基于“新工科”项目的机械工程控制基础课程的教学探索与启示

夏博 胡雪 曾海峰 葛云 张立新 赵庆展

摘  要：由于新工科项目对工科学生的能力培养提出了更高的要求，机械工程控制基础课程组积极响应提高工科学生的工程素养和实践能力的号召，针对机械工程控制基础课程进行新一轮教学实践改革。主要采用“传统授课方式+课堂总结归纳+课上课后练习+上机实践操作”的联合教学法，注重剖析重难点内容，关注知识点之间的关联性和逻辑性，帮助学生创建有效的学习方法，提高学生的学习效果和认知能力，增强其分析和解决机械工程控制领域中复杂工程问题的能力。

关键词：新工科;机械工程控制基础;教学探索

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）14-0011-04

Abstract： The "new engineering subject" project put forward higher requirements for the ability training of Engineering students. The course group actively responds to the call to improve the training quality of engineering students， and carries out a new round of teaching reform for the control principle of mechanical engineering. A teaching method of "traditional teaching mode + classroom summary and induction + after-class practice + on-line practical operation" has been carried out. It can help students to clear about difficult contents， understand the relevance and logic between knowledge points， create effective learning methods， improve learning effect and cognitive ability， strengthen the ability for analysis and solution of complex engineering problems in control principle of mechanical engineering.

Keywords： new engineering; fundamentals of control engineering; exploration of teaching methods

为应对新一轮科技革命与产业变革，支撑“中国制造2025”等一系列国家战略。自2017年2月，教育部积极推进“新工科”建设[1，2]，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》、《关于推进新工科研究与实践项目的通知》等文件[3]，全力探索中国模式工程教育，在全国高校范围内深入系统地开展新工科研究和实践，争取建立中国模式、制定中国标准、形成中国品牌，打造世界工程创新中心。石河子大学机械电气工程学院积极响应教育部和大学的号召，努力在工科专业课程的教学过程中引入“新工科”教育理念，全面提升本校工科人才培养的教育质量和教学效果。

机械工程控制基础是机械设计制造及其自动化专业的一门必修专业基础课和专业核心课程[4]。本课程以控制论为理论基础，研究机械工程中广义系统的动力学问题。通过学习机械工程控制基础，使学生了解控制理论的思维方法，掌握控制理论的基本知识，能以动态的观点看待一个机械工程系统，从整个系统中的信息传递、转换和反馈等角度来分析系统的动态行为，为进一步学习机械制造类专业课程奠定基础。通过学习本课程，学生能够掌握控制理论的思维方法和基本概念，掌握建立机电系统数学模型、传递函数与方框图的求取、简化与演算的基本知识以及求解典型系统的时域、频域特性和性能指标方法，能够以控制论的观点和思维方法对机电系统中存在的问题进行科学分析，以找出问题的本质和有效的解决方法;同时，具备建立机电系统控制模型的能力和面对复杂机械系统控制问题的分析、求解和论证能力。

一、课程体系

本课程共计40学时，其中理论教学32学时，课内实验教学8学时。本课程主要内容包括机械工程基本概念（2理论学时）、系统的数学模型（6理论学时）、时间响应与误差分析（6理论学时+2实验学时）、系统的频率特性分析（6理论学时+2实验学时）、系统的稳定性（6理论学时+2实验学时）、系统的性能分析与校正（6理论学时+2实验学时）。具体课程体系如图1所示。本课程理论知识点繁杂，理论性很强，课程内容抽象枯燥，涉及到的相关课程包括《高等数学》、《复变函数》、《电工学》、《理论力学》等。因此，学生在学习过程中往往存在畏难情绪，无法理清知识脉络，难以抓住主要问题，最终导致学习效果不佳，課堂教学效果不好。为了扭转学生对本门课程的学习态度，本课程组积极探索新型的教学方法和教学模式，打破以往的“填鸭式”教学，努力做到以学生为主体，“翻转”师生课堂主体地位，加强学生在课堂中的参与度，活跃课堂气氛，最终达到吸引学生注意力，提高学生学习兴趣的目的。

二、教学探索与实践

随着“新工科”项目的发展，在工科类专业课程的建设过程中，为了提升学生工程实践能力，培养创新能力，就一定要注重教学结果。关于教学结果的研究，美国教育技术专家罗伯特·加涅在其《学习的条件》[5]一书中提出了五种学习结果分类，即言语信息、智力技能、认知策略、动作技能和态度[6]。由此，本课程组成员针对机械工程控制基础课程体系的结构和内容，对课程中涉及的主要知识点进行分类处理，分别开展不同角度的教学探索和实践。这些教学实践可总结归纳为以下几方面：

首先，由于课程中存在较多要求学生能够明确表达或要求他们在操作中熟记的基本概念，本课程组采用传统的讲授式教学，配合特定课堂教学手段，最终提高教师的教学效率和学生的学习效果，最终提升学生言语信息和智力技能的学习效果。对于课程中涉及的基本问题，教师在课堂上及时讲解，对学生容易产生疑惑之处给予辨析。同时，考虑到学生在学习中的主体地位，在授课过程中穿插小组讨论的建构主义理念教学方法，增强学生的课堂参与度。学生通过组内和组间的“头脑风暴”活动强化自身的认知能力，转变了对知识要点的认知方式。例如，针对系统的稳定性中“Routh判据、Nyquist判据、Bode判据条件和判断”这一知识点，通过采用传统讲授式教学+课堂总结归纳+课后练习的教学方法，引导学生建立解题思路，提升解题技巧，使学生正确运用系统稳定性判据，进一步巩固课堂上的教学要点和重难点内容;而对于“系统的相对稳定性”这一知识点，重点要求学生辨析相位裕度和幅值裕度，此时采用传统讲授式教学+小组讨论的教学方法，通过理论联系实际的讨论和头脑风暴课堂活动，帮助学生深入理解相位裕度和幅值裕度对系统稳定性的影响，使其明白如何用相位裕度和幅值裕度定量表述系统的相对稳定性。

其次，本课程的教学目标之一就是提升学生的工程素养和实践能力。这一教学目标与加涅提出的“认知策略”和新工科项目所期望的教育理念十分贴近。教学理论界常讲“授人以鱼不如授人以渔”。帮助学生掌握学习方法是教师教学永远追求的目标。实际而言，学生在日常点滴学习过程中逐渐掌握了适合自己的学习方法，就为最终形成学习能力奠定了基础。本课程内容及知识点繁多，必须要求学生能够根据所学知识构建自己的知识网络。只有学生能够构建自己的知识网络，才能真正理解机械工程控制理论的本质和意义。因此，在课堂教学过程中，教师帮助学生总结归纳知识框图，形成主干树结构，梳理主要知识脉络;而学生则进一步补充教师在课堂上梳理出来的知识结构，细化知识结构和知识脉络，强化其学习效果，进一步提高学生的认知策略，使其掌握适合自己的学习方法。

再次，本课程十分注重学生对于“怎么做”的认识与实践。在课堂教学中，教师和学生已通过传统讲授方法、课堂总结归纳、课后练习等教学方法了解较多理论知识，但更重要的是让学生了解理论如何与实践结合起来，最终实现从概念到方法，从定义到公式，从理论到应用的突破。为了获得更好的教学效果，本课程组成员围绕提升学生智慧技能与动作技能开展了一系列探索。加涅指出，动作技能操作的流畅程度与时间的精确程度，可以反映行为表现的内部组织程度。因此，教师引导学生利用MATLAB软件针对控制系统中的数学模型、时域分析、频域分析、系统稳定性分析、系统校正等内容展开实践训练，通过MATLAB编程计算分析不同参数下系统的时间响应、频率特性、系统稳定性。并以“数控直线运动工作台位置控制系统”为例，在不同的系统参数下，分析计算系统的时域、频域性能，以及系统结构与参数对系统稳定性的影响。通过上述分析，学生能够全面了解控制理论在工程实践中的运用方法，真正学会利用控制理论的固有辨证方法解决机械制造领域的实际问题。

最后，关于加涅提出的“态度”仍然是一个不可忽视的要素。加涅认为，态度是习得的、影响个体对特定对象作出行为选择的、有组织的内部心理状态。与智慧技能、动作技能相比，态度与个体行为的关系不那么直接，态度并不决定特定的行为，它以行为的倾向或准备状态对行为产生间接影响。因此，我们在教学中始终明确并恪守这样的教学原理。通过不断变换教学方法和教学手段，吸引学生的注意力，增强学生的学习兴趣，调动起学习积极性显得尤为关键。本课程课堂形式多样，通过不断转换课堂上教师与学生的主体地位，牢牢抓住学生的兴趣点，取得较好的课堂教学效果。

通过本轮次教学探索与实践，本门课程的教学效果显著提升。通过对比机械设计制造及其自动化专业机制2014级1-2班（57人）成绩和机制2015级1-2班（54人）成绩（如图2所示）可知，学生期末成绩优良率从12.31%提升至29.63%，优良率提升2.4倍。从学生成绩分布图可知，机制2014级1-2班学生成绩在90-100、80-90、70-80、60-70、0-60分数段占比分别为0.00%、12.31%、17.49%、45.69%、24.51%;机制2015级1-2班学生成绩在90-100、80-90、70-80、60-70、0-60分数段占比分别为9.26%、20.37%、22.22%、25.93%、22.22%;综合比较，机制2015级1-2班学生成绩高分人数占比明显提高，平均成绩明显提升。但同时，不及格人数占比并未明显提升，这表明班级内部两极分化现象明显，低分段学生仍未掌握本门课程的重要知识点，在下轮次教学过程中还需进一步夯实学生的基础理论知识，强化学生对基础知识的掌握效果，进一步提高学生成绩的优秀率和及格率。

三、启示

通过本轮次教学探索和教学实践，经分析学生成绩分布情况可知，采用“传统授课方式+课堂总结归纳+课上课后练习+上机实践操作”的联合教学法可有效提高学生的学习效果，强化学生的认知能力，增强学生的学习兴趣。总结本次教学经验，可得到如下启示：

第一，传统授课方式应注重剖析知识重难点和学习方法。在课堂教学时，对于学生难以理解和掌握的重难点知识应当进行深入全面的讲解，学生在学习这部分知识感到无助时，亟需教师辅助学习，提供学习支助和支撑，消除学生的畏难情绪，建立学习信心，增强学习兴趣。在学习重难点知识时，重点灌输相应的学习方法，真正做到“授学生以渔”，让学生自己建立适合自己的学习系统。

第二，课堂总结归纳应注重知识脉络之间的连贯性和逻辑性。课程涉及的知识点繁杂，很容易造成主线不清晰的学习困惑，此时需要教师的专业指导才能捋出知识脉络，使学生认识到知识点的主次关系、逻辑关系。一旦学生了解知识点之间的逻辑顺序，就能“顺藤摸瓜”，构建自己的知识网络。在解决实际工程问题的时候，能够调动头脑中的知识网络，按图索骥，快速精准锁定解决方法。

第三，课上课后练习应注重训练学生的解题思路和策略。本课程中涉及到大量的计算分析题，例如求某一系统的传递函数、方框图绘制及简化、时域响应、幅频特性、相频特性、实频特性、虚频特性、绘制Nyquist图和Bode图等，在求解上述问题的时候，若没有清晰的解题思路则难以突破。因此，在课上练习时，教师注重结合练习题教授解题思路，而在课后练习时，学生则需进一步强化解题思路，获取正确的解题策略，提高解题效率。

第四，上机实践操作应注重正确表达控制理论的编程语言。在控制系统的实际工程问题中，往往需要运用较多理论来解决某一问题，此时必须借助MATLAB软件进行分析运算求解。因此，学生必须掌握如何将控制系统中的公式、定义、理论准确转变为相应的编程指令，否则难以完成分析运算。

四、结束语

基于“新工科”项目建设，本课程组针对机械工程控制基础课程的主要内容和相关知识点进行分类教学，采用“传统授课方式+课堂总结归纳+課上课后练习+上机实践操作”的联合教学法，注重剖析重难点内容，关注知识点之间的关联性和逻辑性，帮助学生创建有效的学习方法，正确的解题思路和解题策略，以及准确的控制理论编程语言的编译方法，可有效提高学生的学习效果，强化学生的认知能力，增强学生的学习兴趣，增强其分析和解决复杂机械工程控制领域的工程问题的能力。

参考文献：

[1]陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考[J].高等工程教育研究，2017（03）：26-32.

[2]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（03）：7-12.

[3]高丽霄，李莉.“互联网+出版”助力新工科人才培养[J].出版参考，2018，788（10）：58-59.

[4]陈广庆，杨前明.机械工程控制基础课程教学方法浅析[J].中国教育技术装备，2010（24）：41-42.

[5]罗伯特·加涅.学习的条件[M].傅统先，陆有铨，译.北京：人民教育出版社，1985.

[6]李兴武.不同类型知识的学习过程与教学策略[J].教育探索， 2016（3）：25-28.