夏博 胡雪 曾海峰 葛云 張立新 趙慶展

摘? 要：由于新工科項(xiàng)目對(duì)工科學(xué)生的能力培養(yǎng)提出了更高的要求，機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程組積極響應(yīng)提高工科學(xué)生的工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力的號(hào)召，針對(duì)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程進(jìn)行新一輪教學(xué)實(shí)踐改革。主要采用“傳統(tǒng)授課方式+課堂總結(jié)歸納+課上課后練習(xí)+上機(jī)實(shí)踐操作”的聯(lián)合教學(xué)法，注重剖析重難點(diǎn)內(nèi)容，關(guān)注知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性和邏輯性，幫助學(xué)生創(chuàng)建有效的學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和認(rèn)知能力，增強(qiáng)其分析和解決機(jī)械工程控制領(lǐng)域中復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：新工科;機(jī)械工程控制基礎(chǔ);教學(xué)探索

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

為應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐“中國(guó)制造2025”等一系列國(guó)家戰(zhàn)略。自2017年2月，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)[1，2]，并發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》、《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》等文件[3]，全力探索中國(guó)模式工程教育，在全國(guó)高校范圍內(nèi)深入系統(tǒng)地開(kāi)展新工科研究和實(shí)踐，爭(zhēng)取建立中國(guó)模式、制定中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、形成中國(guó)品牌，打造世界工程創(chuàng)新中心。石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院積極響應(yīng)教育部和大學(xué)的號(hào)召，努力在工科專業(yè)課程的教學(xué)過(guò)程中引入“新工科”教育理念，全面提升本校工科人才培養(yǎng)的教育質(zhì)量和教學(xué)效果。

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一門(mén)必修專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)核心課程[4]。本課程以控制論為理論基礎(chǔ)，研究機(jī)械工程中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)，使學(xué)生了解控制理論的思維方法，掌握控制理論的基本知識(shí)，能以動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)看待一個(gè)機(jī)械工程系統(tǒng)，從整個(gè)系統(tǒng)中的信息傳遞、轉(zhuǎn)換和反饋等角度來(lái)分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)械制造類專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生能夠掌握控制理論的思維方法和基本概念，掌握建立機(jī)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、傳遞函數(shù)與方框圖的求取、簡(jiǎn)化與演算的基本知識(shí)以及求解典型系統(tǒng)的時(shí)域、頻域特性和性能指標(biāo)方法，能夠以控制論的觀點(diǎn)和思維方法對(duì)機(jī)電系統(tǒng)中存在的問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)分析，以找出問(wèn)題的本質(zhì)和有效的解決方法;同時(shí)，具備建立機(jī)電系統(tǒng)控制模型的能力和面對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)控制問(wèn)題的分析、求解和論證能力。

一、課程體系

本課程共計(jì)40學(xué)時(shí)，其中理論教學(xué)32學(xué)時(shí)，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)8學(xué)時(shí)。本課程主要內(nèi)容包括機(jī)械工程基本概念（2理論學(xué)時(shí)）、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（6理論學(xué)時(shí)）、時(shí)間響應(yīng)與誤差分析（6理論學(xué)時(shí)+2實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)）、系統(tǒng)的頻率特性分析（6理論學(xué)時(shí)+2實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)）、系統(tǒng)的穩(wěn)定性（6理論學(xué)時(shí)+2實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)）、系統(tǒng)的性能分析與校正（6理論學(xué)時(shí)+2實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)）。具體課程體系如圖1所示。本課程理論知識(shí)點(diǎn)繁雜，理論性很強(qiáng)，課程內(nèi)容抽象枯燥，涉及到的相關(guān)課程包括《高等數(shù)學(xué)》、《復(fù)變函數(shù)》、《電工學(xué)》、《理論力學(xué)》等。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中往往存在畏難情緒，無(wú)法理清知識(shí)脈絡(luò)，難以抓住主要問(wèn)題，最終導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳，課堂教學(xué)效果不好。為了扭轉(zhuǎn)學(xué)生對(duì)本門(mén)課程的學(xué)習(xí)態(tài)度，本課程組積極探索新型的教學(xué)方法和教學(xué)模式，打破以往的“填鴨式”教學(xué)，努力做到以學(xué)生為主體，“翻轉(zhuǎn)”師生課堂主體地位，加強(qiáng)學(xué)生在課堂中的參與度，活躍課堂氣氛，最終達(dá)到吸引學(xué)生注意力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。

二、教學(xué)探索與實(shí)踐

隨著“新工科”項(xiàng)目的發(fā)展，在工科類專業(yè)課程的建設(shè)過(guò)程中，為了提升學(xué)生工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，就一定要注重教學(xué)結(jié)果。關(guān)于教學(xué)結(jié)果的研究，美國(guó)教育技術(shù)專家羅伯特·加涅在其《學(xué)習(xí)的條件》[5]一書(shū)中提出了五種學(xué)習(xí)結(jié)果分類，即言語(yǔ)信息、智力技能、認(rèn)知策略、動(dòng)作技能和態(tài)度[6]。由此，本課程組成員針對(duì)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程體系的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，對(duì)課程中涉及的主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分類處理，分別開(kāi)展不同角度的教學(xué)探索和實(shí)踐。這些教學(xué)實(shí)踐可總結(jié)歸納為以下幾方面：

首先，由于課程中存在較多要求學(xué)生能夠明確表達(dá)或要求他們?cè)诓僮髦惺煊浀幕靖拍?，本課程組采用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)，配合特定課堂教學(xué)手段，最終提高教師的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，最終提升學(xué)生言語(yǔ)信息和智力技能的學(xué)習(xí)效果。對(duì)于課程中涉及的基本問(wèn)題，教師在課堂上及時(shí)講解，對(duì)學(xué)生容易產(chǎn)生疑惑之處給予辨析。同時(shí)，考慮到學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，在授課過(guò)程中穿插小組討論的建構(gòu)主義理念教學(xué)方法，增強(qiáng)學(xué)生的課堂參與度。學(xué)生通過(guò)組內(nèi)和組間的“頭腦風(fēng)暴”活動(dòng)強(qiáng)化自身的認(rèn)知能力，轉(zhuǎn)變了對(duì)知識(shí)要點(diǎn)的認(rèn)知方式。例如，針對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性中“Routh判據(jù)、Nyquist判據(jù)、Bode判據(jù)條件和判斷”這一知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)采用傳統(tǒng)講授式教學(xué)+課堂總結(jié)歸納+課后練習(xí)的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生建立解題思路，提升解題技巧，使學(xué)生正確運(yùn)用系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)，進(jìn)一步鞏固課堂上的教學(xué)要點(diǎn)和重難點(diǎn)內(nèi)容;而對(duì)于“系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性”這一知識(shí)點(diǎn)，重點(diǎn)要求學(xué)生辨析相位裕度和幅值裕度，此時(shí)采用傳統(tǒng)講授式教學(xué)+小組討論的教學(xué)方法，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際的討論和頭腦風(fēng)暴課堂活動(dòng)，幫助學(xué)生深入理解相位裕度和幅值裕度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，使其明白如何用相位裕度和幅值裕度定量表述系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。

其次，本課程的教學(xué)目標(biāo)之一就是提升學(xué)生的工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力。這一教學(xué)目標(biāo)與加涅提出的“認(rèn)知策略”和新工科項(xiàng)目所期望的教育理念十分貼近。教學(xué)理論界常講“授人以魚(yú)不如授人以漁”。幫助學(xué)生掌握學(xué)習(xí)方法是教師教學(xué)永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)。實(shí)際而言，學(xué)生在日常點(diǎn)滴學(xué)習(xí)過(guò)程中逐漸掌握了適合自己的學(xué)習(xí)方法，就為最終形成學(xué)習(xí)能力奠定了基礎(chǔ)。本課程內(nèi)容及知識(shí)點(diǎn)繁多，必須要求學(xué)生能夠根據(jù)所學(xué)知識(shí)構(gòu)建自己的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。只有學(xué)生能夠構(gòu)建自己的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，才能真正理解機(jī)械工程控制理論的本質(zhì)和意義。因此，在課堂教學(xué)過(guò)程中，教師幫助學(xué)生總結(jié)歸納知識(shí)框圖，形成主干樹(shù)結(jié)構(gòu)，梳理主要知識(shí)脈絡(luò);而學(xué)生則進(jìn)一步補(bǔ)充教師在課堂上梳理出來(lái)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，細(xì)化知識(shí)結(jié)構(gòu)和知識(shí)脈絡(luò)，強(qiáng)化其學(xué)習(xí)效果，進(jìn)一步提高學(xué)生的認(rèn)知策略，使其掌握適合自己的學(xué)習(xí)方法。

再次，本課程十分注重學(xué)生對(duì)于“怎么做”的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐。在課堂教學(xué)中，教師和學(xué)生已通過(guò)傳統(tǒng)講授方法、課堂總結(jié)歸納、課后練習(xí)等教學(xué)方法了解較多理論知識(shí)，但更重要的是讓學(xué)生了解理論如何與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)從概念到方法，從定義到公式，從理論到應(yīng)用的突破。為了獲得更好的教學(xué)效果，本課程組成員圍繞提升學(xué)生智慧技能與動(dòng)作技能開(kāi)展了一系列探索。加涅指出，動(dòng)作技能操作的流暢程度與時(shí)間的精確程度，可以反映行為表現(xiàn)的內(nèi)部組織程度。因此，教師引導(dǎo)學(xué)生利用MATLAB軟件針對(duì)控制系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型、時(shí)域分析、頻域分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)校正等內(nèi)容展開(kāi)實(shí)踐訓(xùn)練，通過(guò)MATLAB編程計(jì)算分析不同參數(shù)下系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)、頻率特性、系統(tǒng)穩(wěn)定性。并以“數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)”為例，在不同的系統(tǒng)參數(shù)下，分析計(jì)算系統(tǒng)的時(shí)域、頻域性能，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。通過(guò)上述分析，學(xué)生能夠全面了解控制理論在工程實(shí)踐中的運(yùn)用方法，真正學(xué)會(huì)利用控制理論的固有辨證方法解決機(jī)械制造領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題。

最后，關(guān)于加涅提出的“態(tài)度”仍然是一個(gè)不可忽視的要素。加涅認(rèn)為，態(tài)度是習(xí)得的、影響個(gè)體對(duì)特定對(duì)象作出行為選擇的、有組織的內(nèi)部心理狀態(tài)。與智慧技能、動(dòng)作技能相比，態(tài)度與個(gè)體行為的關(guān)系不那么直接，態(tài)度并不決定特定的行為，它以行為的傾向或準(zhǔn)備狀態(tài)對(duì)行為產(chǎn)生間接影響。因此，我們?cè)诮虒W(xué)中始終明確并恪守這樣的教學(xué)原理。通過(guò)不斷變換教學(xué)方法和教學(xué)手段，吸引學(xué)生的注意力，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)起學(xué)習(xí)積極性顯得尤為關(guān)鍵。本課程課堂形式多樣，通過(guò)不斷轉(zhuǎn)換課堂上教師與學(xué)生的主體地位，牢牢抓住學(xué)生的興趣點(diǎn)，取得較好的課堂教學(xué)效果。

通過(guò)本輪次教學(xué)探索與實(shí)踐，本門(mén)課程的教學(xué)效果顯著提升。通過(guò)對(duì)比機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)機(jī)制2014級(jí)1-2班（57人）成績(jī)和機(jī)制2015級(jí)1-2班（54人）成績(jī)（如圖2所示）可知，學(xué)生期末成績(jī)優(yōu)良率從12.31%提升至29.63%，優(yōu)良率提升2.4倍。從學(xué)生成績(jī)分布圖可知，機(jī)制2014級(jí)1-2班學(xué)生成績(jī)?cè)?0-100、80-90、70-80、60-70、0-60分?jǐn)?shù)段占比分別為0.00%、12.31%、17.49%、45.69%、24.51%;機(jī)制2015級(jí)1-2班學(xué)生成績(jī)?cè)?0-100、80-90、70-80、60-70、0-60分?jǐn)?shù)段占比分別為9.26%、20.37%、22.22%、25.93%、22.22%;綜合比較，機(jī)制2015級(jí)1-2班學(xué)生成績(jī)高分人數(shù)占比明顯提高，平均成績(jī)明顯提升。但同時(shí)，不及格人數(shù)占比并未明顯提升，這表明班級(jí)內(nèi)部?jī)蓸O分化現(xiàn)象明顯，低分段學(xué)生仍未掌握本門(mén)課程的重要知識(shí)點(diǎn)，在下輪次教學(xué)過(guò)程中還需進(jìn)一步夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握效果，進(jìn)一步提高學(xué)生成績(jī)的優(yōu)秀率和及格率。

三、啟示

通過(guò)本輪次教學(xué)探索和教學(xué)實(shí)踐，經(jīng)分析學(xué)生成績(jī)分布情況可知，采用“傳統(tǒng)授課方式+課堂總結(jié)歸納+課上課后練習(xí)+上機(jī)實(shí)踐操作”的聯(lián)合教學(xué)法可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)知能力，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。總結(jié)本次教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，可得到如下啟示：

第一，傳統(tǒng)授課方式應(yīng)注重剖析知識(shí)重難點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法。在課堂教學(xué)時(shí)，對(duì)于學(xué)生難以理解和掌握的重難點(diǎn)知識(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行深入全面的講解，學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分知識(shí)感到無(wú)助時(shí)，亟需教師輔助學(xué)習(xí)，提供學(xué)習(xí)支助和支撐，消除學(xué)生的畏難情緒，建立學(xué)習(xí)信心，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。在學(xué)習(xí)重難點(diǎn)知識(shí)時(shí)，重點(diǎn)灌輸相應(yīng)的學(xué)習(xí)方法，真正做到“授學(xué)生以漁”，讓學(xué)生自己建立適合自己的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

第二，課堂總結(jié)歸納應(yīng)注重知識(shí)脈絡(luò)之間的連貫性和邏輯性。課程涉及的知識(shí)點(diǎn)繁雜，很容易造成主線不清晰的學(xué)習(xí)困惑，此時(shí)需要教師的專業(yè)指導(dǎo)才能捋出知識(shí)脈絡(luò)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到知識(shí)點(diǎn)的主次關(guān)系、邏輯關(guān)系。一旦學(xué)生了解知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯順序，就能“順藤摸瓜”，構(gòu)建自己的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。在解決實(shí)際工程問(wèn)題的時(shí)候，能夠調(diào)動(dòng)頭腦中的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，按圖索驥，快速精準(zhǔn)鎖定解決方法。

第三，課上課后練習(xí)應(yīng)注重訓(xùn)練學(xué)生的解題思路和策略。本課程中涉及到大量的計(jì)算分析題，例如求某一系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、方框圖繪制及簡(jiǎn)化、時(shí)域響應(yīng)、幅頻特性、相頻特性、實(shí)頻特性、虛頻特性、繪制Nyquist圖和Bode圖等，在求解上述問(wèn)題的時(shí)候，若沒(méi)有清晰的解題思路則難以突破。因此，在課上練習(xí)時(shí)，教師注重結(jié)合練習(xí)題教授解題思路，而在課后練習(xí)時(shí)，學(xué)生則需進(jìn)一步強(qiáng)化解題思路，獲取正確的解題策略，提高解題效率。

第四，上機(jī)實(shí)踐操作應(yīng)注重正確表達(dá)控制理論的編程語(yǔ)言。在控制系統(tǒng)的實(shí)際工程問(wèn)題中，往往需要運(yùn)用較多理論來(lái)解決某一問(wèn)題，此時(shí)必須借助MATLAB軟件進(jìn)行分析運(yùn)算求解。因此，學(xué)生必須掌握如何將控制系統(tǒng)中的公式、定義、理論準(zhǔn)確轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的編程指令，否則難以完成分析運(yùn)算。

四、結(jié)束語(yǔ)

基于“新工科”項(xiàng)目建設(shè)，本課程組針對(duì)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的主要內(nèi)容和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分類教學(xué)，采用“傳統(tǒng)授課方式+課堂總結(jié)歸納+課上課后練習(xí)+上機(jī)實(shí)踐操作”的聯(lián)合教學(xué)法，注重剖析重難點(diǎn)內(nèi)容，關(guān)注知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性和邏輯性，幫助學(xué)生創(chuàng)建有效的學(xué)習(xí)方法，正確的解題思路和解題策略，以及準(zhǔn)確的控制理論編程語(yǔ)言的編譯方法，可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)知能力，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)其分析和解決復(fù)雜機(jī)械工程控制領(lǐng)域的工程問(wèn)題的能力。

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