《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》教學(xué)改革探索

(重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 重慶 404000)

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《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》教學(xué)改革探索

徐海華

(重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院重慶404000)

《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》是一門機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課，內(nèi)容抽象并涉及多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)的交叉融合，普遍反映學(xué)習(xí)難、實(shí)踐難，學(xué)生嚴(yán)重缺乏學(xué)習(xí)興趣。根據(jù)國(guó)內(nèi)各高校對(duì)《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程的教學(xué)研究，結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生學(xué)習(xí)心得，對(duì)本課程的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新改革研究。

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)；創(chuàng)新；教學(xué)改革

一、教學(xué)背景

《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》是一門理論性、系統(tǒng)性和邏輯性非常強(qiáng)的機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課，內(nèi)容抽象并且涉及高等數(shù)學(xué)、力學(xué)、電工學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)的交叉融合。該課程既需要嚴(yán)格的理論推導(dǎo)與繁瑣的數(shù)學(xué)證明，又涉及工程畫(huà)圖和工程設(shè)計(jì)法。學(xué)校將教學(xué)重點(diǎn)側(cè)重于數(shù)學(xué)推導(dǎo)上，而忽略了與工程實(shí)踐的結(jié)合。

二、教改目標(biāo)

總結(jié)新老教師機(jī)械工程控制基礎(chǔ)的教學(xué)方法和經(jīng)驗(yàn)，以學(xué)生的學(xué)習(xí)心得為依據(jù)，根據(jù)當(dāng)前控制論教學(xué)中存在的弊端分析，尋求新的教學(xué)思路，將抽象的控制論內(nèi)容轉(zhuǎn)化成具體化、工程化和實(shí)踐化內(nèi)容。力爭(zhēng)使學(xué)生能深入掌握控制論思想，并能將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，提高實(shí)際應(yīng)用能力。使學(xué)生基本掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)性能分析及設(shè)計(jì)的方法和技巧，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)后續(xù)課程及今后的實(shí)際工作打下較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、教改內(nèi)容

從《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》知識(shí)體系來(lái)看，主要教學(xué)內(nèi)容有系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、時(shí)間響應(yīng)分析、頻率特性分析、穩(wěn)定性判定、性能指標(biāo)與校正等，這些內(nèi)容理論性都比較強(qiáng)。因此，教學(xué)改革重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容包括：

(一)學(xué)時(shí)分配研究

通常《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程總學(xué)時(shí)為40多個(gè)，理論與實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)比例約為9:1。對(duì)于一門應(yīng)重視理論與實(shí)踐的結(jié)合程度的機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)偏少。調(diào)整理論學(xué)時(shí)與實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的比例為7:3，理論學(xué)時(shí)調(diào)整為30多學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為12個(gè)學(xué)時(shí)。

(二)理論教學(xué)研究

理論學(xué)時(shí)減少，應(yīng)重新規(guī)劃理論課教學(xué)計(jì)劃。另外，教學(xué)過(guò)程中涉及到高等數(shù)學(xué)、力學(xué)和電工學(xué)等多門學(xué)科，注意提前幫學(xué)生補(bǔ)習(xí)前導(dǎo)課程的知識(shí)。教學(xué)中多引入一些機(jī)械、機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)實(shí)例，來(lái)計(jì)算數(shù)學(xué)模型、研究輸入輸出關(guān)系，研究系統(tǒng)穩(wěn)定性等等。理論教學(xué)過(guò)程中，盡量從生活實(shí)例中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的洞察力。

(三)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生進(jìn)一步掌握自動(dòng)控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)設(shè)備有自動(dòng)控制試驗(yàn)箱、計(jì)算機(jī)和示波器，除了進(jìn)行一階和二階系統(tǒng)的典型信號(hào)響應(yīng)分析外，可增加如下實(shí)驗(yàn)：

①控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn)

觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。研究系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益和時(shí)間常數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。做實(shí)驗(yàn)之前，要求學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路，掌握其工作原理。理論計(jì)算系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩、增幅振蕩、減幅振蕩的條件。實(shí)驗(yàn)完成之后，要求學(xué)生繪制模擬電路圖；畫(huà)出系統(tǒng)增幅或減幅振蕩的波形圖。計(jì)算系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，并與試驗(yàn)中測(cè)得的臨界放大系數(shù)相比較。

②系統(tǒng)頻率特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)

加深了解頻率特性的物理概念。掌握頻率特性的測(cè)量方法。掌握利用“李沙育圖形法”測(cè)量系統(tǒng)頻率特性的方法。做實(shí)驗(yàn)之前，教師應(yīng)該要求學(xué)生閱讀實(shí)驗(yàn)原理部分，掌握李沙育圖形法的基本原理及頻率特性的測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)完成之后，畫(huà)出被測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)L(ω)曲線與閉環(huán)φ(ω)曲線。按實(shí)驗(yàn)中規(guī)定格式選擇幾個(gè)頻率點(diǎn)，算出各點(diǎn)頻率特性的理論值。畫(huà)出被測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和模擬電路圖。畫(huà)出被測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)L(ω)曲線與閉環(huán)φ(ω)曲線。整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并算出理論值和實(shí)測(cè)值。討論李沙育圖形法測(cè)量頻率特性的精度。

③連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)

加深理解串聯(lián)校正裝置對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的校正作用。對(duì)給定系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)，并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。做實(shí)驗(yàn)之前，要求學(xué)生明確理解校正前系統(tǒng)的ωc及ν。計(jì)算串聯(lián)超前校正裝置的傳遞函數(shù)Gc(s)和校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并求出校正后系統(tǒng)的ω′c及ν′。實(shí)驗(yàn)完成之后，計(jì)算串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)Gc(s)和校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；畫(huà)出校正后系統(tǒng)的對(duì)數(shù)坐標(biāo)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(yīng)曲線及性能指標(biāo)，說(shuō)明校正裝置的作用。

④數(shù)字PID控制實(shí)驗(yàn)

研究PID控制器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及過(guò)渡過(guò)程的影響。研究采樣周期T對(duì)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(shí)驗(yàn)之前，要求學(xué)生熟悉PID控制器系統(tǒng)的組成,熟悉PID控制器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)完成之后，畫(huà)出所做實(shí)驗(yàn)的模擬電路圖；當(dāng)被控對(duì)象為Gp1(s時(shí))取過(guò)渡過(guò)程為最滿意時(shí)的Kp,Ki,Kd,畫(huà)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(xué)方法手段研究

課堂教學(xué)不以獲得相關(guān)知識(shí)與技能為唯一或終級(jí)目標(biāo)，而要重在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。課堂教學(xué)同時(shí)要突出師生互動(dòng)，做到接受式學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)等多種學(xué)習(xí)方法互補(bǔ)，促進(jìn)學(xué)生在課堂動(dòng)態(tài)探究生成，促進(jìn)知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、態(tài)度和價(jià)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(xué)改革而變化，否則教學(xué)新方法的探索毫無(wú)意義。單一的考核方式不能反映學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，采用多樣化的考核方式可以更加全面地了解學(xué)生知識(shí)的掌握情況?？己丝偝煽?jī)應(yīng)該由平時(shí)成績(jī)(包括出勤、課堂表現(xiàn))、作業(yè)成績(jī)(包括課后習(xí)題、讀書(shū)筆記)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)(預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告)以及期末考試成績(jī)等幾個(gè)方面組成。其中期末考核可以嘗試開(kāi)卷、半開(kāi)半閉卷的形式以及分小組課題答辯的形式。

另外，隨著實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)增加應(yīng)該適當(dāng)安排基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)考核。與理論考核不同，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)考核的重點(diǎn)應(yīng)該放在教學(xué)過(guò)程、教學(xué)效果和能力素質(zhì)的提高上。通常的理論考核忽視了過(guò)程和能力素質(zhì)的重要性，并不能客觀的評(píng)價(jià)學(xué)生的動(dòng)手能力和工程實(shí)踐能力。因此，為了提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，全面推進(jìn)素質(zhì)教育，后續(xù)建立基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)科學(xué)規(guī)范的考核方法是十分重要的。

四、結(jié)論

通過(guò)《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》應(yīng)用型教學(xué)改革研究，最終可以確定更完善的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段，提高教學(xué)效率。使學(xué)生快速掌握《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程的學(xué)習(xí)方法和思維方式。使課程的理論性、實(shí)踐性、工程性得到有機(jī)結(jié)合,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。培養(yǎng)學(xué)生用控制論解決機(jī)械工程實(shí)踐問(wèn)題的能力，為社會(huì)培養(yǎng)更多應(yīng)用型人才。

[1]顧志良.應(yīng)用型大學(xué)教育的改革實(shí)踐與創(chuàng)新[M].北京：知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2009.

[2]邵瑞影.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)的教學(xué)改革[M].長(zhǎng)春：考試周刊，2010.

[3]許明,倪敬,陳國(guó)金.《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》教學(xué)改革探討[M].北京：教育教學(xué)論壇,2013.

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