新工科背景下機械控制工程實驗課程教學(xué)改革與實踐

摘 要：機械控制工程實驗是機械工程專業(yè)本科生的必修基礎(chǔ)實驗課。通過對課程教學(xué)現(xiàn)狀和學(xué)生學(xué)習(xí)效果的深入分析，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)流程和教學(xué)評價四個維度提出了創(chuàng)新改革舉措。實踐效果顯示，經(jīng)過改革的教學(xué)方法能有效提高學(xué)生參與實驗的積極性和主動性，有效加深學(xué)生對理論知識的理解，并大幅提升學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：新工科；實驗教學(xué)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法；教學(xué)流程；教學(xué)評價

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著科技的日益發(fā)展，創(chuàng)新型人才的缺乏已成為制約我國科技發(fā)展和經(jīng)濟增長的主要瓶頸。為應(yīng)對這一問題，教育部實施了一系列政策措施。其中包括加入《華盛頓協(xié)議》，以推動國際工程教育的認(rèn)證與互通，同時不斷強化新工科建設(shè)理念，持續(xù)深化工程教育改革，培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新能力和實踐能力的工程人才，為我國科技創(chuàng)新與經(jīng)濟發(fā)展提供更為可靠的人才支撐。

控制工程基礎(chǔ)是一門以研究機械工程技術(shù)問題為主要對象的技術(shù)科學(xué)，它主要運用控制論的基本原理及基本思想方法，分析研究機械工程中信息的傳遞、反饋及控制的理論與實踐問題。該課程具有高度的理論性、綜合性和實踐性。而機械控制工程實驗則是河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院專門為該課程配套設(shè)置的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，其傳統(tǒng)的教學(xué)流程是教師先講解實驗?zāi)康?、原理以及示范操作步驟，隨后學(xué)生進(jìn)行重復(fù)式實驗。然而，這種教學(xué)模式影響了學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)揮、影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，難以有效提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，基于新工科建設(shè)理念，對機械控制工程實驗教學(xué)方法進(jìn)行改革迫在眉睫。本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)流程與教學(xué)評價四個維度提出改革策略，主要針對機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)的本科生，力求在新工科背景下探索一種創(chuàng)新的實驗教學(xué)方法。

一、教學(xué)內(nèi)容的改革

總體思路是以課程目前的實驗內(nèi)容為基礎(chǔ)，引入基于Matlab仿真軟件平臺的創(chuàng)新實驗內(nèi)容，做到虛實結(jié)合、理論與實際結(jié)合、基礎(chǔ)與前沿結(jié)合、實驗與應(yīng)用結(jié)合、必選和自選結(jié)合，以幫助學(xué)生鞏固所學(xué)理論知識，激發(fā)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的積極性，提升其創(chuàng)新思維能力。

首先，采用機械控制工程教學(xué)實驗系統(tǒng)，以電路模擬控制系統(tǒng)的驗證性實驗和綜合性實驗為主。這些實驗涵蓋了典型環(huán)節(jié)的時域響應(yīng)、頻率特性實驗、系統(tǒng)分析與校正等實驗項目。通過對一階和二階線性系統(tǒng)進(jìn)行時域和頻域分析，以及各典型環(huán)節(jié)在理想階躍信號作用下的時域分析，學(xué)生可以了解各典型環(huán)節(jié)的時間響應(yīng)特性及參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響；通過頻率特性實驗，學(xué)生可以掌握波特圖的繪制方法以及通過頻率特性確定線性系統(tǒng)參數(shù)的原理及方法；通過系統(tǒng)分析與校正實驗，學(xué)生可以了解根據(jù)期望的時域性能指標(biāo)對二階系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正的流程和方法，包括校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的推導(dǎo)和校正環(huán)節(jié)電路的設(shè)計，要求學(xué)生熟練掌握控制系統(tǒng)模擬電路的搭接方法，對比差異分析原因，正確記錄，并規(guī)范撰寫實驗報告等。

其次，引入小車-倒擺系統(tǒng)及基于Matlab仿真軟件平臺的控制實驗內(nèi)容。在這個實驗中，倒擺通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)安裝在驅(qū)動小車上并對小車施加一定的驅(qū)動律，驅(qū)動小車以實現(xiàn)倒擺的姿態(tài)穩(wěn)定控制，這是姿態(tài)控制問題的典型代表，內(nèi)容涉及經(jīng)典控制、狀態(tài)反饋控制以及抗擾控制。具體包括：利用給定的系統(tǒng)參數(shù)，通過機理推導(dǎo)，建立倒立擺系統(tǒng)的非線性動力學(xué)模型和線性化模型；進(jìn)行非線性模型和線性化模型的開環(huán)響應(yīng)的動態(tài)仿真；基于線性化模型利用根軌跡法設(shè)計控制器，分別對線性化模型和非線性模型進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的仿真分析；基于線性化模型利用頻域法設(shè)計控制器，分別對線性化模型和非線性模型進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的仿真分析；設(shè)計并調(diào)整PID控制器參數(shù)，分別對線性化模型和非線性模型進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的仿真分析；分別基于線性化模型和非線性模型設(shè)計全狀態(tài)觀測器和狀態(tài)反饋控制器，進(jìn)行有風(fēng)力干擾下的閉環(huán)系統(tǒng)仿真分析；將所設(shè)計的控制器在小車-倒擺系統(tǒng)上進(jìn)行實際控制實驗。該部分實驗項目充分展現(xiàn)了機械控制工程課程的強理論性、強綜合性和強實踐性的特征，有助于學(xué)生深化對機械控制工程理論知識的理解，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新積極性，幫助學(xué)生養(yǎng)成自主分析與解決問題的能力，提升其專業(yè)認(rèn)知度。

二、教學(xué)方法的改革

（一）混合式教學(xué)方法

教師在實驗課前將相關(guān)資料發(fā)送給學(xué)生，以便學(xué)生在課前自主學(xué)習(xí)和預(yù)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識。引導(dǎo)學(xué)生熟悉實驗?zāi)繕?biāo)和大致流程，并思考實驗中可能遇到的問題，做好充分的知識儲備，進(jìn)而使學(xué)生能夠在實驗課上更專注、更從容地應(yīng)對實驗，并有更多時間思考和創(chuàng)新實驗操作。同時，教師也能夠在實驗課中騰出更多的時間與學(xué)生交流，加深學(xué)生對知識的理解。最終教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、解決問題的情況以及撰寫的實驗報告質(zhì)量，對他們的總成績進(jìn)行全面的評價。此外，教師還需根據(jù)教學(xué)過程的順暢性、學(xué)生的思想狀態(tài)以及實驗效果，持續(xù)調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)策略，以確保實驗教學(xué)的最終效果。

（二）交互式教學(xué)方法

交互式教學(xué)方法是以學(xué)生為中心，強調(diào)師生互動。它具體包含以下三種形式：教師按照課前設(shè)計的實驗教學(xué)方案，講解實驗?zāi)繕?biāo)、實驗內(nèi)容以及操作的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則。在實驗課堂上，教師通過提出問題、糾正錯誤、解答疑惑等方式，引導(dǎo)學(xué)生運用課程基本理論指導(dǎo)實踐操作，并通過實踐來驗證理論的正確性，在相互交流以及理論與實踐反復(fù)的循環(huán)驗證中，幫助學(xué)生掌握相關(guān)知識點，提升他們發(fā)現(xiàn)問題和分析問題的能力，激發(fā)他們解決問題的興趣，從而在生生之間、師生之間建立起充分互動的學(xué)習(xí)交流氛圍。同時，引入Matlab仿真實驗軟件，該軟件集概念設(shè)計、算法開發(fā)、建模仿真、實時實現(xiàn)于一體，具有強交互性。值得一提的是，使用該軟件能夠增強學(xué)生應(yīng)用理論知識并即時驗證的體驗感，有效提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

（三）自主式教學(xué)方法

將小車-倒擺系統(tǒng)的控制實驗項目分解成多個知識點，如動力學(xué)建模、狀態(tài)方程、系統(tǒng)線性化、開環(huán)與閉環(huán)仿真、狀態(tài)反饋仿真及擾動條件下的系統(tǒng)仿真等。針對每個知識點，首先，教師會提出若干問題，引導(dǎo)學(xué)生通過查閱書籍、網(wǎng)絡(luò)資源或參與論壇討論等方式自主學(xué)習(xí)并參與討論。其次，學(xué)生根據(jù)自己制定的方案進(jìn)行模型搭建、程序調(diào)試來解決問題，并進(jìn)行問題思考及知識總結(jié)。這樣不僅能讓學(xué)生學(xué)會解決問題的方法，還能幫助他們積累實踐經(jīng)驗。此外，小車-倒擺系統(tǒng)的控制實驗項目是較為復(fù)雜的控制項目，需要多名學(xué)生合作完成。在實驗項目設(shè)計過程中，學(xué)生必須學(xué)會團隊合作，通過分工合作來完成任務(wù)，讓學(xué)生認(rèn)識到團隊合作的重要性，培養(yǎng)他們的團隊合作意識。

三、教學(xué)流程的改革

（一）實驗前準(zhǔn)備

實驗課前，教師和學(xué)生都需做好準(zhǔn)備工作。教師應(yīng)在課前明確實驗?zāi)繕?biāo)，把握實驗內(nèi)容的重點和難點，將每個實驗項目分解為具體的知識點。同時，為學(xué)生準(zhǔn)備詳盡的文字資料以及視頻或音頻資料，并盡早發(fā)送給學(xué)生。學(xué)生在接收到相關(guān)教學(xué)資料后，應(yīng)先了解實驗?zāi)繕?biāo)、內(nèi)容、重點和難點，厘清實驗內(nèi)容和課程知識點之間的聯(lián)系，明確實驗思路。在深入理解上述問題后，再進(jìn)行實驗設(shè)計，并完成相關(guān)調(diào)研和準(zhǔn)備任務(wù)。

（二）實驗活動

1.實驗課堂上，學(xué)生首先向教師匯報課前的準(zhǔn)備情況。教師根據(jù)實驗的重點內(nèi)容和學(xué)生匯報情況對學(xué)生進(jìn)行提問，以充分了解學(xué)生對實驗課知識點的掌握程度和存在的問題，以便教師后續(xù)有針對性的指導(dǎo)學(xué)生實驗。

2.學(xué)生基于課前所掌握的知識及規(guī)劃設(shè)計進(jìn)行實驗和仿真實驗。由于課前已對理論知識做了充分準(zhǔn)備，學(xué)生在實驗過程中能夠做到思路清晰，及時發(fā)現(xiàn)并解決遇到的問題。通過分析問題、查找原因，學(xué)生不僅能及時印證和加深對本課程理論知識的理解，還能有效拓展對其他課程知識的理解，同時也有效提高了解決問題的能力。

3.教師在實驗課堂上需詳細(xì)講解實驗設(shè)備及虛擬仿真的操作方法和注意事項，并收集學(xué)生的實驗過程數(shù)據(jù)，同時對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，判斷數(shù)據(jù)的合理性，將有問題的數(shù)據(jù)及時反饋給學(xué)生。教師根據(jù)具體問題和學(xué)生操作情況，指導(dǎo)學(xué)生及時查找原因，以便順利完成實驗。

4.對于學(xué)生一時難以解決的問題，以及學(xué)習(xí)中產(chǎn)生的錯誤認(rèn)識或理解偏差，教師應(yīng)及時進(jìn)行講解、剖析，確保學(xué)生既能理解理論，又能正確操作。

5.教師要組織和促進(jìn)師生以及生生之間的交流互動，共同討論問題，通過交流學(xué)習(xí)，學(xué)生可以進(jìn)一步完善和優(yōu)化自己的實驗內(nèi)容。

（三）實驗后工作

1.教師對實驗過程進(jìn)行深入分析和總結(jié)，找出各小組的優(yōu)點和不足，指導(dǎo)學(xué)生總結(jié)知識點、實驗方法和規(guī)律，為后續(xù)的實驗學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)和積累實踐經(jīng)驗。

2.教師根據(jù)學(xué)生課前的自學(xué)和準(zhǔn)備情況、課堂動手操作能力、回答問題情況、解決問題能力以及實驗報告的整理情況等，對學(xué)生進(jìn)行全面的評價和具體的評分。

3.通過溝通和調(diào)查問卷等形式，組織學(xué)生評價實驗的各個環(huán)節(jié)和方法。教師根據(jù)評價結(jié)果了解學(xué)生對教學(xué)方法的適應(yīng)情況，并以此為依據(jù)不斷調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)方法和思路。

四、教學(xué)評價的改革

為適應(yīng)教學(xué)方法的多維度改革，對實驗教學(xué)的評價方式進(jìn)行了多層次的改進(jìn)，摒棄了“考勤+實驗報告”的傳統(tǒng)評價方式。改進(jìn)后的總成績?nèi)缦拢赫n前預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)占20%，課堂實驗占45%，成果展示占10%，實驗報告占15%，課堂紀(jì)律占10%。其中，課前預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)的成績主要根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果、查閱文獻(xiàn)資料和理解能力。為此，考核設(shè)置了與實驗相關(guān)的理論知識、實驗內(nèi)容、實驗設(shè)計與仿真方案等考核內(nèi)容，并附有討論題，以加深學(xué)生對實驗項目的多角度理解，激發(fā)他們的思考和學(xué)習(xí)積極性。課堂實驗部分考核的是學(xué)生在實驗過程中的動手能力，以及他們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和實驗創(chuàng)新能力，考核依據(jù)包括學(xué)生課上回答教師提問、參與問題討論、分析解決問題、動手操作、數(shù)據(jù)整理歸納以及創(chuàng)新思考等表現(xiàn)。成果展示主要以現(xiàn)場展示或微視頻的形式進(jìn)行，考查其過程的完整性、流暢性以及講解的清晰性，以此評估學(xué)生對實驗項目的熟練度和理解程度以及表達(dá)能力。實驗報告考查學(xué)生的書寫邏輯性和層次性、數(shù)據(jù)整理與分析的正確性，以及結(jié)論和總結(jié)的合理性和深度，這主要考核的是學(xué)生整理、分析和處理數(shù)據(jù)的能力。課堂紀(jì)律考核的是學(xué)生遵守課堂紀(jì)律和實驗室管理規(guī)定方面的能力。通過這五個方面的綜合評估，旨在全面提升學(xué)生的綜合能力和個人素養(yǎng)。

五、改革效果與評價

為客觀、準(zhǔn)確地檢驗機械控制工程實驗教學(xué)改革的成效，并了解學(xué)生對改革的評價和支持度，課題組進(jìn)行了為期3年（2019—2020學(xué)年、2020—2021學(xué)年和2021—2022學(xué)年）的學(xué)生問卷調(diào)查。問卷內(nèi)容涵蓋以下方面：教師教學(xué)態(tài)度、課前指導(dǎo)及資料準(zhǔn)備；教師課中講解、指導(dǎo)及示范操作。實驗內(nèi)容設(shè)置及虛擬仿真實驗引入。教師的實驗引導(dǎo)和啟發(fā)；師生互動及生生互動。疑難問題的解答。實驗后知識的理解、實驗技能及動手能力的提高。調(diào)查結(jié)果顯示，超過97%的學(xué)生對改革后的新教學(xué)方法表示高度認(rèn)同和支持，并對實驗指導(dǎo)教師給予了高度評價。

鑒于傳統(tǒng)機械控制工程實驗教學(xué)方法對學(xué)生創(chuàng)新思維有所限制、削弱了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、阻礙學(xué)生創(chuàng)新能力的提升。課題組以新工科建設(shè)為背景，圍繞教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)流程和教學(xué)評價四個維度，對機械控制工程實驗教學(xué)方法進(jìn)行了創(chuàng)新改革。明確了具體的改革舉措，并就學(xué)生的學(xué)習(xí)成效與滿意度進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果表明，改革后的實驗教學(xué)方法能有效提升學(xué)生實驗的積極性和主動性，加深了學(xué)生對理論知識的理解，有效提升了他們的自主創(chuàng)新能力和解決問題的能力。同時，這一改革也贏得了學(xué)生的高度評價和支持，為培養(yǎng)綜合能力一流的機械工程人才奠定了堅實基礎(chǔ)。

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