淺談機(jī)械工程控制教學(xué)

劉美英

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)是八十年代興起的一套控制理論，是經(jīng)典控制理論在機(jī)械工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。機(jī)械工程控制是自動(dòng)控制的一個(gè)分支，它以控制論為理論基礎(chǔ)，研究的是機(jī)械工程領(lǐng)域的自動(dòng)控制問題，具有很強(qiáng)的針對(duì)性，是機(jī)械專業(yè)本科生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。其包括兩個(gè)方面：①對(duì)機(jī)電系統(tǒng)中存在的問題能夠以控制論的觀點(diǎn)和思維方法進(jìn)行科學(xué)分析，以找出問題的本質(zhì)和有效的解決方法；②如何控制一個(gè)機(jī)電系統(tǒng)，使之按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到預(yù)定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)最佳控制打下基礎(chǔ)。盡管機(jī)械工程控制基礎(chǔ)在機(jī)械專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)體系里具有舉足輕重的地位，但是其實(shí)際教學(xué)效果卻不太理想，主要原因體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

首先，機(jī)械工程控制基礎(chǔ)在研究系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，需要用到一些力學(xué)、電學(xué)甚至是磁學(xué)等前導(dǎo)知識(shí)，這就要求學(xué)生具有較好的前導(dǎo)課程基礎(chǔ)，但現(xiàn)在很多學(xué)生對(duì)這些前導(dǎo)知識(shí)不甚了解，導(dǎo)致機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)吃力，久而久之就產(chǎn)生了厭學(xué)等不良情緒；其次，在系統(tǒng)的模型推導(dǎo)、變換及分析等方面，機(jī)械工程控制基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)結(jié)合非常緊密，不僅要求學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，還要求有一定的分析與綜合能力，而這也恰恰是很多學(xué)生所欠缺的?？刂普摫旧砭褪且婚T理論性很強(qiáng)的科學(xué)，機(jī)械工程控制也不例外。我們從機(jī)械工程控制的知識(shí)體系來看，其主要教學(xué)內(nèi)容有系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析、系統(tǒng)的頻率特性分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的性能指標(biāo)與校正等，這些內(nèi)容的理論性都很強(qiáng)。盡管在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型階段，可能是針對(duì)具體的機(jī)電系統(tǒng)，但是后續(xù)的時(shí)間響應(yīng)分析、頻率特性分析等都是基于理論分析，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，不清楚這些理論分析的依據(jù)和作用所在，脫離了工程實(shí)踐，只知道套公式，影響了教學(xué)效果。由以上機(jī)械工程控制的教學(xué)現(xiàn)狀，我們可以看出，目前的機(jī)械工程控制教學(xué)不能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其處于被動(dòng)接受知識(shí)而不是主動(dòng)求知，教學(xué)效果不好。因此，機(jī)械工程控制課程改革勢(shì)在必行，必須改革教學(xué)模式，才能適應(yīng)工程教育的目的，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

工程教育是為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供工程技術(shù)與企業(yè)管理人才的主要渠道。已成為高等工程教育大國(guó)的中國(guó)，正以實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃為突破點(diǎn)，加快高等工程教育改革創(chuàng)新。機(jī)械工程控制課程改革正是契合了工程教育改革的時(shí)機(jī)。在工程教育的大背景下，如何鞏固和加強(qiáng)機(jī)械工程控制技術(shù)體系，在有限的時(shí)間內(nèi)使學(xué)生在這個(gè)體系里循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)和掌握機(jī)電系統(tǒng)控制理論和方法，掌握基于Matlab的輔助分析方法以及在教學(xué)實(shí)踐過程中培養(yǎng)他們的控制論知識(shí)實(shí)際應(yīng)用能力，這是目前機(jī)械工程控制課程亟待解決的問題。擬采取的實(shí)施方法及內(nèi)容主要為以下幾方面。

一門課程的第一堂課，往往是學(xué)生最有興趣的，因?yàn)閷W(xué)生想知道這門課學(xué)的是什么，有什么用途，這將在很大程度上影響他們今后對(duì)這門課學(xué)習(xí)的態(tài)度。機(jī)械工程控制第一堂課主要是簡(jiǎn)介控制論的發(fā)展，以及系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等基本概念，應(yīng)該多舉一些控制論應(yīng)用的實(shí)例，簡(jiǎn)明扼要地讓學(xué)生接受控制論的作用，以及日常生活中一兩個(gè)控制論簡(jiǎn)單應(yīng)用的實(shí)例，讓他們參與到控制過程的設(shè)計(jì)中來，明白控制論也不是如此深?yuàn)W和復(fù)雜，而是和日常生活緊密結(jié)合在一起的。

如上所述，學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械工程控制的一大障礙是前導(dǎo)課程知識(shí)遺忘較多。所以在正式學(xué)習(xí)機(jī)械工程控制之前，建議先有針對(duì)性地復(fù)習(xí)和鞏固相關(guān)前導(dǎo)知識(shí)，主要包括：機(jī)械動(dòng)力學(xué)相關(guān)的一些直線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)等相關(guān)概念和定律，如牛頓定律、庫(kù)克定律等；電工電子學(xué)相關(guān)概念和定律，如歐姆定律、基爾荷夫定律等；電磁學(xué)相關(guān)概念和定律，如電磁感應(yīng)定律等。數(shù)學(xué)相關(guān)前導(dǎo)知識(shí)可以放到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型一章中再進(jìn)行復(fù)習(xí)和鞏固，主要包括微分方程、Laplace變換等。

機(jī)械工程控制課程密切貼合工程實(shí)踐，這就要求在講解及學(xué)習(xí)過程中，多設(shè)計(jì)及引入一些相關(guān)機(jī)電系統(tǒng)的具體實(shí)例，圍繞這些具體實(shí)例進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建、時(shí)間響應(yīng)的分析、頻率特性的分析及系統(tǒng)穩(wěn)定性等。此外，在理論教學(xué)過程中，引入基于Matlab的虛擬仿真環(huán)境，讓一些設(shè)計(jì)、分析及結(jié)果所見所得，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在機(jī)械工程控制課程教學(xué)的每個(gè)環(huán)節(jié)，都可利用Matlab，尤其是理論性特別強(qiáng)的章節(jié)，如頻率特性分析、性能校正等。

實(shí)驗(yàn)是教學(xué)效果提升的較好手段，尤其是對(duì)于機(jī)械工程控制等原理性強(qiáng)的課程，更要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。實(shí)驗(yàn)包括課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)驗(yàn)兩大類，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)包括一些Matlab演示實(shí)驗(yàn)，及相關(guān)物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，如單位脈沖響應(yīng)、頻率響應(yīng)、系統(tǒng)傳遞函數(shù)等的實(shí)驗(yàn)確定；課外實(shí)驗(yàn)主要是Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，這部分由教師提出要求，學(xué)生獨(dú)立在課外完成。

總之，機(jī)械工程控制基礎(chǔ)的教學(xué)過程中首先培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和邏輯分析能力，通過生活實(shí)例和典型工程案例巧妙地將課程的基本理論與工程實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來，變空洞的理論具體化、實(shí)踐化、工程化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過強(qiáng)化機(jī)械工程專業(yè)背景知識(shí)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、計(jì)算機(jī)模擬仿真、綜合實(shí)驗(yàn)周訓(xùn)練等教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生用經(jīng)典控制論的方法解決機(jī)械工程領(lǐng)域的實(shí)踐問題，使該課程逐漸成為廣受學(xué)生歡迎的實(shí)用性較強(qiáng)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。