(重慶三峽學院機械工程學院 重慶 404000)

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《機械工程控制基礎》教學改革探索

徐海華

(重慶三峽學院機械工程學院重慶404000)

《機械工程控制基礎》是一門機械類專業(yè)基礎課，內(nèi)容抽象并涉及多個領域知識的交叉融合，普遍反映學習難、實踐難，學生嚴重缺乏學習興趣。根據(jù)國內(nèi)各高校對《機械工程控制基礎》課程的教學研究，結(jié)合多年教學經(jīng)驗和學生學習心得，對本課程的理論與實驗教學內(nèi)容、教學方法和考核方式進行教學創(chuàng)新改革研究。

機械工程控制基礎；創(chuàng)新；教學改革

一、教學背景

《機械工程控制基礎》是一門理論性、系統(tǒng)性和邏輯性非常強的機械類專業(yè)基礎課，內(nèi)容抽象并且涉及高等數(shù)學、力學、電工學等多個領域知識的交叉融合。該課程既需要嚴格的理論推導與繁瑣的數(shù)學證明，又涉及工程畫圖和工程設計法。學校將教學重點側(cè)重于數(shù)學推導上，而忽略了與工程實踐的結(jié)合。

二、教改目標

總結(jié)新老教師機械工程控制基礎的教學方法和經(jīng)驗，以學生的學習心得為依據(jù)，根據(jù)當前控制論教學中存在的弊端分析，尋求新的教學思路，將抽象的控制論內(nèi)容轉(zhuǎn)化成具體化、工程化和實踐化內(nèi)容。力爭使學生能深入掌握控制論思想，并能將理論與實踐緊密結(jié)合，提高實際應用能力。使學生基本掌握自動控制系統(tǒng)性能分析及設計的方法和技巧，為進一步學習后續(xù)課程及今后的實際工作打下較堅實的基礎。

三、教改內(nèi)容

從《機械工程控制基礎》知識體系來看，主要教學內(nèi)容有系統(tǒng)的數(shù)學模型、時間響應分析、頻率特性分析、穩(wěn)定性判定、性能指標與校正等，這些內(nèi)容理論性都比較強。因此，教學改革重點研究內(nèi)容包括：

(一)學時分配研究

通?！稒C械工程控制基礎》課程總學時為40多個，理論與實驗學時比例約為9:1。對于一門應重視理論與實踐的結(jié)合程度的機械類專業(yè)基礎課，實驗學時偏少。調(diào)整理論學時與實驗學時的比例為7:3，理論學時調(diào)整為30多學時，實驗學時為12個學時。

(二)理論教學研究

理論學時減少，應重新規(guī)劃理論課教學計劃。另外，教學過程中涉及到高等數(shù)學、力學和電工學等多門學科，注意提前幫學生補習前導課程的知識。教學中多引入一些機械、機電系統(tǒng)的相關實例，來計算數(shù)學模型、研究輸入輸出關系，研究系統(tǒng)穩(wěn)定性等等。理論教學過程中，盡量從生活實例中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，培養(yǎng)學生的洞察力。

(三)實驗教學研究

通過實驗可使學生進一步掌握自動控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的分析方法和設計方法。實驗設備有自動控制試驗箱、計算機和示波器，除了進行一階和二階系統(tǒng)的典型信號響應分析外，可增加如下實驗：

①控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析實驗

觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。研究系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常數(shù)對穩(wěn)定性的影響。做實驗之前，要求學生分析實驗系統(tǒng)電路，掌握其工作原理。理論計算系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩、增幅振蕩、減幅振蕩的條件。實驗完成之后，要求學生繪制模擬電路圖；畫出系統(tǒng)增幅或減幅振蕩的波形圖。計算系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，并與試驗中測得的臨界放大系數(shù)相比較。

②系統(tǒng)頻率特性測量實驗

加深了解頻率特性的物理概念。掌握頻率特性的測量方法。掌握利用“李沙育圖形法”測量系統(tǒng)頻率特性的方法。做實驗之前，教師應該要求學生閱讀實驗原理部分，掌握李沙育圖形法的基本原理及頻率特性的測量方法。實驗完成之后，畫出被測系統(tǒng)的開環(huán)L(ω)曲線與閉環(huán)φ(ω)曲線。按實驗中規(guī)定格式選擇幾個頻率點，算出各點頻率特性的理論值。畫出被測系統(tǒng)的結(jié)構和模擬電路圖。畫出被測系統(tǒng)的開環(huán)L(ω)曲線與閉環(huán)φ(ω)曲線。整理實驗數(shù)據(jù)，并算出理論值和實測值。討論李沙育圖形法測量頻率特性的精度。

③連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正實驗

加深理解串聯(lián)校正裝置對系統(tǒng)動態(tài)性能的校正作用。對給定系統(tǒng)進行串聯(lián)校正設計，并通過模擬實驗檢驗設計的正確性。做實驗之前，要求學生明確理解校正前系統(tǒng)的ωc及ν。計算串聯(lián)超前校正裝置的傳遞函數(shù)Gc(s)和校正網(wǎng)絡參數(shù)，并求出校正后系統(tǒng)的ω′c及ν′。實驗完成之后，計算串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)Gc(s)和校正網(wǎng)絡參數(shù)；畫出校正后系統(tǒng)的對數(shù)坐標圖，并求出校正后系統(tǒng)的剪′c及ν′；比較校正前后系統(tǒng)的階躍響應曲線及性能指標，說明校正裝置的作用。

④數(shù)字PID控制實驗

研究PID控制器的參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性及過渡過程的影響。研究采樣周期T對系統(tǒng)特性的影響。研究I型系統(tǒng)及系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。做實驗之前，要求學生熟悉PID控制器系統(tǒng)的組成,熟悉PID控制器的參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。實驗完成之后，畫出所做實驗的模擬電路圖；當被控對象為Gp1(s時)取過渡過程為最滿意時的Kp,Ki,Kd,畫出校正后的Bode圖，查出相穩(wěn)定裕量γ和穿越頻率ωc；總結(jié)一種有效的選擇Kp,Ki,Kd方法，以最快的速度獲得滿意的參數(shù)。

(四)教學方法手段研究

課堂教學不以獲得相關知識與技能為唯一或終級目標，而要重在培養(yǎng)學生的學習興趣，調(diào)動學生學習的積極性。課堂教學同時要突出師生互動，做到接受式學習、研究性學習等多種學習方法互補，促進學生在課堂動態(tài)探究生成，促進知識與技能、過程與方法、態(tài)度和價值觀三方面的和諧發(fā)展。

(五)考核方式研究

考核方式必須隨著教學改革而變化，否則教學新方法的探索毫無意義。單一的考核方式不能反映學生的整個學習過程，采用多樣化的考核方式可以更加全面地了解學生知識的掌握情況。考核總成績應該由平時成績(包括出勤、課堂表現(xiàn))、作業(yè)成績(包括課后習題、讀書筆記)、實驗成績(預習情況、實驗操作、實驗報告)以及期末考試成績等幾個方面組成。其中期末考核可以嘗試開卷、半開半閉卷的形式以及分小組課題答辯的形式。

另外，隨著實驗學時增加應該適當安排基礎實驗考核。與理論考核不同，基礎實驗考核的重點應該放在教學過程、教學效果和能力素質(zhì)的提高上。通常的理論考核忽視了過程和能力素質(zhì)的重要性，并不能客觀的評價學生的動手能力和工程實踐能力。因此，為了提高實踐教學質(zhì)量，全面推進素質(zhì)教育，后續(xù)建立基礎實驗科學規(guī)范的考核方法是十分重要的。

四、結(jié)論

通過《機械工程控制基礎》應用型教學改革研究，最終可以確定更完善的教學內(nèi)容、教學方法和教學手段，提高教學效率。使學生快速掌握《機械工程控制基礎》課程的學習方法和思維方式。使課程的理論性、實踐性、工程性得到有機結(jié)合,激發(fā)學生的學習興趣和主動性。培養(yǎng)學生用控制論解決機械工程實踐問題的能力，為社會培養(yǎng)更多應用型人才。

[1]顧志良.應用型大學教育的改革實踐與創(chuàng)新[M].北京：知識產(chǎn)權出版社，2009.

[2]邵瑞影.機械工程控制基礎的教學改革[M].長春：考試周刊，2010.

[3]許明,倪敬,陳國金.《機械工程控制基礎》教學改革探討[M].北京：教育教學論壇,2013.

徐海華(1985-)，女，漢族，河北邯鄲人，碩士，重慶三峽學院，研究方向：超精密加工。