“机电控制工程基础A”教学改革探讨

徐晓惠 徐延海 蔡云 唐岚

摘要“机电控制工程基础A”是面向车辆工程专业的一门专业学科基础课。笔者结合自身教学经验和学生专业背景，通过现有教学情况和车辆工程专业认证需求，秉承“以学生为中心，以需求为导向”对该课程进行了相关教学分析和改革。通过学生的问题反馈并借助考核结果找到问题所在，为课程教学改革和教学效果优化指明方向。

关键词 机电控制工程 车辆工程 改革 以学生为中心

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.23.039

Discussion on the Teaching Reform of the Course of"Fundamentals of Electromechanical Control Engineering A"

XU Xiaohui， XU Yanhai， CAI Yun， TANG Lan

（School of Automobile and Transportation， Xihua University， Chengdu， Sichuan 610039）

AbstractThe course "Fundamentals of Electromechanical Control Engineering A" is a basic course of professional discipline for vehicle engineering professional. Combining with our teaching experience and professional background of students， we perform related teaching analysis and reform of the course through the existing teaching conditions and vehicle engineering professional certification requirements， which take the student as the center and the demand oriented. By means of the problem feedback of students and the results of the appraisal， we find the solutions to show clearly direction for both teaching reform and teaching effect optimization.

Keywordselectromechanical control engineering； vehicle engineering； reform； take the student as the center

0引言

自從《控制论》这一伟大著作问世以来，自动控制理论便作为一门基础学科渗透到各个机电类专业领域，因此各高校将控制基础理论成为相关专业的学科基础课势在必行。[1-2]此外，随着工程教育专业认证的高重视度和认可度，我校2018年也成功申报了车辆工程专业认证资格。因“机电控制工程基础”和“建模与仿真基础”两门课程合并原因，使得本门课程对专业认证的支撑度在2级指标点中所占权重总和由原来的0.4变为0.8，其重要程度可见一斑。本文首先对课程进行了简介；然后根据笔者所在课程教学小组近年来对课程的教学方法的探究和学生学习动态，提出了近期教学方法和考核方法的改革策略，为课程教学的深化改革和优化教学效果指明方向。

1课程简介

“机电控制工程基础A”是车辆工程专业的学科基础课程，共40学时，其中理论学时为28个，实验学时为12个。课程的目的在于使学生掌握机电控制系统建模、分析及设计等相关的理论知识。通过本课程的学习，为学生的后续学科基础课（如汽车测试技术基础）、专业课（如汽车动力学分析）、汽车电控课程设计和毕业设计（要求对电控系统进行动力学仿真）等奠定系统分析与设计的理论基础。

根据毕业要求指标点的对应关系，该课程设立了4个教学目标，分别为：（1）要求学生掌握控制工程基础中的基本概念、基本原理和基本方法，构建力学、电学等研究对象的系统数学模型；（2）掌握分析与描述控制系统的性能指标，进行系统设计方案验证，具有针对简单连续机电控制系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能力；（3）培养学生综合运用相关软件对机电控制系统进行初步计算与系统分析的能力，能够构建研究对象的相关实验系统；（4）能够利用相关基础理论证明和解释实验结论的合理性与有效性，培养学生的工程素质及实际工程问题解决的能力。

本课程教学通过以课堂讲授为主，结合上机、作业共同实施完成教学。以考核学生对课程目标的达成为主要目的，以检查学生对各知识点的掌握程度为重要内容，最终课程成绩包括四大部分，分别为平时作业成绩（10%）、期中考试成绩（10%）、上机实验（20%）、期末考试成绩（60%）。

2教学改革措施

2.1课程合并的必要性

本校“建模与仿真基础”这门课程是从2015级-2018级的车辆工程专业学生的限选课程。开设该课程的目的使得学生通过计算机软件建立动态系统模型，进而了解系统仿真与分析的基本步骤和思想，培养学生以MATLAB/Simulink为工具解决较为简单的实际工程问题。[3]该课程开设在大二第一学期，也就是开设在“机电控制工程基础”课程的前面。本课程共32学时，其中实验学时为24个，它是“机电控制工程基础”课程的软件操作基础和建模基础。

在“建模”课程实验过程中，当涉及基础的数学运算时，比如矩阵的运算、绘制函数绘制曲线、搭建Simulink模型等，学生可以根据提示较好地完成实验。然而，涉及给出一个具体动力系统（典型的质量-弹簧-阻尼-系统），要求学生分析系统搭建微分方程、并通过M语言和搭建Simulink模型两种形式绘制系统的单位阶跃响应曲线时，多数学生束手无策。原因在于：（1）不理解具体动态系统的微分方程建立过程；（2）不清楚如何根据微分方程如何求传递函数；（3）不明白响应曲线结果的意义是什么，无法判断曲线的对错。这三部分知识点均为“机电控制工程基础”中数学模型和系统的时间响应分析两大模块的知识点，需8个学时才能完成的教学内容。通过四年的教学效果分析和思考，最后将“建模与仿真基础”和“机电控制工程基础”两门课程进行合并，在“机电控制工程基础A”中增设了4个理论学时讲解MATLAB/Simulink软件的操作，并增设了4个实验学时MATLAB/Simulink锻炼学生的软件操作能力。经过2021年上半年对2019级车辆工程专业学生的教学，学生的反映和实验结果均令人满意。

2.2理论教学与实验内容的融合

建模和机电两门课程合并后，除了需要为学生讲解软件操作外，多数实验内容辅助学生对授课知识点的认知而服务。在以往教学时，因涉及协调实验室预约、学生空余时间和教师空余时间等多因素，往往实验课在所有授课内容结束后才进行。这种方式一方面不利于学生对所学知识点的实时强化，另一方面不利于学生高质量的完成实验报告，最终导致教学效果不佳。2021年度上学期授课过程中，笔者所在教学小组采用了将理论教学与实验内容相融合的方式进行展开，该过程通过知识点一阶系统响应的性能指标的讲解流程进行解释，具体如图1所示。通过理论知识和实验操作的同时进行，使得学生可以清晰的看出理论知识点和实验结果的一致性，以及如何利用理论知识点验证实验结果。此方式不仅强化了学生对知识点的理解，同时在书写实验报告时不会出现“不知道写什么？”和分析逻辑混乱的情况。

2.3平时作业考核方式的多样化

本门课程是一个数学性较强的课程，学生经常会迷惑所学知识究竟是控制理论还是多门数学的综合。[4]学生即便明白了控制的原理和相关解题过程，但因数学计算能力的差异对该课程产生畏惧，甚至放弃学习，最后导致课程考核结果参差不齐，课程分数两极分化较为严重。为了在教学过程中积极调动学生学习的积极性，只要采用以下3点：

（a）本门课的作业几乎都是计算分析题。以往布置作业后并未给出答案，学生作业情况极为不佳。经思考后，本期授课时布置作业后实时给出最终计算结果。这样，学生做题有目标感，发现错误后及时纠正，解题过程“正确率”极大提高。

（b）利用课堂提问和课间抽查方式，采用不定期“面试考核重要知识点方式”督促学生学习，该方式有效提高了学生上課的注意力和课后复习的力度。

（c）限于时间压力和学生人数多压力，方式（b）很难兼顾到所有学生，效果是局部的。因此采用课堂随堂测试的方式弥补方式（b）。通常，在重要知识点阶段性结束后，在授课前或接近下课时，利用10分钟左右对学生进行随堂小测试，允许翻阅教科书或者和同学讨论。通过学生之间的互动来检阅知识点的掌握和纠正，该方式弥补了部分同学被动吸收知识和知识零碎化问题。

2.4考试题目的变革

以往考试过程中，试卷题目偏向重视题型的多样化和计算量，以及对每章重要内容的覆盖面。本年度采用了重概念、重基础、重灵活性的方式进行了试卷考核。从考试结果来看，学生对知识的掌握存在以下问题：

基础概念不清晰。例如：在简答题中，往年给出一个最小相位系统的Bode图，要求学生在图上标注出与稳定裕量相关的重要概念（如增益交界频率、相位交界频率、幅值裕量、相位裕量），半数同学以上可以在给定的图中正确标记出来。本年要求学生自己通过绘制一个Bode图示意图，标记出以上相关概念，仅有极少量学生可以标记出来，说明学生对概念理解不到位。

关联性不够。例如，在计算题中，给出一个系统的单位阶跃响应的表达式，要求学生求出该系统的单位脉冲响应。题目本身只需要将单位阶跃响应求导即可得到答案。部分同学是通过求出闭环传递函数，再进行拉普拉斯反变换求出单位脉冲响应。虽然思路可行，但计算量非常大，导致失分非常严重。

灵活性不够。例如，在考核方框图化简时，往年不给出具体环节，只给出方框里的符号，即便方框较多且环路之间存在交叉时，学生此题的得分率较高。本年度给出的总体方框图较往年简化很多，方框里给出具体的典型环节表达式，题目考核的知识点相同，仅形式上做出改变。此外，本题通过梅森公式法可以快速提前预知计算结果。然而，本题却成为所有计算题中学生失分最高的题目，学生或放弃解答抑或计算结果不对。

基于以上分析，今后在授课过程中，通过各种教学手段、作业布置和实验来强化学生对基础概念的理解、授课内容知识点的串联以及题型的灵活度掌握、是十分必要的。

3结语

本文基于笔者在“机电控制工程基础A”课程的多年教学实践，通过分析该课程的教学目标，提出了课程考核要求和方式。通过采用理论与实验的课堂融合、平时考核的多样化以及考试题型的重概念、重基础和重灵活性，提出了在教学过程中学生存在的问题及教学举措。笔者希望本文可以为相关课程的教学改革和教学优化起到一定的指引作用。

基金支持：四川省高等教育人才培养质量和教学改革项（No. 05020665），汽车服务工程教学团队（No. RC2100001767），《汽车测试基础》四川省省级一流课程（No. RC2100001384），西华大学教师师资支持计划（No.20150018），西华大学课程思政建设项目（2020年），西华大学汽车与交通工程实验教学团队建设项目（2020年）

参考文献

[1]吴炳胜，荀杰.机电工程控制基础[M].第1版，北京：冶金工业出版社，2011.

[2]杨继斌.“能源与动力工程控制基础”课程教学改革探讨[J].科教导刊，2020（19）：137-138+147.

[3]熊庆，徐延海，彭忆强，等.“建模与仿真基础”课程教改探讨[J].科教导刊，2017（34）：118-119+125.

[4]张焕梅.机电控制工程基础教学方法探讨[J].大学教育，2017（08）： 73-75.