浅论面向工程实践能力培养的《机械工程控制基础》课程教学方法探索

《机械工程控制基础》是上世纪80年代初兴起的一套控制理论，是经典控制理论在机械工程领域中的应用，现已发展成为机械工程专业的一门专业基础必修课。在这门课程的教学之初，我们注重的是理论教学，强调的是课程体系的理论性、系统性和逻辑性，教学形式是以课堂授课为主，教学内容以介绍基本概念和基本原理为主，这使学生初步领略到控制论的深奥，也领会到控制论的缜密性、逻辑性和系统性。但是，由于学生有限的数理基础和机械工程专业背景，普遍感受到课程内容抽象，而且理论性太强，导致了学生对这门课程普遍感觉学习难、作业难、实践难。我们在教学过程中不断探索，不断积累经验，逐渐体会到在《机械工程控制基础》这门课程教学过程中，应该做到将抽象的内容具体化，将无形的理论有形化，将缜密的证明过程简单化，在坚持知识点够用、典型案例恰当、实践环节有效的原则下，不断完善教学计划，及时调整教学方法，不断更新教学内容，在保证介绍基本概念、基本原理和基本方法的前提下，注重知识的应用，强化学生的工程背景知识，培养学生的实践操作能力，用控制论的思维方式分析问题、解决问题，为此在教学过程中应在以下六个方面下功夫。

一、基于学过的理论培养学生的抽象思维能力和逻辑分析能力

《机械工程控制基础》是应用数学手段，基于物理学、电工电子学、力学、机械原理等知识建立的系统数学模型，将机电液系统抽象为数学模型的形式，进行性能分析和设计计算。因此，要求本专业的学生具有良好的数学、物理、力学、电学、机械学的基础，有一定的机械工程方面的专业知识，而且具备多学科的知识积累。要想学好这门课程，学生首先要有一定的数学基础，具备复数、复变函数、拉氏正逆变换、傅氏正逆变换的基本概念和基本运算定理。如果学生之前没有学习过工程数学，这里需要有针对性地补充与本课程直接相关的知识，尽量做到教会学生怎样应用定义、定理，而不是定理的证明过程。有些涉及到物理学、电工电子学、力学的知识，学生们虽然学过相关课程，但是时间一长就印象不深刻了，因此，在每次课程结束之前把下次课程用到的有关知识点给学生一一列出，让学生课后提前复习已学过的基础知识，在下次上课时只需对要用到的基础知识作些简单的提示或回顾，在旧知识与新知识之间架起一座桥梁，新旧知识有效衔接，达到事半功倍的效果。例如在系统建模这章中，用到基尔霍夫定律等知识，在系统时域性能分析这章中用到一阶微分方程和二阶微分方程的求解等知识。这时老师要及时提醒学生，或者点到为止地重复这部分内容，这样学生在建立数学模型时就会很清楚地知道这些数学模型是建立在哪些理论基础之上，并且知道如何应用原来学过的定理或定律去分析问题、解决问题，构建一个完备的知识框架，也能够从中体会到原来各门学科之间是相互联系、相互衔接的，只有融会才能贯通，学生自然逻辑清晰，分析能力自然也就提高了。

二、将生活中的典型实例引入到课程的讲解过程中，培养学生发现问题、分析问题的能力

减少抽象模型例题，增加生活实例和机械工程典型案例，同时把机械领域的前沿课题以及研究结果作为实例引入到教材之中。例如在讲解时域性能分析这章中的二阶振荡环节的时域响应这部分内容时，涉及到振动频率、系统激励、系统响应、响应幅值的概念，将货郎担振动现象作为典型实例。货郎行走就是系统激励，货郎担的上下振动就是系统响应，振动的大小就是振动幅值。不同材质、不同尺寸、不同截面形状的货郎担振动的频率就不同，如果货郎行走的频率与货郎担的频率一致，这样就发生共振，货物按照货郎行走的频率，在随着货郎向前运动的同时，做上下振动，这样货郎挑着货物就省力，这也是人们不把货郎担做得太硬，而是有一定的弹性的原因。例如在二阶欠阻尼系统中介绍无阻尼固有频率、有阻尼固有频率和阻尼系数等概念时，列举行驶在马路上的汽车发生上下颠簸的现象。汽车底盘下都有减振弹簧和阻尼器，目的是为了降低由于路面起伏引起的车体上下振动的问题。汽车的质量是m，减振弹簧刚度为k，阻尼器阻尼系数是b，则系统固有频率n=k姨m，阻尼比=b姨mk，有阻尼固有频率d=姨1-2。如果弹簧太硬、阻尼系数太小就起不到减振的作用;如果弹簧太软、阻尼系数太小，消振就会很慢，在路面没有起伏的情况下，车体还会振动。因此，要设计、计算汽车的减振弹簧和阻尼器参数，使汽车有合理的振动频率和阻尼比，以及得到缓冲减振的效果，同时，还要避免汽车振动频率与路面起伏频率相一致的情况。因此，在课上要介绍从具体生活实例或工程实例到各个环节模型，最后到数学模型的过程，培养学生从具体实例到数学模型的建模能力。

三、将抽象的内容具体化、实践化、工程化

控制理论中大部分定义、理论和方法都是比较抽象的，在教学过程中如果仅限于理论的介绍和论述，学生不仅会感觉空洞乏味，而且有无本之木，无源之水的感觉。如果教师能够结合一些具体而又形象的例子，就会产生事半功倍的效果。例如在系统的稳定性这一章中，系统的稳定性是这样描述的：系统稳定性是指系统在初始状态，或者是输入引起的初始状态的影响下，由它所引起的系统的时间响应随时间推移，逐渐衰减并趋向于零。系统不稳定性的定义是：系统在初始状态的影响下，由它所引起的系统的时间响应随时间推移而发散。教师要花很多时间解释概念的内涵和外延，可是学生还没有直观形象的感觉。每当讲到系统稳定性和不稳定性定义的时候，我们就列举两个实例，一个是倒立摆试验台，一个是起重机的起升机构的末端部分钢丝绳、吊钩和货物组成的正摆机构。倒立摆源于火箭发射瞬间的状态，是一种不稳定的系统通过稳定控制手段，使其稳定倒立的一个典型教学实例;而起重机载荷摆动是在受到外界干扰作用下在铅垂方向附近摆动，最终在空气阻力作用下恢复到铅垂方向，这个铅垂方向就是它的平衡位置。倒立摆的平衡位置是铅垂向上的位置，如果在外界干扰作用下离开平衡位置，在无外力作用的情况下就再也无法恢复到它的平衡位置了。通过这两个工程实例形象直观地介绍了系统稳定性与不稳定性这两个抽象的概念。

四、强化学生机械工程专业背景知识

从培养学生系统的理论知识、综合应用理论的能力和提高工程素质的目标出发，依据教学大纲，对课程内容进行整合优化，注重理论与工程实践相结合、经典内容与技术发展前沿相结合，充分体现经典控制论在机械工程中的应用。从生产、科研中提炼代表性的实例，例如程序控制系统以绣花机为例，由于在绣花机里预先编写了程序，所以绣花机根据程序运行，才能绣出美丽的图案。雷达跟踪系统是随动系统代表性的工程案例。恒温室是自动调节系统，无论外界环境温度如何变化，都能保持室内温度恒定。步进电机是典型的开环控制系统，所以有可能出现失步现象，但成本低，维修方便。数控机床伺服进给系统能精确定位，这是由于有反馈环节的作用，是闭环系统的典型工程案例。将这些代表性的工程案例贯穿于整个授课过程中，强化学生机械工程专业的工程背景知识，从中悟出机器运动的本质是运动控制的结果，体会到理论源于实践，又服务于实践的真理，理论与实践相辅相成、不可分割。

五、培养学生的实践动手能力

调整实验教学计划，更新与优化现有的实验教学内容，改变实验教学从属于理论教学的现状，制订独立的实验教学计划和实验教学大纲，针对每一章节的课程内容设计实验项目，编写与教材相配套的实验指导书，减少演示型、验证型实验项目，增加综合型、设计型实验项目。学生根据实验指导书进行实验，通过实验加深理解和验证所学的理论知识。

在完成正常课程的基本实验外进一步开放实验室，为学生提供一定数量的课外实验选题，鼓励学生加入教师的科研团队，参与教师的科研活动，同时，为学生自带课题及课外科技创新活动提供技术支持，培养学生动手操作能力和应用开发能力。指导学生根据自己对知识的掌握程度，在机电液控制系统实验平台上搭建实验系统，模拟典型工程案例和科研课题，对系统的性能进行实验研究，整理实验数据，分析系统参数对系统性能的影响规律，评价系统性能，然后根据所学理论知识设计控制策略，进行系统性能校正，达到期望的性能指标，培养学生的实践设计和动手操作能力。

通过学习Matlab软件编程、Simulink软件包以及工具箱的基本理论知识和基本操作知识，从简单的典型环节着手，尝试着用计算机模拟计算每一章节的习题，然后再模拟开环系统和闭环系统的设计及其性能分析方法，熟练掌握系统数学建模、时域性能分析、频域性能分析、稳定性分析、性能校正的计算机仿真方法。同时，进一步进行机电控制系统的数学建模、创新设计、性能分析，尝试用Matlab软件编程或Simulink软件包进行复杂机电控制系统的创新设计，培养学生的计算机辅助设计能力。

六、培养学生用控制论解决工程实践问题的能力

要实现机器运动可以通过机构驱动的方式，也可以通过控制手段，还可以通过机构与控制系统相结合的方式。不同的机器具有不同的固有特性，只有在掌握了其动力学特性的基础上，才能确定驱动方案，其中必有一种方案是最佳的。学生在机械原理课程中学习了各种机构，掌握了机构的运动规律。而本课程教会学生除了应用机构驱动机器外，还可以应用控制手段实现机器更加复杂的运动，培养学生如何将经典控制论应用于机械工程实践中，根据时域性能分析和频域性能分析的知识分析系统的动态性能，根据系统性能校正的知识设计控制系统，改变系统的运动特性，达到期望的运动目标。

七、结论

在《机械工程控制基础》的教学过程中，首先要培养学生的抽象思维能力和逻辑分析能力，通过生活实例和典型工程案例巧妙地将课程的基本理论与工程实践有机地结合起来，变空洞的理论具体化、实践化、工程化，激发学生的学习兴趣，通过强化机械工程专业背景知识，加强实验教学、计算机模拟仿真、综合实验周训练等教学环节，培养学生用经典控制论的方法去解决机械工程领域的实践问题，使该课程逐渐成为广受学生欢迎的实用性较强的一门专业基础课程。