魏樹國(guó)，張少伍，周 超

(銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244061)

隨著工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)變革的發(fā)展，社會(huì)需要更多實(shí)踐能力強(qiáng)的高校畢業(yè)生，為了支撐產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)進(jìn)而提出了新工科建設(shè)。根據(jù)新工科的要求，培養(yǎng)的人才不僅具備豐富知識(shí)，還要具備實(shí)踐動(dòng)手能力及創(chuàng)新創(chuàng)造能力；不僅能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，還能夠根據(jù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和工作經(jīng)驗(yàn)的積累，預(yù)見新問(wèn)題的出現(xiàn)，找出解決問(wèn)題的方法。因此，新工科背景下的人才培養(yǎng)需要構(gòu)建以工程創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為核心的培養(yǎng)模式，結(jié)合新型經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)和專業(yè)特色展開工作[1]。

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)是在自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的控制理論，是控制理論和機(jī)械工程技術(shù)理論相結(jié)合的一門交叉學(xué)科，是機(jī)械電子工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課[2]。這門課起到基礎(chǔ)課和專業(yè)課的“橋梁”作用，為后續(xù)的工程測(cè)試技術(shù)、液壓伺服與比例控制等專業(yè)課提供理論分析的基礎(chǔ)。專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)效果，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力起著重要作用。本文提出的教學(xué)改革方案是以銅陵學(xué)院專業(yè)評(píng)估為背景，著力解決專業(yè)評(píng)估中發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題，理順機(jī)械控制工程基礎(chǔ)理論教學(xué)內(nèi)容，形成機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革方案。提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，使本院畢業(yè)生滿足新工科時(shí)代的需求。

1 教學(xué)改革內(nèi)容

這門課程原來(lái)的教學(xué)模式是理論教學(xué)，教學(xué)形式是以課堂授課為主，要求學(xué)生具有很好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；同時(shí)需要強(qiáng)調(diào)已學(xué)過(guò)的大學(xué)物理、力學(xué)、電工學(xué)以及機(jī)械工程的相關(guān)知識(shí)。機(jī)械工程控制中的大部分概念和理論都是比較抽象的，在教學(xué)過(guò)程中如果不將理論知識(shí)和現(xiàn)實(shí)聯(lián)系起來(lái)講授，則學(xué)生對(duì)這門課程普遍感覺理論性比較強(qiáng)和現(xiàn)實(shí)相脫節(jié)，且難以接受和理解。根據(jù)新工科提出的要求，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中積累相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，改變教學(xué)方法，將無(wú)形的理論通過(guò)現(xiàn)代教學(xué)方法進(jìn)行有形化，多采用案例教學(xué)，在保證“掌握主要知識(shí)點(diǎn)、項(xiàng)目與現(xiàn)代教學(xué)方法相結(jié)合教學(xué)、鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力”的原則下，應(yīng)合理安排教學(xué)內(nèi)容，不斷調(diào)整教學(xué)方法，在有限的課時(shí)內(nèi)，保證在基本概念和基本方法講解完成的條件下，更要進(jìn)行分析方法的應(yīng)用講授，著力培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生參加各類比賽的實(shí)踐操作能力，為此在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)在以下5個(gè)方面作出改變。

1.1 根據(jù)課時(shí)情況，合理安排教學(xué)內(nèi)容

控制工程基礎(chǔ)課程各章節(jié)理論性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)要求較高。該課程需要掌握的知識(shí)點(diǎn)多，本課程的主要內(nèi)容分為3部分，首先是數(shù)學(xué)模型(拉普拉斯變換、傳遞函數(shù))，然后是系統(tǒng)分析方法(時(shí)域分析、頻域分析、穩(wěn)定性分析)，最后一部分是3種系統(tǒng)分析方法的應(yīng)用(系統(tǒng)的綜合與校正)。

首先進(jìn)行數(shù)學(xué)模型講解，這部分是后面兩部分的基礎(chǔ)。時(shí)域分析、頻率特性和穩(wěn)定性分析是本課程的主要內(nèi)容，是教學(xué)的重點(diǎn)。時(shí)域分析是基礎(chǔ)，頻率特性和穩(wěn)定性分析是本課程的難點(diǎn)，該部分內(nèi)容理論性、邏輯性強(qiáng)，難以理解，但這部分內(nèi)容是這門課的關(guān)鍵章節(jié)，是解決工程實(shí)際問(wèn)題的基本工具。這就需要對(duì)課程的分析方法熟練掌握，并輔以好的教學(xué)策略，從而保證教學(xué)質(zhì)量。系統(tǒng)校正是利用3種分析方法設(shè)計(jì)控制器及校正裝置，使系統(tǒng)的快速響應(yīng)性、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性滿足控制系統(tǒng)要求。在課時(shí)分配上，首先保證第一部分及第二部分基本內(nèi)容的講授，在授課過(guò)程中確?；靖拍罴跋嚓P(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握；然后根據(jù)所學(xué)的基本控制理論知識(shí)解決系統(tǒng)的基本問(wèn)題，幫助學(xué)生掌握控制理論的基本知識(shí)，建立課程各章節(jié)的聯(lián)系與知識(shí)體系。

1.2 充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，增加可視性調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

機(jī)械控制工程基礎(chǔ)傳統(tǒng)講授方式是教師采用板書和多媒體課件相結(jié)合的形式講述課程內(nèi)容，關(guān)鍵公式用板書推導(dǎo)，圖形用多媒體課件演示，對(duì)那些比較抽象的內(nèi)容和復(fù)雜的圖形學(xué)生很難理解，對(duì)于課程中出現(xiàn)的Bode圖和Nyquist圖，缺乏可視化的直觀展示[3]，在系統(tǒng)校正講授時(shí)，系統(tǒng)分析方法和系統(tǒng)響應(yīng)圖形都很抽象，學(xué)生很難理解；系統(tǒng)分析方法在工程實(shí)際中的應(yīng)用也是學(xué)生難點(diǎn)之一，缺乏解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，更是缺少了創(chuàng)新性的培養(yǎng)。

LabVIEW具有界面設(shè)計(jì)友好、編程功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，能有效彌補(bǔ)課堂授課時(shí)系統(tǒng)分析直觀性不足的缺點(diǎn)。因此充分利用了LabVEW測(cè)量界面的便捷性和MATLAB/Simulink建模的靈活性，將LabVIEW及MATLAB/Simulink應(yīng)用到控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)過(guò)程中，在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中，通過(guò)軟件應(yīng)用可以驗(yàn)證學(xué)生所做題目的正確性；同時(shí)學(xué)生也體會(huì)到兩個(gè)軟件的優(yōu)越性，為其今后的專業(yè)學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。在系統(tǒng)分析方法講授中，二階系統(tǒng)的時(shí)域分析是基礎(chǔ)的分析方法，二階系統(tǒng)中的2個(gè)參數(shù)(阻尼比、振蕩頻率)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能影響，沒有圖形學(xué)生較難理解和掌握。通過(guò)課下建立系統(tǒng)時(shí)域分析軟件，當(dāng)給定系統(tǒng)參數(shù)后，軟件界面就可以顯示系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，改變阻尼比和振蕩頻率的大小，可以直觀看到系統(tǒng)兩個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響，利用軟件直觀性的優(yōu)點(diǎn)，將理論分析和實(shí)例講授相結(jié)合，有助于學(xué)生對(duì)枯燥理論知識(shí)的理解，也加深學(xué)生對(duì)這些概念的記憶。

1.3 增加項(xiàng)目教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)及能力的培養(yǎng)不僅指要?jiǎng)?chuàng)造出新的事物和物體，更要求學(xué)生具有根據(jù)所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力[5]。為了提高學(xué)生創(chuàng)新能力需要改進(jìn)教學(xué)模式，其中最好的方法就是采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生不斷深入學(xué)習(xí)，或是采用項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式，在任務(wù)中提高動(dòng)手能力，將所學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目之中，使理論研究與操作實(shí)踐連接得更加緊密[6]。

項(xiàng)目教學(xué)是以工程實(shí)例講授為輔助的教學(xué)法，有助于學(xué)生加深課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，提高學(xué)生用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。項(xiàng)目教學(xué)案例選題要貼近工程實(shí)例，恰當(dāng)合理?？刂乒こ袒A(chǔ)是理論性強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，專業(yè)性比較強(qiáng)，理解比較困難。在卓越班教學(xué)中，第一部分以系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型液壓系統(tǒng)的閥控缸系統(tǒng)建模為例進(jìn)行講授，閥控缸系統(tǒng)是液壓伺服比例控制系統(tǒng)中最常見的系統(tǒng)，而且怎樣提高閥控缸系統(tǒng)的響應(yīng)性也是液壓系統(tǒng)的實(shí)際問(wèn)題。在數(shù)學(xué)模型建立講授過(guò)程中，首先給學(xué)生提前布置任務(wù)(復(fù)習(xí)液壓傳動(dòng)課程中液壓流量方程、壓力方程、動(dòng)量方程)，課堂上根據(jù)液壓相關(guān)知識(shí)及大學(xué)物理知識(shí)進(jìn)行閥控缸數(shù)學(xué)模型建立；然后根據(jù)建立微分方程的過(guò)程，進(jìn)行系統(tǒng)方框圖的繪制；最后進(jìn)行傳遞函數(shù)的建立。第二部分系統(tǒng)分析方法教學(xué)中，根據(jù)前面建立的閥控缸系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行時(shí)域分析和系統(tǒng)參數(shù)對(duì)閥控缸系統(tǒng)快速響應(yīng)性的分析，通過(guò)MATLAB計(jì)算進(jìn)行系統(tǒng)的頻率分析。第三部分系統(tǒng)校正教學(xué)中，在前面時(shí)域和頻率分析的基礎(chǔ)上，改變系統(tǒng)參數(shù)和增加環(huán)節(jié)使系統(tǒng)的響應(yīng)速度提高。這個(gè)項(xiàng)目教學(xué)使學(xué)生加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，提高了運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1.4 教學(xué)課時(shí)有限，充分利用線上資源

由于課程學(xué)時(shí)有限，僅利用課堂時(shí)間內(nèi)將每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都進(jìn)行拓展較為困難。因此利用好課外時(shí)間進(jìn)行課時(shí)的補(bǔ)充是必然的選擇。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，線上教育可以彌補(bǔ)線下教學(xué)課時(shí)不足的問(wèn)題，而且在全民“戰(zhàn)疫”背景下，充分利用線上教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行線上線下教學(xué)融合已成為當(dāng)前主流的一種教學(xué)模式之一。

利用學(xué)習(xí)通平臺(tái)構(gòu)建機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)分為線上自主學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)視頻課堂、教學(xué)資料(電子圖書、電子課件、電子教案等)和線上答疑4部分，逐步形成了線上與線下教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式。同時(shí)，我們將項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容提前放到線上，發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，使學(xué)生提前知道每堂課的教學(xué)內(nèi)容，便于學(xué)生預(yù)習(xí)課堂上所需要的知識(shí)，有助于學(xué)生理解課堂所講內(nèi)容。設(shè)置討論主題，學(xué)生參與討論，通過(guò)參與討論的過(guò)程，學(xué)生加深了對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。線上教學(xué)答疑方便學(xué)生的難題及時(shí)解決，在給同學(xué)答疑時(shí)，及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，根據(jù)學(xué)生反饋情況，教師可以實(shí)時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，促使教師教學(xué)方法的改進(jìn)。

1.5 “以賽促學(xué)、以賽促教”激發(fā)學(xué)生興趣，鍛煉工程經(jīng)驗(yàn)

新工科時(shí)代要求學(xué)生不僅有深厚的理論知識(shí)，還應(yīng)該強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐能力，增加實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生工程經(jīng)驗(yàn)。從課程建設(shè)的角度出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生的工程經(jīng)驗(yàn)可以從兩方面著手：一方面通過(guò)課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證仿真和分析的正確性，感性和理性地認(rèn)識(shí)控制系統(tǒng)的各個(gè)方面，另一方面以賽促教，鼓勵(lì)學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)新大賽以及機(jī)械綜合類等全國(guó)性比賽[3]。

“以賽促學(xué)、以賽促教”教學(xué)模式，主要是通過(guò)大賽鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力及創(chuàng)新意識(shí)，將課堂上所學(xué)的理論知識(shí)和技術(shù)內(nèi)容應(yīng)用到比賽作品創(chuàng)造之中，通過(guò)比賽檢驗(yàn)學(xué)生所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中的能力，在教學(xué)中要求教師的教學(xué)方法和學(xué)生的學(xué)習(xí)方法與常規(guī)的截然不同。在比賽中綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，提高學(xué)生的工程能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和工程思維的建立，激發(fā)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)興趣。

大賽對(duì)學(xué)生應(yīng)用能力要求較高，因此需要優(yōu)化教學(xué)方法，促進(jìn)從傳統(tǒng)的“教得好”向“學(xué)得好”教學(xué)方式轉(zhuǎn)變。在教學(xué)中將以往大賽中應(yīng)用的知識(shí)作為案例進(jìn)行講解，這樣既豐富了教學(xué)內(nèi)容又激發(fā)同學(xué)學(xué)習(xí)熱情，教師在指導(dǎo)大賽中也鍛煉了解決實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)也會(huì)反哺正常班級(jí)課堂教學(xué)質(zhì)量的提高。

以學(xué)生備戰(zhàn)每年的《“西門子”杯智能制造挑戰(zhàn)賽大賽》大賽自由探索分項(xiàng)為例，通過(guò)分析比賽項(xiàng)目?jī)?nèi)容知道，指導(dǎo)教師不僅需要具備機(jī)械控制基礎(chǔ)、單片機(jī)、氣動(dòng)控制、PLC編程與調(diào)試、觸摸屏組態(tài)、專業(yè)素養(yǎng)等多方面知識(shí)和技能，還需有創(chuàng)新意識(shí)，創(chuàng)新意識(shí)不僅是對(duì)學(xué)生的要求，指導(dǎo)教師也需要具有一定的創(chuàng)新意識(shí)。在指導(dǎo)學(xué)生的比賽中，教師根據(jù)比賽內(nèi)容，參照教學(xué)中有針對(duì)性強(qiáng)的課程教學(xué)大綱，制定出符合學(xué)生快速提升技能的教學(xué)方案。

2 實(shí)際教學(xué)效果

2.1 課程考核評(píng)價(jià)指標(biāo)

鑒于新工科對(duì)人才培養(yǎng)提出了更高的要求，筆者針對(duì)機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程進(jìn)行了教學(xué)改革，為了更好地評(píng)價(jià)教學(xué)效果，需要進(jìn)行課程考核評(píng)價(jià)指標(biāo)的修訂。評(píng)價(jià)指標(biāo)既包含了課堂考勤、課堂互動(dòng)、項(xiàng)目分組討論等過(guò)程性評(píng)價(jià)考核指標(biāo)，又包括單元測(cè)試、平時(shí)測(cè)驗(yàn)、期末考試、課后作業(yè)分值考核評(píng)價(jià)，建立了客觀反映學(xué)生學(xué)習(xí)情況的一種多維度的考核評(píng)價(jià)體系[7]。

2.2 期末考試試卷分析

按照改革方案的要求，首先對(duì)教學(xué)大綱及教學(xué)學(xué)時(shí)分配進(jìn)行了修改。為了更好的評(píng)價(jià)教學(xué)改革成果，課題組根據(jù)學(xué)校的相關(guān)要求設(shè)計(jì)了教學(xué)計(jì)劃相匹配的期末考試細(xì)目表(表1)，學(xué)時(shí)分布、考分分布及期末考試題型見表1，試題難度適中。以2020-2021第二學(xué)期2018級(jí)機(jī)電專業(yè)學(xué)生的期末考試成績(jī)?yōu)槔?，成?jī)統(tǒng)計(jì)如圖1所示，從結(jié)果來(lái)看，學(xué)生期末考試情況良好，≥90分的占12.5%，80～89分的占38.9%，70～79分的占31.94.5%，60～69分的占16.67%。

表1 機(jī)械控制工程試卷明細(xì)

考試成績(jī)統(tǒng)計(jì)成績(jī)分布最高分96最低分62平均分82.1成績(jī)<6060～6970～7980～89≥90人數(shù)01223289百分比0.00%16.67%31.94%38.89%12.50%

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著新工科建設(shè)的出現(xiàn)，高校畢業(yè)生的實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)顯得更加重要。機(jī)械控制工程基礎(chǔ)作為機(jī)械電子工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，原來(lái)的教學(xué)主要是傳統(tǒng)的理論教學(xué)，給學(xué)生感覺這門課抽象難以理解，為了培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，進(jìn)行該課程的教學(xué)改革。本課程改革主要包括理順教學(xué)內(nèi)容、采用現(xiàn)代教學(xué)方式進(jìn)行形象化教學(xué)、豐富網(wǎng)絡(luò)資源便于學(xué)生課前練習(xí)和課后復(fù)習(xí)、將課堂上所學(xué)的理論知識(shí)和技術(shù)內(nèi)容應(yīng)用到比賽作品創(chuàng)造之中等，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。