機械工程控制基礎課程教學研究

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“機械工程控制基礎”是機械工程類本科專業的一門核心課程，該課程一般設置在第5或第6學期，在學生已有的高等數學、工程數學和專業課知識的基礎上，將控制論的方法運用到機械工程領域，研究機械工程系統的動力學問題[1]?！皺C械工程控制基礎”是一門偏理論和方法論的課程，內容具有抽象、概括，涉及知識面廣的特點，學生學習前需要具備較好的高等數學、復變函數及機械工程各學科基礎知識。除了涉及知識面廣，需要進行數學推導，該課程還存在內容多，學時相對少的問題，以上問題，導致普通機械工程類專業學生學習該課程有一定的難度，教師很難有效地開展教學，保證教學質量。因為本課程在機械工程類專業占據核心地位，越來越多的高校在本專業研究生入學考試中，選其作為專業課考試科目。該課程不僅關系到學生當前的學習，對以后的工作和升學也有舉足輕重的影響，無論從就業還是升學角度，“機械工程控制基礎”都是一門教師必須要教好，學生必須要學好的關鍵課程。

1“機械工程控制基礎”課程的現狀與問題

山東農業工程學院機械電子工程專業，選擇楊叔子院士所編《機械工程控制基礎》作為本課程的教材[1]，課程總學時數32，其中理論24課時，實驗8課時。理論課時主要講授線性定常系統的數學模型、系統傳遞函數、時間響應分析、頻率特性分析和穩定性判斷與系統校正，實驗課時主要指導學生使用MATLAB軟件建立系統數學模型，對系統進行時域、頻域和穩定性分析，并實現簡單的系統校正，輔助解決機械工程控制相關問題。授課過程以講授知識點和數學推導為主，其中數學推導對于我校應用型本科的學生具有較大的難度，教師在課堂上進行的數學推導往往成為教師的“獨角戲”，學生很難參與進來，表現出聽課疲勞和厭學的狀態?，嵥榉倍嗟闹R點又讓學生抓不住課程關鍵，教學效果普遍不理想，甚至出現期末考試大面積不及格的情況。

2“機械工程控制基礎”課程結構主義教學改革

結構主義教學理論誕生于20世紀50年代末，代表人物是美國心理學家、教育家布魯納。在《教育過程》[2]一書中，布魯納集中表述了自己的結構主義教學理論。所謂結構主義教學理論，主要包括以下幾個方面：（1）認為結構具有普遍性?！叭魏螌W科中的知識都可引出結構”，“在天平的例子中，結構便是兒童頭腦中所想的許多依次排列的砝碼”。布魯納認為“一門學科的課程應該決定于對能達到的、給那門學科以結構的根本原理的最基本的理解”，即一門課程的課程目標應該是讓學生對本學科基本原理有基本的理解。（2）認為學科的基本結構包括該學科基本概念、原理、知識及其內在聯系，和學生的學習態度、方法?！罢莆漳骋活I域的基本觀念，不但包括掌握一般原理，而且還包括培養對待學習和調查研究、對待推測和預感、對待獨立解決難題的可能性的態度”。（3）認為學科的基本結構在學科教學中有重要意義。布魯納認為，學科結構是“教學的中心”，“無論我們選教什么學科，務必使學生理解該學科的基本結構”；學生“懂得基本原理可以使得學科更容易理解”，有利于學生理解和掌握整個學科；學生“學習普遍的或基本的原理的目的，就在于保證記憶的喪失不是全部喪失，而遺留下來的東西使我們在需要的時候得以把一件件事情重新構思起來”，有利于學生對整個學科的記憶；學生“領會最基本的原理和觀念，看來是通向適當的‘訓練遷移’的大道”，有利于學生的學習遷移。針對“機械工程控制基礎”課程存在的問題，決定在教學中采用結構主義教學，使教師和學生在教學過程中專注于構建課程的理論框架，通過該框架匯總課程學習過程中的知識，使該框架在教學中起到提綱挈領的作用，便于學生對課程內容的整體把握，提高教學質量；針對課程中數學公式多，計算推導難度大的問題，指導學生使用MATLAB軟件進行處理，降低計算難度，提高學生學習興趣，學習主動性和創造性。

3“機械工程控制基礎”課程中的結構主義教學過程設計

“機械工程控制基礎”課程的教學目標，是讓學生學會運用工程控制論的基本理論和方法，分析研究機械工程控制領域中有關信息傳遞、反饋和系統控制性能問題，培養學生判別系統穩定性、變更系統參數，以改善系統性能的分析綜合能力[3]。課程教學內容，從理論上分為系統數學模型建立，系統時域、頻域性能分析，和系統校正三個部分，各部分包括的基本概念、理論、知識點較多，且分布零散。學生聽課、作業和課堂測試過程中，容易出現學習疲勞，注意力分散，學習興趣降低，消極懶惰，課堂測試成績不理想等現象。通過研究總結，為降低本課程的教學困難，筆者提出了在課程教學過程中進行以教師引導，學生參與，搭建課程內容結構框架為主的結構主義互動教學，教學過程具體分為三步：（1）教師在課堂上搭建課程框架結構，以框架統領知識點在教學過程中，借助教材，搭建了圖1所示的課程知識框架。以學科的研究對象，系統為起點，借助數學工具建立系統數學模型，再通過拉普拉斯變換得到系統傳遞函數，傳遞函數能夠有效地描述系統的固有特性，并且具有形式簡單，便于操作的特點；再對傳遞函數進行時間響應分析和頻率特性分析，分析系統性能，進而通過對傳遞函數和頻率特性使用Routh判據、Nyquist判據和Bode判據，分析系統的穩定性；如經分析發現系統不穩定，則需在系統中加入校正環節，重新建立系統的傳遞函數，分析其特性，判斷其穩定性，通過這種判斷機制，獲得穩定性較好的系統。其中頻率特性和穩定性分析是本課程重要內容，同時也是教學重點難點，關系到整門課程的教學，教師需熟練掌握該部分內容涉及到的數學工具，選擇合適的教學策略進行教學。通過搭建以上結構框架，“機械工程控制基礎”課程的各教學模塊、知識點，化零為整，在課程中的地位一目了然，能保證教師和學生在有限的學時中，分清主次，幫助學生把握課程內容，避免學生聽課過程中出現惰性、疲勞和注意力分散等現象，進行有效的教學學習。有利于提升學生對學科的全面認知，從較高的視角認知把握課程，不再拘泥于瑣碎的學科知識和數學推導，能對學科和相關工程問題進行深入探討。（2）學生通過作業總結課程框架，理解、細化、鞏固、貫通課堂知識在第一步中，教師在課堂上引導學生總結學科知識的基本結構框架，并對其進行銜接，但因為課堂時間限制，不可能在課堂深入展開。因此，教師通過布置作業的形式，要求學生總結學習內容，在課堂總結的內容架構的基礎上，根據自己的思維習慣和對課程知識的掌握程度，細化知識基本結構框架。學生可以在總結過程，對課堂和教材上的知識進行回憶，理解，加深對課程知識點的理解，并養成自己動腦進行探索的習慣，形成架構學科知識框架的能力，這對其以后的學習工作，都具有重要的意義。真正做到，如布魯納所說，在教學中，使學生“掌握某一領域的基本觀念，不但包括掌握一般原理，而且還包括培養對待學習和調查研究、對待推測和預感、對待獨立解決難題的可能性的態度?！保?）教師依據工程案例構造習題，鍛煉學生解決問題的能力習題：圖2為一液壓驅動系統，已知負載的質量m=8kg，負載受到的阻尼c=0.1，流量增益為Kq=1.5m3/s*m，活塞橫截面積為A=0.03m2，流量-壓力系數為Kc，試計算系統的傳遞函數；用Routh穩定判據判斷系統的穩定性，確定系統穩定時Kc的取值范圍；從取值范圍內選擇任意Kc值，運用Nyquist判據和Bode判據，判斷系統的穩定性。該習題結合工程實際問題，以計算題的形式，將課程各知識點串聯起來。學生在解題過程中，回顧、提取了課程知識框架中的知識點，對各種概念有了更深入的了解，糾正了一些理解偏差，進一步鞏固了學科知識，提高了對學科的認知，鍛煉了解決實際工程問題的能力，樹立起解決問題的信心。由于Nyquist圖和Bode圖手工繪制較為困難，在解題過程中，指導學生使用MATLAB軟件繪制，完成閉環穩定性判斷，和穩定裕度計算。MATLAB的使用簡化了計算，把學生從復雜的數學計算中解放出來，使其有更多精力關注題目的解題思路，解題路徑，在提高學生解決問題能力，增加學習興趣的同時，使學生掌握MATLAB軟件的基本功能，為其以后的科研工作打下良好的基礎。

4教學成效

圖3為采用結構主義教學的班級學生的期末考試卷面成績分布情況，圖4為對照班級的期末考試卷面成績分布情況。可以發現在同樣的學習時間里，采用結構主義教學的實驗班級大量學生的期末成績處于中等階段（70-80），在良好（80-90）和優秀（90-100）階段也有一定的分布，與對照組比較，不及格率顯著降低，表明實驗組學生對學科知識有了較好的掌握。實踐證明，結構主義教學理論確實能提高“機械工程控制基礎”課程的教學效果。

5結束語

結構主義教學，注重在教學過程中通過歸納總結知識點，搭建課程的知識框架，使學生能在較短的時間，理解課程的核心知識及其邏輯關系，把握課程知識體系，深入理解各知識點在解決問題時的使用方法，提高學生解決問題能力。通過教學實踐，結構主義教學使學生對課程的學習和復習難度有所降低，運用課程知識解決問題的能力有明顯的提示。當前的高等教育為了給學生更多可自由支配的時間，以參加更多課外實踐活動，發展興趣愛好，往往存在課程知識量大，課時少的問題。結構主義教學能夠在較短的時間內，使學生對課程有深入的理解和把握，為提高高等教育教學質量，教師可以將結構主義教學應用到高等教育課程教學中。

參考文獻：

[1]楊叔子、楊克沖.機械工程控制基礎（第七版）[M].武漢：華中科技大學出版社，2021.

[2]布魯納.教育過程[M].邵瑞珍譯.北京：文化教育出版社，1982.

[3]陳乃建.《機械工程控制基礎》課程分析與教學方法研究[J].科技視界，2016（25）.

作者:賈孝偉 李曰陽 宋衛海 劉明明 林小亮 單位:山東農業工程學院