教学内容；教学方法；教学流程；教学评价

进入21世纪后，随着科技的日益发展，创新型人才的缺乏已成为制约我国科技发展和经济增长的主要瓶颈。为应对这一问题，教育部实施了一系列政策措施。其中包括加入《华盛顿协议》，以推动国际工程教育的认证与互通，同时不断强化新工科建设理念，持续深化工程教育改革，培养更多具有创新能力和实践能力的工程人才，为我国科技创新与经济发展提供更为可靠的人才支撑。

控制工程基础是一门以研究机械工程技术问题为主要对象的技术科学，它主要运用控制论的基本原理及基本思想方法，分析研究机械工程中信息的传递、反馈及控制的理论与实践问题。该课程具有高度的理论性、综合性和实践性。而机械控制工程实验则是河南科技大学机电工程学院专门为该课程配套设置的实践教学环节，其传统的教学流程是教师先讲解实验目的、原理以及示范操作步骤，随后学生进行重复式实验。然而，这种教学模式影响了学生创新思维的发挥、影响了学生的学习兴趣，难以有效提升学生的创新能力。因此，基于新工科建设理念，对机械控制工程实验教学方法进行改革迫在眉睫。本文从教学内容、教学方法、教学流程与教学评价四个维度提出改革策略，主要针对机械设计制造及自动化专业的本科生，力求在新工科背景下探索一种创新的实验教学方法。

一、教学内容的改革

总体思路是以课程目前的实验内容为基础，引入基于Matlab仿真软件平台的创新实验内容，做到虚实结合、理论与实际结合、基础与前沿结合、实验与应用结合、必选和自选结合，以帮助学生巩固所学理论知识，激发学生探究学习的积极性，提升其创新思维能力。

首先，采用机械控制工程教学实验系统，以电路模拟控制系统的验证性实验和综合性实验为主。这些实验涵盖了典型环节的时域响应、频率特性实验、系统分析与校正等实验项目。通过对一阶和二阶线性系统进行时域和频域分析，以及各典型环节在理想阶跃信号作用下的时域分析，学生可以了解各典型环节的时间响应特性及参数的变化对系统动态特性的影响；通过频率特性实验，学生可以掌握波特图的绘制方法以及通过频率特性确定线性系统参数的原理及方法；通过系统分析与校正实验，学生可以了解根据期望的时域性能指标对二阶系统进行串联校正的流程和方法，包括校正环节传递函数的推导和校正环节电路的设计，要求学生熟练掌握控制系统模拟电路的搭接方法，对比差异分析原因，正确记录，并规范撰写实验报告等。

其次，引入小车-倒摆系统及基于Matlab仿真软件平台的控制实验内容。在这个实验中，倒摆通过转动关节安装在驱动小车上并对小车施加一定的驱动律，驱动小车以实现倒摆的姿态稳定控制，这是姿态控制问题的典型代表，内容涉及经典控制、状态反馈控制以及抗扰控制。具体包括：利用给定的系统参数，通过机理推导，建立倒立摆系统的非线性动力学模型和线性化模型；进行非线性模型和线性化模型的开环响应的动态仿真；基于线性化模型利用根轨迹法设计控制器，分别对线性化模型和非线性模型进行闭环系统的仿真分析；基于线性化模型利用频域法设计控制器，分别对线性化模型和非线性模型进行闭环系统的仿真分析；设计并调整PID控制器参数，分别对线性化模型和非线性模型进行闭环系统的仿真分析；分别基于线性化模型和非线性模型设计全状态观测器和状态反馈控制器，进行有风力干扰下的闭环系统仿真分析；将所设计的控制器在小车-倒摆系统上进行实际控制实验。该部分实验项目充分展现了机械控制工程课程的强理论性、强综合性和强实践性的特征，有助于学生深化对机械控制工程理论知识的理解，激发学生的创新意识与创新积极性，帮助学生养成自主分析与解决问题的能力，提升其专业认知度。

二、教学方法的改革

（一）混合式教学方法

教师在实验课前将相关资料发送给学生，以便学生在课前自主学习和预习相关专业知识。引导学生熟悉实验目标和大致流程，并思考实验中可能遇到的问题，做好充分的知识储备，进而使学生能够在实验课上更专注、更从容地应对实验，并有更多时间思考和创新实验操作。同时，教师也能够在实验课中腾出更多的时间与学生交流，加深学生对知识的理解。最终教师根据学生的学习状态、解决问题的情况以及撰写的实验报告质量，对他们的总成绩进行全面的评价。此外，教师还需根据教学过程的顺畅性、学生的思想状态以及实验效果，持续调整和优化教学策略，以确保实验教学的最终效果。

（二）交互式教学方法

交互式教学方法是以学生为中心，强调师生互动。它具体包含以下三种形式：教师按照课前设计的实验教学方案，讲解实验目标、实验内容以及操作的标准和规则。在实验课堂上，教师通过提出问题、纠正错误、解答疑惑等方式，引导学生运用课程基本理论指导实践操作，并通过实践来验证理论的正确性，在相互交流以及理论与实践反复的循环验证中，帮助学生掌握相关知识点，提升他们发现问题和分析问题的能力，激发他们解决问题的兴趣，从而在生生之间、师生之间建立起充分互动的学习交流氛围。同时，引入Matlab仿真实验软件，该软件集概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现于一体，具有强交互性。值得一提的是，使用该软件能够增强学生应用理论知识并即时验证的体验感，有效提高教学效率和质量。

（三）自主式教学方法

将小车-倒摆系统的控制实验项目分解成多个知识点，如动力学建模、状态方程、系统线性化、开环与闭环仿真、状态反馈仿真及扰动条件下的系统仿真等。针对每个知识点，首先，教师会提出若干问题，引导学生通过查阅书籍、网络资源或参与论坛讨论等方式自主学习并参与讨论。其次，学生根据自己制定的方案进行模型搭建、程序调试来解决问题，并进行问题思考及知识总结。这样不仅能让学生学会解决问题的方法，还能帮助他们积累实践经验。此外，小车-倒摆系统的控制实验项目是较为复杂的控制项目，需要多名学生合作完成。在实验项目设计过程中，学生必须学会团队合作，通过分工合作来完成任务，让学生认识到团队合作的重要性，培养他们的团队合作意识。

三、教学流程的改革

（一）实验前准备

实验课前，教师和学生都需做好准备工作。教师应在课前明确实验目标，把握实验内容的重点和难点，将每个实验项目分解为具体的知识点。同时，为学生准备详尽的文字资料以及视频或音频资料，并尽早发送给学生。学生在接收到相关教学资料后，应先了解实验目标、内容、重点和难点，厘清实验内容和课程知识点之间的联系，明确实验思路。在深入理解上述问题后，再进行实验设计，并完成相关调研和准备任务。

（二）实验活动

1.实验课堂上，学生首先向教师汇报课前的准备情况。教师根据实验的重点内容和学生汇报情况对学生进行提问，以充分了解学生对实验课知识点的掌握程度和存在的问题，以便教师后续有针对性的指导学生实验。

2.学生基于课前所掌握的知识及规划设计进行实验和仿真实验。由于课前已对理论知识做了充分准备，学生在实验过程中能够做到思路清晰，及时发现并解决遇到的问题。通过分析问题、查找原因，学生不仅能及时印证和加深对本课程理论知识的理解，还能有效拓展对其他课程知识的理解，同时也有效提高了解决问题的能力。

3.教师在实验课堂上需详细讲解实验设备及虚拟仿真的操作方法和注意事项，并收集学生的实验过程数据，同时对相关数据进行分析和整理，判断数据的合理性，将有问题的数据及时反馈给学生。教师根据具体问题和学生操作情况，指导学生及时查找原因，以便顺利完成实验。

4.对于学生一时难以解决的问题，以及学习中产生的错误认识或理解偏差，教师应及时进行讲解、剖析，确保学生既能理解理论，又能正确操作。

5.教师要组织和促进师生以及生生之间的交流互动，共同讨论问题，通过交流学习，学生可以进一步完善和优化自己的实验内容。

（三）实验后工作

1.教师对实验过程进行深入分析和总结，找出各小组的优点和不足，指导学生总结知识点、实验方法和规律，为后续的实验学习奠定理论基础和积累实践经验。

2.教师根据学生课前的自学和准备情况、课堂动手操作能力、回答问题情况、解决问题能力以及实验报告的整理情况等，对学生进行全面的评价和具体的评分。

3.通过沟通和调查问卷等形式，组织学生评价实验的各个环节和方法。教师根据评价结果了解学生对教学方法的适应情况，并以此为依据不断调整和优化教学方法和思路。

四、教学评价的改革

为适应教学方法的多维度改革，对实验教学的评价方式进行了多层次的改进，摒弃了“考勤+实验报告”的传统评价方式。改进后的总成绩如下：课前预习和学习占20%，课堂实验占45%，成果展示占10%，实验报告占15%，课堂纪律占10%。其中，课前预习和学习的成绩主要根据学生的预习效果、查阅文献资料和理解能力。为此，考核设置了与实验相关的理论知识、实验内容、实验设计与仿真方案等考核内容，并附有讨论题，以加深学生对实验项目的多角度理解，激发他们的思考和学习积极性。课堂实验部分考核的是学生在实验过程中的动手能力，以及他们发现问题、解决问题和实验创新能力，考核依据包括学生课上回答教师提问、参与问题讨论、分析解决问题、动手操作、数据整理归纳以及创新思考等表现。成果展示主要以现场展示或微视频的形式进行，考查其过程的完整性、流畅性以及讲解的清晰性，以此评估学生对实验项目的熟练度和理解程度以及表达能力。实验报告考查学生的书写逻辑性和层次性、数据整理与分析的正确性，以及结论和总结的合理性和深度，这主要考核的是学生整理、分析和处理数据的能力。课堂纪律考核的是学生遵守课堂纪律和实验室管理规定方面的能力。通过这五个方面的综合评估，旨在全面提升学生的综合能力和个人素养。

五、改革效果与评价

为客观、准确地检验机械控制工程实验教学改革的成效，并了解学生对改革的评价和支持度，课题组进行了为期3年（2019—2020学年、2020—2021学年和2021—2022学年）的学生问卷调查。问卷内容涵盖以下方面：教师教学态度、课前指导及资料准备；教师课中讲解、指导及示范操作。实验内容设置及虚拟仿真实验引入。教师的实验引导和启发；师生互动及生生互动。疑难问题的解答。实验后知识的理解、实验技能及动手能力的提高。调查结果显示，超过97%的学生对改革后的新教学方法表示高度认同和支持，并对实验指导教师给予了高度评价。

鉴于传统机械控制工程实验教学方法对学生创新思维有所限制、削弱了学生学习兴趣、阻碍学生创新能力的提升。课题组以新工科建设为背景，围绕教学内容、教学方法、教学流程和教学评价四个维度，对机械控制工程实验教学方法进行了创新改革。明确了具体的改革举措，并就学生的学习成效与满意度进行了调查。结果表明，改革后的实验教学方法能有效提升学生实验的积极性和主动性，加深了学生对理论知识的理解，有效提升了他们的自主创新能力和解决问题的能力。同时，这一改革也赢得了学生的高度评价和支持，为培养综合能力一流的机械工程人才奠定了坚实基础。

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责编：应 图