車輛工程專業(yè)《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》教學(xué)改革

沈長青　石娟娟　謝靖　祁玉梅　朱忠奎

摘 要：《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》是機(jī)械類專業(yè)一門重要的必修課，隨著新工科教育的提出，如何在課程學(xué)習(xí)中提升學(xué)生的實(shí)踐能力、分析問題與解決問題以及創(chuàng)新能力是該課程亟需解決的難題。本文以車輛工程專業(yè)為例，分析了該課程教學(xué)存在的問題，并結(jié)合新工程教育，根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，采用虛實(shí)結(jié)合、中心轉(zhuǎn)換的教學(xué)方法幫助學(xué)生能夠更好地掌握課程內(nèi)容并運(yùn)用于工程實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程控制基礎(chǔ) 車輛工程 虛實(shí)結(jié)合 中心轉(zhuǎn)換

Teaching Reform of “Mechanical Engineering Control Basis” for Vehicle Engineering

Shen Changqing，Shi Juanjuan，Xie Jing，Qi Yumei，Zhu Zhongkui

Abstract：“Mechanical Engineering Control Fundamentals Basis” is an important compulsory course for mechanical majors. With the introduction of new engineering education， how to improve students' practical ability， analyze problems， solve problems， and innovate in the course of study is an urgent problem to be solved. This article takes the vehicle engineering major as an example， analyzes the problems in the teaching of the course， and combines the new engineering education， optimizes the teaching content according to the characteristics of the students， and uses the teaching method of combining virtual and real and center conversion to help students better master the course content and use it in engineering practice.

Key words：mechanical Engineering Control Basis， vehicle Engineering， combination of virtual and reality， center conversion

1 課程性質(zhì)

《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》是機(jī)械類專業(yè)的一門專業(yè)必修課，理論性強(qiáng)、難度大，主要介紹自動(dòng)控制論的基本概念、基本控制原理與方法，包括如何建模，如何進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析，以及性能校正[1]。目的在于學(xué)生能夠結(jié)合具體的工程實(shí)際，針對(duì)具體的機(jī)械控制系統(tǒng)進(jìn)行定性、定量分析，以及根據(jù)具體的性能要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)校正。對(duì)于提升學(xué)生今后的工程問題分析與解決能力具有重大意義[2]。

2 課程教學(xué)存在的弊端

（1）該課程涉及大量的基礎(chǔ)課程支撐，理論性強(qiáng)，難度大，尤其對(duì)于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較薄弱的車輛工程專業(yè)的學(xué)生。例如他們沒有學(xué)過拉氏變換，因此在建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型-傳遞函數(shù)時(shí)存在困難，覺得又難又枯燥，只想被動(dòng)接受知識(shí)。而該課程的系統(tǒng)性又很強(qiáng)，基礎(chǔ)沒打好，后面的知識(shí)更難學(xué)。（2）授課過程往往出現(xiàn)重理論，輕實(shí)踐的現(xiàn)象。理論推導(dǎo)與公式計(jì)算充滿整堂課，與工程實(shí)踐的結(jié)合卻被忽視，理論與實(shí)際的工程應(yīng)用嚴(yán)重脫離，從而導(dǎo)致課程的實(shí)際意義被大量復(fù)雜繁瑣的公式所掩蓋[3]，學(xué)生完全不明確這些理論的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，更無法與自己的生活或者工作建立聯(lián)系，學(xué)習(xí)興趣大大降低。（3）課堂以教師為中心，學(xué)生活躍度很低，這也是傳統(tǒng)教學(xué)方式的弊端，主要考慮以下2方面原因：①內(nèi)容多，課時(shí)少，難度大，不可避免地導(dǎo)致課堂上教師為中心，過分強(qiáng)調(diào)教師的教，而忽略了學(xué)生的學(xué)。②由于課程本身比較抽象、難度大，從而學(xué)生的興致與積極性不高，在課堂上只想充當(dāng)配角。這種教學(xué)模式最終導(dǎo)致學(xué)生僅僅會(huì)記公式或套結(jié)論去完成考試，無實(shí)質(zhì)性收獲，更無法應(yīng)用于具體的工程實(shí)踐。

總體而言，由于課程的特殊性、學(xué)生淺薄的知識(shí)儲(chǔ)備情況，以及傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端，面對(duì)大量繁瑣的公式推導(dǎo)和計(jì)算，以及抽象的概念，教師覺得難教，學(xué)生更覺得難學(xué)，教與學(xué)的效果均不理想。

3 改革措施

根據(jù)新工程教育對(duì)學(xué)生提出的要求，如何完善課程教學(xué)體系，使得學(xué)生在有限時(shí)間內(nèi)掌握控制理論與方法，并將其運(yùn)用于具體的工程實(shí)踐[4]，提升學(xué)生的工程能力，包括分析問題、解決問題能力以及創(chuàng)新能力，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 教學(xué)內(nèi)容

（1）考慮車輛工程專業(yè)學(xué)生缺少相應(yīng)課程基礎(chǔ)，因此在介紹具體內(nèi)容之前可補(bǔ)充相關(guān)知識(shí)。例如在介紹系統(tǒng)建模前，可補(bǔ)充介紹拉普拉斯變換。（2）鑒于車輛工程專業(yè)學(xué)生非數(shù)學(xué)專業(yè)，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)比較薄弱，因此在授課過程中盡量減少大篇幅的公式推導(dǎo)，著重在于實(shí)際的理解和應(yīng)用。（3）教學(xué)過程中不可避免地會(huì)利用案例幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)。案例的選取應(yīng)充分結(jié)合學(xué)生的特點(diǎn)。（4）教師應(yīng)不斷更新教學(xué)內(nèi)容以適應(yīng)新時(shí)代和企業(yè)的要求。

3.2 教學(xué)方法

第一：虛實(shí)結(jié)合[5]，弱化理論推導(dǎo)，強(qiáng)化理解與應(yīng)用。

課程中包含大量的“虛”的內(nèi)容，例如抽象的概念以及復(fù)雜的公式推導(dǎo)，如果僅僅強(qiáng)調(diào)“虛”，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣會(huì)大大降低，而且無法真正理解與應(yīng)用，學(xué)習(xí)效果十分不理想。因此，應(yīng)重點(diǎn)引入“實(shí)”的內(nèi)容，虛實(shí)結(jié)合，將理論運(yùn)用于實(shí)踐，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)內(nèi)容的理解與應(yīng)用，主要可從以下幾方面著手。

3.2.1 引入工程案例，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

在教學(xué)過程中引入“實(shí)”的工程案例。相比起“虛”的公式推導(dǎo)以及文字介紹，形象生動(dòng)的工程實(shí)例既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能幫助學(xué)生更好地理解所學(xué)內(nèi)容。例如，在緒論部分，可通過引入工程案例幫助大家了解自動(dòng)控制系統(tǒng)，感受自動(dòng)控制理論給生活帶來的便利，從而發(fā)覺課程的學(xué)習(xí)意義，大大激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。在介紹系統(tǒng)的分析以及性能校正時(shí)，同樣可以通過實(shí)例幫助大家理解相關(guān)理論。

選擇工程案例時(shí)需要注意幾點(diǎn)：一、充分考慮學(xué)生的所學(xué)專業(yè)，這樣便于學(xué)生更好地接受與理解。例如，針對(duì)車輛工程專業(yè)學(xué)生，其接觸較多的屬機(jī)械系統(tǒng)，因此可選取生活中的一些機(jī)械系統(tǒng)為例，或者選擇他們比較感興趣，覺得比較高大上的例子，如無人駕駛汽車，里面存在許多的自動(dòng)控制現(xiàn)象，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性;二、所選案例應(yīng)能貫穿整個(gè)教學(xué)過程[6]，而不是零散的案例。這是因?yàn)檎n程本身綜合性很強(qiáng)，章節(jié)之間聯(lián)系緊密，若所選案例能貫穿始終，對(duì)于學(xué)生整體把握所學(xué)內(nèi)容具有很大的幫助。

3.2.2 結(jié)合Matlab，弱化抽象理論，形象化實(shí)際應(yīng)用過程與結(jié)果

利用Matlab可以很方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，包括求響應(yīng)、性能指標(biāo)，繪圖判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。能夠有效避免復(fù)雜的公式推導(dǎo)，形象化實(shí)際結(jié)果。對(duì)于老師而言，可以節(jié)約時(shí)間，對(duì)于學(xué)生而言，求知過程不再繁瑣枯燥。例如圖1和2是系統(tǒng)的Nyquist圖和Bode圖，實(shí)際結(jié)果更加直觀與生動(dòng)，化“虛”為“實(shí)”，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大大提升，教與學(xué)之效率明顯提高。

另外，Matlab作為工程常用軟件，引入Matlab即將“實(shí)”的工程處理方法與手段引入課堂，形象化實(shí)際應(yīng)用過程，有效回答了學(xué)生關(guān)于“課程內(nèi)容在實(shí)際工程中如何應(yīng)用的問題”。課后學(xué)生也可以自己編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，提高他們的動(dòng)手實(shí)踐能力，并且有利于學(xué)生更好地掌握知識(shí)并將其運(yùn)用于日后的工程實(shí)踐中。如某系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為，學(xué)生可嘗試取不同a下系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)以及單位階躍響應(yīng)，如圖3和4所示，還可以計(jì)算系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)。

3.2.3 組織參加競賽類項(xiàng)目，學(xué)以致用

課余時(shí)間應(yīng)組織學(xué)生多參加競賽類項(xiàng)目，在項(xiàng)目中充分發(fā)揮個(gè)人潛能，將所學(xué)用于實(shí)踐，化“虛”的理論為“實(shí)”的項(xiàng)目成果。例如，教師可組織車輛工程專業(yè)學(xué)生參加恩智浦杯智能汽車競賽、中國機(jī)器人大賽等。首先在班級(jí)組隊(duì)，然后各隊(duì)圍繞項(xiàng)目要求開展實(shí)施，在這過程中會(huì)涉及到控制論的許多知識(shí)，也會(huì)遇到許多困難，這些都需要學(xué)生自己去解決。不論最終結(jié)果如何，各位學(xué)生都在此過程中對(duì)課程知識(shí)有了更深的理解，對(duì)于提高他們分析與解決問題的能力以及創(chuàng)新能力意義重大。

3.2.4 校企融合，與實(shí)際工程實(shí)踐接軌

除了正常的學(xué)校學(xué)習(xí)外，教師應(yīng)在學(xué)校的幫助下，帶領(lǐng)學(xué)生走入企業(yè)，拋去“虛”的圖紙，去看“實(shí)”的控制系統(tǒng)。例如對(duì)于車輛工程專業(yè)的學(xué)生而言，可以去軌道公司的控制室參觀學(xué)習(xí)，或者去某些車企感受一下研究人員對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究，充分讓學(xué)生感受到課程所講授的知識(shí)不是“虛”的，而是實(shí)實(shí)在在工程中需要用到的。

第二：轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，以學(xué)生為中心。

傳統(tǒng)的教學(xué)模式都是以教師為中心，學(xué)生是配角，如今應(yīng)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，以學(xué)生為中心，教師為指導(dǎo)，充分培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，提高他們的自主學(xué)習(xí)能力。例如上述所提到的參加競賽類項(xiàng)目，就是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)模式。另外也可以在介紹完一章內(nèi)容后，請(qǐng)同學(xué)自選案例，并向其余同學(xué)介紹自己是如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的建模，分析與性能校正的。

4 結(jié)語

通過進(jìn)一步完善教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法，力求虛實(shí)結(jié)合，變抽象為生動(dòng)，使得學(xué)生能夠充分理解課程內(nèi)容，并將其運(yùn)用于工程實(shí)踐，不斷提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、以及分析問題、解決問題能力和創(chuàng)新能力，符合新工科教育、新時(shí)代和企業(yè)對(duì)學(xué)生提出的要求。除此外，教師也應(yīng)該不斷完善自身，教學(xué)與科研并重，為學(xué)生提供更優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)資源。

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