機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程教學(xué)研究

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“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”是機(jī)械工程類本科專業(yè)的一門核心課程，該課程一般設(shè)置在第5或第6學(xué)期，在學(xué)生已有的高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)和專業(yè)課知識(shí)的基礎(chǔ)上，將控制論的方法運(yùn)用到機(jī)械工程領(lǐng)域，研究機(jī)械工程系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題[1]?！皺C(jī)械工程控制基礎(chǔ)”是一門偏理論和方法論的課程，內(nèi)容具有抽象、概括，涉及知識(shí)面廣的特點(diǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)前需要具備較好的高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)及機(jī)械工程各學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)。除了涉及知識(shí)面廣，需要進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，該課程還存在內(nèi)容多，學(xué)時(shí)相對(duì)少的問題，以上問題，導(dǎo)致普通機(jī)械工程類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程有一定的難度，教師很難有效地開展教學(xué)，保證教學(xué)質(zhì)量。因?yàn)楸菊n程在機(jī)械工程類專業(yè)占據(jù)核心地位，越來越多的高校在本專業(yè)研究生入學(xué)考試中，選其作為專業(yè)課考試科目。該課程不僅關(guān)系到學(xué)生當(dāng)前的學(xué)習(xí)，對(duì)以后的工作和升學(xué)也有舉足輕重的影響，無論從就業(yè)還是升學(xué)角度，“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”都是一門教師必須要教好，學(xué)生必須要學(xué)好的關(guān)鍵課程。

1“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程的現(xiàn)狀與問題

山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)，選擇楊叔子院士所編《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》作為本課程的教材[1]，課程總學(xué)時(shí)數(shù)32，其中理論24課時(shí)，實(shí)驗(yàn)8課時(shí)。理論課時(shí)主要講授線性定常系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)傳遞函數(shù)、時(shí)間響應(yīng)分析、頻率特性分析和穩(wěn)定性判斷與系統(tǒng)校正，實(shí)驗(yàn)課時(shí)主要指導(dǎo)學(xué)生使用MATLAB軟件建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域、頻域和穩(wěn)定性分析，并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)校正，輔助解決機(jī)械工程控制相關(guān)問題。授課過程以講授知識(shí)點(diǎn)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)為主，其中數(shù)學(xué)推導(dǎo)對(duì)于我校應(yīng)用型本科的學(xué)生具有較大的難度，教師在課堂上進(jìn)行的數(shù)學(xué)推導(dǎo)往往成為教師的“獨(dú)角戲”，學(xué)生很難參與進(jìn)來，表現(xiàn)出聽課疲勞和厭學(xué)的狀態(tài)。瑣碎繁多的知識(shí)點(diǎn)又讓學(xué)生抓不住課程關(guān)鍵，教學(xué)效果普遍不理想，甚至出現(xiàn)期末考試大面積不及格的情況。

2“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程結(jié)構(gòu)主義教學(xué)改革

結(jié)構(gòu)主義教學(xué)理論誕生于20世紀(jì)50年代末，代表人物是美國(guó)心理學(xué)家、教育家布魯納。在《教育過程》[2]一書中，布魯納集中表述了自己的結(jié)構(gòu)主義教學(xué)理論。所謂結(jié)構(gòu)主義教學(xué)理論，主要包括以下幾個(gè)方面：（1）認(rèn)為結(jié)構(gòu)具有普遍性。“任何學(xué)科中的知識(shí)都可引出結(jié)構(gòu)”，“在天平的例子中，結(jié)構(gòu)便是兒童頭腦中所想的許多依次排列的砝碼”。布魯納認(rèn)為“一門學(xué)科的課程應(yīng)該決定于對(duì)能達(dá)到的、給那門學(xué)科以結(jié)構(gòu)的根本原理的最基本的理解”，即一門課程的課程目標(biāo)應(yīng)該是讓學(xué)生對(duì)本學(xué)科基本原理有基本的理解。（2）認(rèn)為學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)包括該學(xué)科基本概念、原理、知識(shí)及其內(nèi)在聯(lián)系，和學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、方法。“掌握某一領(lǐng)域的基本觀念，不但包括掌握一般原理，而且還包括培養(yǎng)對(duì)待學(xué)習(xí)和調(diào)查研究、對(duì)待推測(cè)和預(yù)感、對(duì)待獨(dú)立解決難題的可能性的態(tài)度”。（3）認(rèn)為學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)在學(xué)科教學(xué)中有重要意義。布魯納認(rèn)為，學(xué)科結(jié)構(gòu)是“教學(xué)的中心”，“無論我們選教什么學(xué)科，務(wù)必使學(xué)生理解該學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)”；學(xué)生“懂得基本原理可以使得學(xué)科更容易理解”，有利于學(xué)生理解和掌握整個(gè)學(xué)科；學(xué)生“學(xué)習(xí)普遍的或基本的原理的目的，就在于保證記憶的喪失不是全部喪失，而遺留下來的東西使我們?cè)谛枰臅r(shí)候得以把一件件事情重新構(gòu)思起來”，有利于學(xué)生對(duì)整個(gè)學(xué)科的記憶；學(xué)生“領(lǐng)會(huì)最基本的原理和觀念，看來是通向適當(dāng)?shù)摹?xùn)練遷移’的大道”，有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)遷移。針對(duì)“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程存在的問題，決定在教學(xué)中采用結(jié)構(gòu)主義教學(xué)，使教師和學(xué)生在教學(xué)過程中專注于構(gòu)建課程的理論框架，通過該框架匯總課程學(xué)習(xí)過程中的知識(shí)，使該框架在教學(xué)中起到提綱挈領(lǐng)的作用，便于學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的整體把握，提高教學(xué)質(zhì)量；針對(duì)課程中數(shù)學(xué)公式多，計(jì)算推導(dǎo)難度大的問題，指導(dǎo)學(xué)生使用MATLAB軟件進(jìn)行處理，降低計(jì)算難度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

3“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程中的結(jié)構(gòu)主義教學(xué)過程設(shè)計(jì)

“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程的教學(xué)目標(biāo)，是讓學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用工程控制論的基本理論和方法，分析研究機(jī)械工程控制領(lǐng)域中有關(guān)信息傳遞、反饋和系統(tǒng)控制性能問題，培養(yǎng)學(xué)生判別系統(tǒng)穩(wěn)定性、變更系統(tǒng)參數(shù)，以改善系統(tǒng)性能的分析綜合能力[3]。課程教學(xué)內(nèi)容，從理論上分為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立，系統(tǒng)時(shí)域、頻域性能分析，和系統(tǒng)校正三個(gè)部分，各部分包括的基本概念、理論、知識(shí)點(diǎn)較多，且分布零散。學(xué)生聽課、作業(yè)和課堂測(cè)試過程中，容易出現(xiàn)學(xué)習(xí)疲勞，注意力分散，學(xué)習(xí)興趣降低，消極懶惰，課堂測(cè)試成績(jī)不理想等現(xiàn)象。通過研究總結(jié)，為降低本課程的教學(xué)困難，筆者提出了在課程教學(xué)過程中進(jìn)行以教師引導(dǎo)，學(xué)生參與，搭建課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)框架為主的結(jié)構(gòu)主義互動(dòng)教學(xué)，教學(xué)過程具體分為三步：（1）教師在課堂上搭建課程框架結(jié)構(gòu)，以框架統(tǒng)領(lǐng)知識(shí)點(diǎn)在教學(xué)過程中，借助教材，搭建了圖1所示的課程知識(shí)框架。以學(xué)科的研究對(duì)象，系統(tǒng)為起點(diǎn)，借助數(shù)學(xué)工具建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，再通過拉普拉斯變換得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)能夠有效地描述系統(tǒng)的固有特性，并且具有形式簡(jiǎn)單，便于操作的特點(diǎn)；再對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行時(shí)間響應(yīng)分析和頻率特性分析，分析系統(tǒng)性能，進(jìn)而通過對(duì)傳遞函數(shù)和頻率特性使用Routh判據(jù)、Nyquist判據(jù)和Bode判據(jù)，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性；如經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定，則需在系統(tǒng)中加入校正環(huán)節(jié)，重新建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，分析其特性，判斷其穩(wěn)定性，通過這種判斷機(jī)制，獲得穩(wěn)定性較好的系統(tǒng)。其中頻率特性和穩(wěn)定性分析是本課程重要內(nèi)容，同時(shí)也是教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)，關(guān)系到整門課程的教學(xué)，教師需熟練掌握該部分內(nèi)容涉及到的數(shù)學(xué)工具，選擇合適的教學(xué)策略進(jìn)行教學(xué)。通過搭建以上結(jié)構(gòu)框架，“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程的各教學(xué)模塊、知識(shí)點(diǎn)，化零為整，在課程中的地位一目了然，能保證教師和學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)中，分清主次，幫助學(xué)生把握課程內(nèi)容，避免學(xué)生聽課過程中出現(xiàn)惰性、疲勞和注意力分散等現(xiàn)象，進(jìn)行有效的教學(xué)學(xué)習(xí)。有利于提升學(xué)生對(duì)學(xué)科的全面認(rèn)知，從較高的視角認(rèn)知把握課程，不再拘泥于瑣碎的學(xué)科知識(shí)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，能對(duì)學(xué)科和相關(guān)工程問題進(jìn)行深入探討。（2）學(xué)生通過作業(yè)總結(jié)課程框架，理解、細(xì)化、鞏固、貫通課堂知識(shí)在第一步中，教師在課堂上引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)學(xué)科知識(shí)的基本結(jié)構(gòu)框架，并對(duì)其進(jìn)行銜接，但因?yàn)檎n堂時(shí)間限制，不可能在課堂深入展開。因此，教師通過布置作業(yè)的形式，要求學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容，在課堂總結(jié)的內(nèi)容架構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己的思維習(xí)慣和對(duì)課程知識(shí)的掌握程度，細(xì)化知識(shí)基本結(jié)構(gòu)框架。學(xué)生可以在總結(jié)過程，對(duì)課堂和教材上的知識(shí)進(jìn)行回憶，理解，加深對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的理解，并養(yǎng)成自己動(dòng)腦進(jìn)行探索的習(xí)慣，形成架構(gòu)學(xué)科知識(shí)框架的能力，這對(duì)其以后的學(xué)習(xí)工作，都具有重要的意義。真正做到，如布魯納所說，在教學(xué)中，使學(xué)生“掌握某一領(lǐng)域的基本觀念，不但包括掌握一般原理，而且還包括培養(yǎng)對(duì)待學(xué)習(xí)和調(diào)查研究、對(duì)待推測(cè)和預(yù)感、對(duì)待獨(dú)立解決難題的可能性的態(tài)度。”（3）教師依據(jù)工程案例構(gòu)造習(xí)題，鍛煉學(xué)生解決問題的能力習(xí)題：圖2為一液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已知負(fù)載的質(zhì)量m=8kg，負(fù)載受到的阻尼c=0.1，流量增益為Kq=1.5m3/s*m，活塞橫截面積為A=0.03m2，流量-壓力系數(shù)為Kc，試計(jì)算系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；用Routh穩(wěn)定判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確定系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)Kc的取值范圍；從取值范圍內(nèi)選擇任意Kc值，運(yùn)用Nyquist判據(jù)和Bode判據(jù)，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該習(xí)題結(jié)合工程實(shí)際問題，以計(jì)算題的形式，將課程各知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來。學(xué)生在解題過程中，回顧、提取了課程知識(shí)框架中的知識(shí)點(diǎn)，對(duì)各種概念有了更深入的了解，糾正了一些理解偏差，進(jìn)一步鞏固了學(xué)科知識(shí)，提高了對(duì)學(xué)科的認(rèn)知，鍛煉了解決實(shí)際工程問題的能力，樹立起解決問題的信心。由于Nyquist圖和Bode圖手工繪制較為困難，在解題過程中，指導(dǎo)學(xué)生使用MATLAB軟件繪制，完成閉環(huán)穩(wěn)定性判斷，和穩(wěn)定裕度計(jì)算。MATLAB的使用簡(jiǎn)化了計(jì)算，把學(xué)生從復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算中解放出來，使其有更多精力關(guān)注題目的解題思路，解題路徑，在提高學(xué)生解決問題能力，增加學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，使學(xué)生掌握MATLAB軟件的基本功能，為其以后的科研工作打下良好的基礎(chǔ)。

4教學(xué)成效

圖3為采用結(jié)構(gòu)主義教學(xué)的班級(jí)學(xué)生的期末考試卷面成績(jī)分布情況，圖4為對(duì)照班級(jí)的期末考試卷面成績(jī)分布情況?？梢园l(fā)現(xiàn)在同樣的學(xué)習(xí)時(shí)間里，采用結(jié)構(gòu)主義教學(xué)的實(shí)驗(yàn)班級(jí)大量學(xué)生的期末成績(jī)處于中等階段（70-80），在良好（80-90）和優(yōu)秀（90-100）階段也有一定的分布，與對(duì)照組比較，不及格率顯著降低，表明實(shí)驗(yàn)組學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)有了較好的掌握。實(shí)踐證明，結(jié)構(gòu)主義教學(xué)理論確實(shí)能提高“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程的教學(xué)效果。

5結(jié)束語

結(jié)構(gòu)主義教學(xué)，注重在教學(xué)過程中通過歸納總結(jié)知識(shí)點(diǎn)，搭建課程的知識(shí)框架，使學(xué)生能在較短的時(shí)間，理解課程的核心知識(shí)及其邏輯關(guān)系，把握課程知識(shí)體系，深入理解各知識(shí)點(diǎn)在解決問題時(shí)的使用方法，提高學(xué)生解決問題能力。通過教學(xué)實(shí)踐，結(jié)構(gòu)主義教學(xué)使學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)難度有所降低，運(yùn)用課程知識(shí)解決問題的能力有明顯的提示。當(dāng)前的高等教育為了給學(xué)生更多可自由支配的時(shí)間，以參加更多課外實(shí)踐活動(dòng)，發(fā)展興趣愛好，往往存在課程知識(shí)量大，課時(shí)少的問題。結(jié)構(gòu)主義教學(xué)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)，使學(xué)生對(duì)課程有深入的理解和把握，為提高高等教育教學(xué)質(zhì)量，教師可以將結(jié)構(gòu)主義教學(xué)應(yīng)用到高等教育課程教學(xué)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊叔子、楊克沖.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)（第七版）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2021.

[2]布魯納.教育過程[M].邵瑞珍譯.北京：文化教育出版社，1982.

[3]陳乃建.《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程分析與教學(xué)方法研究[J].科技視界，2016（25）.

作者:賈孝偉 李曰陽 宋衛(wèi)海 劉明明 林小亮 單位:山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院