1、124 Academic and Practise 学术与实践机械工程控制基础课程教学探索与实践张龙，胡月明（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025）摘要：机械工程控制基础课程缺少可实践内容，过于抽象，难学易忘。本文通过凝炼课程知识脉络，强化核心知识点、辅助学生构建课程知识体系，挑选可激励学生思考的真实案例，诱导学生运用课程理论思考问题，提升课程粘性等教学手段，对“机械工程控制基础”课程教学进行探索和尝试。关键词：机械工程控制基础；方法论；教学基金项目：2020 年度教育部新农科研究与改革实践项目“农机专业信息技术与教育教学深度融合实践”（教高厅函202020 号）；贵州省教育厅 2022
2、 年度省级“金课”（一流课程）“机械工程控制基础”线下课程项目（校教联发（2022）3 号）。作者简介：张龙，男，贵州大学机械工程学院讲师。胡月明，男，贵州大学机械工程学院副教授。一、机械工程控制基础课程教学现状与问题机械工程控制基础是以“控制论”为基础理论，与机械工程理论体系交叉渗透所形成的机械类本科专业基础课。该课程主要研究经典控制理论以及机械工程中广义系统的动力学问题。课程目标主要是使学生形成系统思维，能够根据数理知识构建系统的数学模型，运用控制原理对系统信息的传递及反馈控制的稳定性、准确性和快速性进行定性和定量分析，并推衍系统优化的具体方法和指标。该课程具有以下几方面特征：张龙，胡月明
3、：机械工程控制基础课程教学探索与实践125（一）先修课程多，对理论基础要求高该课程理论性强，学好该课程要求学生对高等数学 复变函数 物理学 理论力学 材料力学 电工学 电子学以及机械原理等先修课程有足够的掌握。（二）知识体系相对抽象，学生不易接受该课程知识点及内容偏向理论，技术层面内容相对较少，实践机会更少，教学过程中往往使学生感觉过于抽象，相对不易理解和掌握1。（三）课程体系逻辑紧密，环环相扣，学习时不易建立信心该课程体系逻辑链非常紧密，环环相扣。在学习过程中，如果某处知识点脱节，学生很难在接下来的学习中建立学习信心，容易产生畏难情绪。（四）学习容易偏离主旨，将课程内容理解为数学课程内容推衍
4、对数学工具依赖度高，学生易把课程内容理解成数学，而忽略了对课程核心的理解，偏离课程主旨。本科阶段机械工程控制基础课程的研究对象是单输入单输出的线性定常系统。分析研究其动力学问题的方法是利用数理知识中的定理公式建立数学模型，再根据控制原理及对系统的要求进行计算分析，分析过程中要使用到“根轨迹法”“拉普拉斯变换”等数学工具，往往会让学生忽视控制原理而专注于数学工具。数学工具的使用本意上是减少计算工作量及难度，帮助研究者改变视角，以增加对研究对象的了解。但数学训练不够扎实的工科学生，往往因害怕数学而难以建立掌握好“机械工程控制基础”课程的必要信心。二、对课程教学内容和方法的探索（一）树立学生学习信心
5、，提升学习兴趣1.凝练课程知识脉络，提升学生对抽象课程理论的接受程度“机械工程控制基础”的基础理论是“控制论”，是方法论。数学在该课程体系中作为分析工具，为方法论的实践和推衍服务。因此，在课程讲授中首先要求学生掌握系统构建、信息传递和反馈的逻辑，从控制原理出发理解系统要求，然后再应用数学工具建立数学模型并进行数理分析。这个过程可以避免学生因频繁使用数学工具而将“机械工程控制基础”所研究的科学126 Academic and Practise 学术与实践问题误解为数学问题，同时也可以避免学生因数理知识掌握不足而不敢继续探讨系统逻辑的问题。2.着重关注核心知识点，纲举目张，辅助构建课程知识体系机械
6、工程控制基础前修课程科目多，所涉及的知识面广，且课程学时有限，如果课程讲解过程中没能帮助学生建立起课程系统性概念，难以取得好的教学效果。（1）抓住核心知识点，牢固掌握数学模型结构，归纳理论知识规律，引导学生主动思考 机械工程控制基础研究的经典控制理论，以单位脉冲响应函数在时域中描述线性系统动态特性，以传递函数在复域中描述线性系统动态特性，以频率特性函数在频域中描述线性系统动态特性。传递函数是线性系统的重要数学模型，根据零点和极点或为 0、或为互异实根、或为多重实根、或为共轭复根等取值类型再加上拉氏变换的时位移定理，可把线性系统传递函数一般形式归纳为以下分式：这一分式所表达的传递函数标准形式包含
7、了线性定常系统的八大典型环节。在介绍完频率特性函数和对数频率特性函数之后，鼓励和引导学生对照上述传递函数分式的对称结构，梳理归纳相应典型环节幅相频率特性函数、对数幅频特性函数、相频特性函数规律。这一传递函数表达式在机械工程控制基础中贯穿始终，可以用来描述八大典型环节数学模型，也可以用来分析系统稳、准、快等动态特性，帮助分析计算稳态偏差，分析奈奎斯特图中系统相频特性函数起始相位和终止相位，对应记忆对数频率特性函数图中对数幅频特性函数图和相频特性函数图。上述线性定常系统传递函数标准式八大典型环节聚合分式，可以帮助学生形成牢固记忆，提高学习效率，降低学习难度，建立学习信心。学生从建立数学模型开始到定
8、量分析系统稳定性、准确性、快速性，乃至绘制奈奎斯特图和伯德图均可得到此分式的助力，从而建立起“机械工程控制基础”课程的整体逻辑联系。（2）以真实案例为主线，运用课程理论知识及方法进行分析推衍，帮助学生建立理论联系实际的信心，梳理课程整体脉络教学中尽量选取学生接触过的事物作为案例进行分析计算。例如在“液气压传动与控制”章节中出现的溢流阀，其阀芯的主体结构就是经典的 K-M-C 系统，在教张龙，胡月明：机械工程控制基础课程教学探索与实践127授时可以溢流阀的控制性能分析作为核心，根据课程体系及教学内容渐次推进，对溢流阀阀芯进行动力学分析，建立运动微分方程；通过试解微分方程，学习使用拉氏变换降低求解
9、微分方程的运算量及难度，帮助学生体会到拉氏变换作为数学工具在控制理论分析中的实用价值，提升学生掌握拉氏变换的兴趣和积极性；推导传递函数，以系统方框图的方式建立数学模型，分别以方块图简化和梅森公式的方式对系统方框图进行计算，帮助学生理解系统方框图也是一种可以直接进行计算的数学模型；结合溢流阀的静态特性及动态特性要求，对二阶欠阻尼系统传递函数进行时域响应分析，帮助学生建立动态特性指标体系的认知。3.引导学生使用 MATLAB/Simulink等软件进行自定义的虚拟实验，提升学生学习兴趣MATLAB/Simulink 等软件功能强大，可以帮助学生解决机械工程控制基础课程理论过于抽象的问题。例如极点不
10、同分布情况所对应系统的时域响应问题，学生可以通过软件直观地感受到极点分布对系统稳定性的影响；学生还可以用软件绘制奈奎斯特图、伯德图，来对比自己根据课程理论所制作的图形。随着学生学习兴趣的提升，可以加深对软件的使用学习，从而感受到软件强大的支持功能。而这个过程将形成正反馈效应，使学生自学能力大幅度提升。4.利用开放实验环节，增加学生动手实践机会可以选择适当难度的机械工程项目，利用开放实验教学环节，指导学生逐步完成从控制系统原理构建、具体环节构成、建模、定性定量分析、系统优化到测试分析等阶段的学习，提升学生的获得感，增加学生学习兴趣。（二）调整考核方式，减少学生考前突击的情况，增加教师对学生理论学
11、习情况的了解为了改变“重考试结果，轻学习过程”的局面，避免部分学生平时不学习，考前突击记忆，考后迅速遗忘的状况，可以提升教学过程成绩占比，将课程总成绩调整为平时成绩占 30%，实验成绩占 20%，期末成绩占 50%。平时成绩涵盖考勤、作业、提问、课堂随机测试、小论文等环节。开学之初安排机械工程控制基础理论在身边的应用小论文，学期结束提交。课堂教学时激发学生思考并引导学生将思考内容整合进小论文。目的是引导学生运用课程理论思考自己感兴趣的问题，提升课程粘性。128 Academic and Practise 学术与实践据相关调研报告显示，自 2011 年以来，农业机械化及其自动化专业本科生对口就业
12、率普遍低于 60%，毕业后从事本专业工作的学生更是普遍低于 20%。很多毕业生跨专业就业，一方面是因为就业压力大，毕业生对工作有更多期待和选择2，3；另一方面，也是由于在校学习期间，相当数量的学生对自身专业关注度不够，缺乏学习兴趣。机械工程控制基础的课程教学应首重“控制论”理论基础，本着因材施教原则，在布置小论文时，要求学生不限于以机械工程相关内容作为考察对象进行建模，并就“稳、准、快”的要求对所考察系统进行定性定量分析。目前，已有越来越多的学生开始运用机械工程控制基础的知识和逻辑对其所关注的对象进行思考。结论机械工程控制基础理论性强，学生易因缺乏思考和实践而难以掌握，引导学生针对自己感兴趣的事物建立课程系统观念，促使其使用课程理论思考，将有助于机械工程控制基础课程理论及知识体系的理解和掌握。参考文献：1 张尚才.控制工程基础(第二版)M.杭州：浙江大学出版社,2012:224-237.2 杨 叔 子,杨 克 冲,吴 波,等.机 械 工 程 控制基础(第七版)M.武汉：华中科技大学出版社,2017:131-148.3 樊康宁.高校农业机械化类专业本科毕业生就业现状调研分析 D.郑州：河南农业大学,2016.
