《機械工程控制基礎(chǔ)》課程教學(xué)實踐與反思

夏博　胡雪　曾海峰　葛云　魏敏　張立新

摘? 要：《機械工程控制基礎(chǔ)》課程是機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。目前，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到諸多問題，包括課程內(nèi)容多難度大、學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱、學(xué)生知識遷移能力弱。為解決上述問題，本課程組成員開展基于羅杰斯人本主義理論的教學(xué)實踐，并最終獲得較好的教學(xué)效果。通過分析本教學(xué)實踐前后班級的成績可知，實施基于羅杰斯人本主義理論的教學(xué)實踐后，學(xué)生成績顯示優(yōu)秀率提高11.11%，及格率提高10.31%，課堂教學(xué)效果顯著提升。

關(guān)鍵詞：控制原理;機械工程;人本主義;教學(xué)實踐;教學(xué)反思

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）16-0024-04

Abstract： The control principle of mechanical engineering is one of the basic professional courses for the major of mechanical Engineering. The students encounter many problems in the learning， such as the content difficulty and a great deal of theory formula deduction. In order to solve the above problems， the course group carriesout teaching practice based on Rogers' humanism theory. A better teaching result is finally achieved. Through the analysis of the results of the class before and after the teaching practice， we can see that the teaching effect has been greatly improved. The excellent rate has increased by 11.11% and the passing rate has increased by 10.31%.

Keywords： control principle; mechanical engineering; humanistic theory; teaching practice; teaching reflection

一、問題與現(xiàn)狀

機械工程控制基礎(chǔ)是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，也是本專業(yè)核心課程之一。該課程以控制論為理論基礎(chǔ)，研究機械工程中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題。本課程的主要任務(wù)是通過“課堂教學(xué)+小組研討+歸納總結(jié)+上機實踐”聯(lián)合教學(xué)方式，使學(xué)生掌握控制理論思維方法，掌握機電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、時頻域性能分析和系統(tǒng)穩(wěn)定性與矯正等基本知識和基本技能;具有對復(fù)雜機械系統(tǒng)的控制問題進行分析、求解和論證的能力。由于該課程涉及較多的控制理論模型和數(shù)學(xué)邏輯推導(dǎo)，最終導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)困難，學(xué)習(xí)效果不理想。該課程教學(xué)過程中，存在以下問題：（1）課程基本概念較多，且在理解概念時必須具備高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、電工學(xué)、理論力學(xué)等基礎(chǔ)知識，課程邏輯某環(huán)節(jié)跟不上，導(dǎo)致后續(xù)內(nèi)容學(xué)習(xí)效果很差;（2）學(xué)生即便掌握了機械工程控制理論知識，但針對具體工程問題時，因缺乏知識遷移能力，仍缺乏復(fù)雜機械系統(tǒng)控制問題的分析、求解和論證能力。

針對上述教學(xué)過程中存在的問題，本課程組老師采用靈活多樣的教學(xué)方法，利用小組討論等教學(xué)手段，增加學(xué)生的課堂參與度;利用總結(jié)歸納等教學(xué)方式，幫助學(xué)生形成知識結(jié)構(gòu)和脈絡(luò);利用上機實踐等教學(xué)方法，促進學(xué)生理解復(fù)雜工程問題中的結(jié)果、參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響?；诹_杰斯人本主義理論思想，以學(xué)生為中心，將學(xué)生置于課程主體地位，最終實現(xiàn)了“寓教于樂”的新型教學(xué)理念，降低學(xué)生對本課程的抵觸心理，提升學(xué)習(xí)效果。

二、羅杰斯人本主義理論內(nèi)涵

人本主義者認(rèn)為：“行為和學(xué)習(xí)是知覺的產(chǎn)物。一個人大多數(shù)的行為都是他對自己看法的結(jié)果。從某種意義上說，學(xué)習(xí)即成為，成為一個完善的人是唯一真正的學(xué)習(xí)[2]。”羅杰斯的人本主義理論關(guān)注學(xué)習(xí)內(nèi)容與個人的關(guān)系[3，4]。在他看來，意義學(xué)習(xí)是人本主義的、以學(xué)習(xí)者為中心的、以過程為定向的學(xué)習(xí)方式的重要核心。羅杰斯人本主義理論內(nèi)涵包括以下幾點：（1）人類生來就有學(xué)習(xí)的潛能。學(xué)習(xí)者總是懷著一種心理矛盾渴望發(fā)展和學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者的好奇心在學(xué)習(xí)過程中因獲得了學(xué)習(xí)經(jīng)驗而變得遲鈍。（2）當(dāng)學(xué)習(xí)者察覺到學(xué)習(xí)內(nèi)容與他自己的目的有關(guān)時，便產(chǎn)生意義學(xué)習(xí)[5]。在這種情況下，學(xué)習(xí)者會將內(nèi)心深處對知識、經(jīng)驗、技能的愿望和學(xué)習(xí)潛能被全部釋放出來。（3）通過傳授者為學(xué)習(xí)者設(shè)計某些場景，讓學(xué)習(xí)者直接體驗實際問題，經(jīng)過切身體會和強化訓(xùn)練，才能獲得真正的意義學(xué)習(xí)。（4）當(dāng)學(xué)生負(fù)責(zé)任地參與學(xué)習(xí)過程時，學(xué)生自己能夠選擇學(xué)習(xí)方向、尋找學(xué)習(xí)資源、闡述學(xué)習(xí)問題、決定行動路線、承擔(dān)選擇后果，才能夠增強意義學(xué)習(xí)效果。本課程組成員基于上述羅杰斯人本主義理論內(nèi)涵與實質(zhì)，開展教學(xué)實踐活動，最終確立了“學(xué)生為主體，教師為輔助”課堂教學(xué)模式，為學(xué)生設(shè)置合理的學(xué)習(xí)情景，引入工程案例，讓學(xué)生直接面對工程問題，激發(fā)學(xué)生的責(zé)任感和自信心，強化意義學(xué)習(xí)效果。

三、基于羅杰斯人本主義理論的課程教學(xué)實踐與反思

（一）教學(xué)實踐與案例分析

本課程組成員對《機械工程控制基礎(chǔ)》課程中存在的問題和現(xiàn)狀進行了分析，學(xué)生學(xué)習(xí)時遇到了較多困難，課堂教學(xué)效果不理想。接下來，以本校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)為例，進一步針對基于羅杰斯人本主義理論的機械工程控制基礎(chǔ)課程的教學(xué)實踐進行深入闡述。該課程共計40學(xué)時，2.5學(xué)分;采用楊叔子、楊克沖主編教材作為課程主要參考教材。筆者選取本校機制2014級1班和2015級1班為例，兩班學(xué)生在當(dāng)年的招生規(guī)模和錄取分?jǐn)?shù)方面保持統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。兩班學(xué)生基礎(chǔ)能力基本相當(dāng)，使用相同版本人才培養(yǎng)方案，均已先修相關(guān)前序課程。因此，兩班學(xué)生在本門課程的學(xué)習(xí)中不存在專業(yè)障礙，難度相同?；谏鲜銮闆r，筆者開展基于羅杰斯人本理論的機械工程控制基礎(chǔ)教學(xué)實踐。案例如下：

案例一：第一章第三節(jié)“反饋”，要求學(xué)生能夠正確構(gòu)建系統(tǒng)的控制框圖。

1. 學(xué)習(xí)情景：首先，以發(fā)動機離心調(diào)速系統(tǒng)為例，如圖1所示，為學(xué)生設(shè)立如下思考問題：

（1）被控對象是什么？

（2）被控量是什么？

（3）通過什么元件實現(xiàn)了目標(biāo)值的設(shè)定？

（4）控制信息如何傳遞和反饋？

2. 小組討論：通過設(shè)置具體的學(xué)習(xí)情境，調(diào)動學(xué)生的積極性，讓學(xué)生直接參與學(xué)習(xí)過程，建立意義學(xué)習(xí)過程。通過小組討論，學(xué)生渴望通過自己的努力回答上述四個問題。經(jīng)過討論，最終得知被控對象是發(fā)動機，被控量是轉(zhuǎn)速，通過預(yù)緊彈簧元件實現(xiàn)了目標(biāo)值的設(shè)定。

3. 強化練習(xí)：激勵學(xué)生繪制控制信息傳遞的系統(tǒng)框圖，如圖2所示，促進學(xué)生思考發(fā)動機離心調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和工作原理。

4. 案例小結(jié)：以此為例，根據(jù)機械控制系統(tǒng)的工作過程和工作原理，引導(dǎo)學(xué)生思考工程中的機械控制系統(tǒng)的基本組成、特點、基本物理量、被控量、給定量、控制量、擾動量，構(gòu)建正確的機械系統(tǒng)控制框圖。通過設(shè)置合適的案例，引導(dǎo)學(xué)生討論和思考，形成正確、統(tǒng)一的認(rèn)知。

案例二：第二章第二節(jié)“非線性方程的線性化”，要求學(xué)生掌握非線性方程的線性化方法。

1.學(xué)習(xí)情景：首先，以常見的液壓伺服機構(gòu)為例，如圖3所示，為學(xué)生設(shè)立如下思考問題：

（1）輸入值x與輸出值y之間是線性關(guān)系還是非線性關(guān)系？為什么？

（2）若輸入值x與輸出值y之間是非線性關(guān)系，請問該系統(tǒng)是否符合線性化條件？

（3）若要線性化，應(yīng)該怎么做呢？

2.小組討論：學(xué)生根據(jù)在日常生活中接觸到的液壓系統(tǒng)的工程案例，思考該系統(tǒng)的輸入值與輸出值之間的關(guān)系?？芍到y(tǒng)函數(shù)為非線性函數(shù)時，系統(tǒng)控制和分析會更加復(fù)雜，為了簡化系統(tǒng)，必須進行線性化，方便理解。

3.強化練習(xí)：通過思考確定該函數(shù)是連續(xù)非線性函數(shù)，且在預(yù)定工作點附近有小偏差運動，符合非線性函數(shù)的線性化條件。為了簡化該液壓伺服機構(gòu)的系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，進行非線性函數(shù)的線性化運算。

4. 案例小結(jié)：通過設(shè)置合適的學(xué)習(xí)情境和工程案例，確定系統(tǒng)函數(shù)是線性函數(shù)還是非線性函數(shù)。若為非線性函數(shù)，確定該非線性函數(shù)是否滿足線性化條件，并根據(jù)總結(jié)歸納的解題思路，讓學(xué)生理解并掌握非線性方程的線性化方法。本案例中，學(xué)生完成問題的思考和分析過程，同時教師輔助完成總結(jié)歸納過程，二者結(jié)合起來，幫助學(xué)生加深對此知識點的掌握程度，構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)和解題思路。

（二）教學(xué)實踐效果分析

通過對比機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)2014級1班（28人）成績和2015級1班（27人）成績（如圖5所示）可知，學(xué)生期末成績優(yōu)良率從14.28%提升至37.04%;優(yōu)良率從0.00%提升至11.11%;及格率從78.58%提升至88.89%，提升了10.31%。從學(xué)生成績分布圖可知，機制2014級1班學(xué)生成績在90-100、80-90、70-80、60-70、0-60分?jǐn)?shù)段占比分別為0.00%、14.28%、14.29%、50.00%、21.43%;機制2015級1班學(xué)生成績在90-100、80-90、70-80、60-70、0-60分?jǐn)?shù)段占比分別為11.11%、25.93%、22.22%、29.63%、11.11%;綜合比較，機制2015級1班學(xué)生成績高分人數(shù)占比和及格率明顯提高，成績明顯提升。

（三）教學(xué)反思

通過《機械工程控制基礎(chǔ)》教學(xué)實踐和分析可知，基于羅杰斯人本主義理論的教學(xué)方法對于提升本課程的教學(xué)效果至關(guān)重要。通過本次教學(xué)實踐，本課程組教師發(fā)現(xiàn)，若要提升課堂教學(xué)效果，需進一步調(diào)動學(xué)生的積極性和課堂參與度。具體措施如下：

1. 設(shè)置的工程案例必須貼近實際生活生產(chǎn)，這種學(xué)習(xí)情境有助于喚醒學(xué)生對知識的探索精神和好奇心，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能。與此同時，學(xué)生通過這一工程實例的學(xué)習(xí)和講解，會發(fā)現(xiàn)機械工程控制理論在實際生活生產(chǎn)的應(yīng)用方法，使學(xué)生明白機械工程控制理論并非枯燥無聊，而是有意義有價值的，使其對所學(xué)理論知識產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動力。

2. 根據(jù)設(shè)置的工程案例，必須增加小組討論環(huán)節(jié)，方可提高教學(xué)效果。通過小組討論，能夠激發(fā)學(xué)生對該工程問題的思考深度和思考廣度，甚至?xí)纬膳行运季S;當(dāng)其他同學(xué)提出不同觀點時，學(xué)生甚至?xí)瘩g對方觀點，提高思辨能力，培養(yǎng)其形成批判性思維，有助于學(xué)生開拓視野。

3. 引入工程案例后，教師必須根據(jù)學(xué)生討論得出的觀點進行歸納總結(jié)，并進一步凝練，形成明確的邏輯鏈條和解題思路，幫助學(xué)生理解和記憶。如此做有兩大好處：一方面明確學(xué)生在課堂中的參與和貢獻(xiàn)，另一方面肯定學(xué)生在課堂中的表現(xiàn)及其觀點的正確性，增強學(xué)生的自信心，也變相激勵學(xué)生積極參與課堂的積極性，真正達(dá)到“學(xué)生為中心，教師為輔助”學(xué)習(xí)理念。

四、結(jié)束語

隨著高等教育的不斷發(fā)展，“學(xué)生為中心，教師為輔助”的課堂教學(xué)模式愈發(fā)受到重視?；诹_杰斯人本主義理論的教學(xué)模式能夠有效提高課堂教學(xué)質(zhì)量和課堂教學(xué)效果，全面提升學(xué)生的認(rèn)知能力和思辨能力。未來《機械工程控制基礎(chǔ)》課程的講授過程中，本課程組成員將繼續(xù)以人本主義理論為指導(dǎo)，進一步總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗，推廣教學(xué)成果，以期為同行們提供更多有效的教學(xué)理論支撐和教學(xué)經(jīng)驗推廣。

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