魏樹國，張少伍，周 超

(銅陵學院，安徽 銅陵 244061)

隨著工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)變革的發(fā)展，社會需要更多實踐能力強的高校畢業(yè)生，為了支撐產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級進而提出了新工科建設(shè)。根據(jù)新工科的要求，培養(yǎng)的人才不僅具備豐富知識，還要具備實踐動手能力及創(chuàng)新創(chuàng)造能力；不僅能夠運用所學知識解決實際問題，還能夠根據(jù)技術(shù)的發(fā)展趨勢和工作經(jīng)驗的積累，預見新問題的出現(xiàn)，找出解決問題的方法。因此，新工科背景下的人才培養(yǎng)需要構(gòu)建以工程創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為核心的培養(yǎng)模式，結(jié)合新型經(jīng)濟特點和專業(yè)特色展開工作[1]。

機械工程控制基礎(chǔ)是在自動控制理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的控制理論，是控制理論和機械工程技術(shù)理論相結(jié)合的一門交叉學科，是機械電子工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課[2]。這門課起到基礎(chǔ)課和專業(yè)課的“橋梁”作用，為后續(xù)的工程測試技術(shù)、液壓伺服與比例控制等專業(yè)課提供理論分析的基礎(chǔ)。專業(yè)基礎(chǔ)課教學效果，對于培養(yǎng)學生的工程實踐能力起著重要作用。本文提出的教學改革方案是以銅陵學院專業(yè)評估為背景，著力解決專業(yè)評估中發(fā)現(xiàn)的一些問題，理順機械控制工程基礎(chǔ)理論教學內(nèi)容，形成機械控制工程基礎(chǔ)課程的教學改革方案。提高學生的工程實踐能力，使本院畢業(yè)生滿足新工科時代的需求。

1 教學改革內(nèi)容

這門課程原來的教學模式是理論教學，教學形式是以課堂授課為主，要求學生具有很好的數(shù)學基礎(chǔ)；同時需要強調(diào)已學過的大學物理、力學、電工學以及機械工程的相關(guān)知識。機械工程控制中的大部分概念和理論都是比較抽象的，在教學過程中如果不將理論知識和現(xiàn)實聯(lián)系起來講授，則學生對這門課程普遍感覺理論性比較強和現(xiàn)實相脫節(jié)，且難以接受和理解。根據(jù)新工科提出的要求，我們在教學過程中積累相關(guān)教學經(jīng)驗，改變教學方法，將無形的理論通過現(xiàn)代教學方法進行有形化，多采用案例教學，在保證“掌握主要知識點、項目與現(xiàn)代教學方法相結(jié)合教學、鍛煉學生實踐能力”的原則下，應合理安排教學內(nèi)容，不斷調(diào)整教學方法，在有限的課時內(nèi)，保證在基本概念和基本方法講解完成的條件下，更要進行分析方法的應用講授，著力培養(yǎng)學生解決工程實踐能力，培養(yǎng)學生參加各類比賽的實踐操作能力，為此在教學過程中應在以下5個方面作出改變。

1.1 根據(jù)課時情況，合理安排教學內(nèi)容

控制工程基礎(chǔ)課程各章節(jié)理論性強，對學生的基礎(chǔ)要求較高。該課程需要掌握的知識點多，本課程的主要內(nèi)容分為3部分，首先是數(shù)學模型(拉普拉斯變換、傳遞函數(shù))，然后是系統(tǒng)分析方法(時域分析、頻域分析、穩(wěn)定性分析)，最后一部分是3種系統(tǒng)分析方法的應用(系統(tǒng)的綜合與校正)。

首先進行數(shù)學模型講解，這部分是后面兩部分的基礎(chǔ)。時域分析、頻率特性和穩(wěn)定性分析是本課程的主要內(nèi)容，是教學的重點。時域分析是基礎(chǔ)，頻率特性和穩(wěn)定性分析是本課程的難點，該部分內(nèi)容理論性、邏輯性強，難以理解，但這部分內(nèi)容是這門課的關(guān)鍵章節(jié)，是解決工程實際問題的基本工具。這就需要對課程的分析方法熟練掌握，并輔以好的教學策略，從而保證教學質(zhì)量。系統(tǒng)校正是利用3種分析方法設(shè)計控制器及校正裝置，使系統(tǒng)的快速響應性、穩(wěn)定性及準確性滿足控制系統(tǒng)要求。在課時分配上，首先保證第一部分及第二部分基本內(nèi)容的講授，在授課過程中確?；靖拍罴跋嚓P(guān)知識點的掌握；然后根據(jù)所學的基本控制理論知識解決系統(tǒng)的基本問題，幫助學生掌握控制理論的基本知識，建立課程各章節(jié)的聯(lián)系與知識體系。

1.2 充分利用計算機技術(shù)，增加可視性調(diào)動學生學習積極性

機械控制工程基礎(chǔ)傳統(tǒng)講授方式是教師采用板書和多媒體課件相結(jié)合的形式講述課程內(nèi)容，關(guān)鍵公式用板書推導，圖形用多媒體課件演示，對那些比較抽象的內(nèi)容和復雜的圖形學生很難理解，對于課程中出現(xiàn)的Bode圖和Nyquist圖，缺乏可視化的直觀展示[3]，在系統(tǒng)校正講授時，系統(tǒng)分析方法和系統(tǒng)響應圖形都很抽象，學生很難理解；系統(tǒng)分析方法在工程實際中的應用也是學生難點之一，缺乏解決實際工程問題的能力，更是缺少了創(chuàng)新性的培養(yǎng)。

LabVIEW具有界面設(shè)計友好、編程功能強大的特點，能有效彌補課堂授課時系統(tǒng)分析直觀性不足的缺點。因此充分利用了LabVEW測量界面的便捷性和MATLAB/Simulink建模的靈活性，將LabVIEW及MATLAB/Simulink應用到控制工程基礎(chǔ)課程教學過程中，在系統(tǒng)數(shù)學模型中，通過軟件應用可以驗證學生所做題目的正確性；同時學生也體會到兩個軟件的優(yōu)越性，為其今后的專業(yè)學習奠定了基礎(chǔ)。在系統(tǒng)分析方法講授中，二階系統(tǒng)的時域分析是基礎(chǔ)的分析方法，二階系統(tǒng)中的2個參數(shù)(阻尼比、振蕩頻率)對系統(tǒng)動態(tài)性能影響，沒有圖形學生較難理解和掌握。通過課下建立系統(tǒng)時域分析軟件，當給定系統(tǒng)參數(shù)后，軟件界面就可以顯示系統(tǒng)的響應曲線，改變阻尼比和振蕩頻率的大小，可以直觀看到系統(tǒng)兩個參數(shù)對系統(tǒng)響應的影響，利用軟件直觀性的優(yōu)點，將理論分析和實例講授相結(jié)合，有助于學生對枯燥理論知識的理解，也加深學生對這些概念的記憶。

1.3 增加項目教學，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

學生創(chuàng)新意識及能力的培養(yǎng)不僅指要創(chuàng)造出新的事物和物體，更要求學生具有根據(jù)所學的知識解決實際問題的能力[5]。為了提高學生創(chuàng)新能力需要改進教學模式，其中最好的方法就是采用啟發(fā)式教學，引導學生不斷深入學習，或是采用項目任務驅(qū)動教學模式，在任務中提高動手能力，將所學習專業(yè)知識應用到實際項目之中，使理論研究與操作實踐連接得更加緊密[6]。

項目教學是以工程實例講授為輔助的教學法，有助于學生加深課堂教學內(nèi)容的理解，提高學生用所學的知識解決實際問題的能力。項目教學案例選題要貼近工程實例，恰當合理?？刂乒こ袒A(chǔ)是理論性強的專業(yè)基礎(chǔ)課，專業(yè)性比較強，理解比較困難。在卓越班教學中，第一部分以系統(tǒng)數(shù)學模型液壓系統(tǒng)的閥控缸系統(tǒng)建模為例進行講授，閥控缸系統(tǒng)是液壓伺服比例控制系統(tǒng)中最常見的系統(tǒng)，而且怎樣提高閥控缸系統(tǒng)的響應性也是液壓系統(tǒng)的實際問題。在數(shù)學模型建立講授過程中，首先給學生提前布置任務(復習液壓傳動課程中液壓流量方程、壓力方程、動量方程)，課堂上根據(jù)液壓相關(guān)知識及大學物理知識進行閥控缸數(shù)學模型建立；然后根據(jù)建立微分方程的過程，進行系統(tǒng)方框圖的繪制；最后進行傳遞函數(shù)的建立。第二部分系統(tǒng)分析方法教學中，根據(jù)前面建立的閥控缸系統(tǒng)數(shù)學模型進行時域分析和系統(tǒng)參數(shù)對閥控缸系統(tǒng)快速響應性的分析，通過MATLAB計算進行系統(tǒng)的頻率分析。第三部分系統(tǒng)校正教學中，在前面時域和頻率分析的基礎(chǔ)上，改變系統(tǒng)參數(shù)和增加環(huán)節(jié)使系統(tǒng)的響應速度提高。這個項目教學使學生加深對所學理論知識的理解，提高了運用所學專業(yè)知識解決實際問題的能力。

1.4 教學課時有限，充分利用線上資源

由于課程學時有限，僅利用課堂時間內(nèi)將每個知識點都進行拓展較為困難。因此利用好課外時間進行課時的補充是必然的選擇。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，線上教育可以彌補線下教學課時不足的問題，而且在全民“戰(zhàn)疫”背景下，充分利用線上教學內(nèi)容進行線上線下教學融合已成為當前主流的一種教學模式之一。

利用學習通平臺構(gòu)建機械控制工程基礎(chǔ)課程網(wǎng)絡教學平臺，課程網(wǎng)絡平臺分為線上自主學習、網(wǎng)絡視頻課堂、教學資料(電子圖書、電子課件、電子教案等)和線上答疑4部分，逐步形成了線上與線下教學相結(jié)合的教學模式。同時，我們將項目教學內(nèi)容提前放到線上，發(fā)布預習任務，使學生提前知道每堂課的教學內(nèi)容，便于學生預習課堂上所需要的知識，有助于學生理解課堂所講內(nèi)容。設(shè)置討論主題，學生參與討論，通過參與討論的過程，學生加深了對所學知識的理解。線上教學答疑方便學生的難題及時解決，在給同學答疑時，及時了解學生的學習情況，根據(jù)學生反饋情況，教師可以實時調(diào)整教學內(nèi)容，促使教師教學方法的改進。

1.5 “以賽促學、以賽促教”激發(fā)學生興趣，鍛煉工程經(jīng)驗

新工科時代要求學生不僅有深厚的理論知識，還應該強化學生的實踐能力，增加實踐教學內(nèi)容激發(fā)學生興趣，培養(yǎng)學生工程經(jīng)驗。從課程建設(shè)的角度出發(fā)，培養(yǎng)學生的工程經(jīng)驗可以從兩方面著手：一方面通過課程的實驗環(huán)節(jié)，讓學生在實驗中驗證仿真和分析的正確性，感性和理性地認識控制系統(tǒng)的各個方面，另一方面以賽促教，鼓勵學生參加大學生創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)新大賽以及機械綜合類等全國性比賽[3]。

“以賽促學、以賽促教”教學模式，主要是通過大賽鍛煉學生的動手能力及創(chuàng)新意識，將課堂上所學的理論知識和技術(shù)內(nèi)容應用到比賽作品創(chuàng)造之中，通過比賽檢驗學生所學知識應用到實際中的能力，在教學中要求教師的教學方法和學生的學習方法與常規(guī)的截然不同。在比賽中綜合運用所學的知識，提高學生的工程能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和工程思維的建立，激發(fā)學生的課程學習興趣。

大賽對學生應用能力要求較高，因此需要優(yōu)化教學方法，促進從傳統(tǒng)的“教得好”向“學得好”教學方式轉(zhuǎn)變。在教學中將以往大賽中應用的知識作為案例進行講解，這樣既豐富了教學內(nèi)容又激發(fā)同學學習熱情，教師在指導大賽中也鍛煉了解決實際問題的能力，同時也會反哺正常班級課堂教學質(zhì)量的提高。

以學生備戰(zhàn)每年的《“西門子”杯智能制造挑戰(zhàn)賽大賽》大賽自由探索分項為例，通過分析比賽項目內(nèi)容知道，指導教師不僅需要具備機械控制基礎(chǔ)、單片機、氣動控制、PLC編程與調(diào)試、觸摸屏組態(tài)、專業(yè)素養(yǎng)等多方面知識和技能，還需有創(chuàng)新意識，創(chuàng)新意識不僅是對學生的要求，指導教師也需要具有一定的創(chuàng)新意識。在指導學生的比賽中，教師根據(jù)比賽內(nèi)容，參照教學中有針對性強的課程教學大綱，制定出符合學生快速提升技能的教學方案。

2 實際教學效果

2.1 課程考核評價指標

鑒于新工科對人才培養(yǎng)提出了更高的要求，筆者針對機械控制工程基礎(chǔ)課程進行了教學改革，為了更好地評價教學效果，需要進行課程考核評價指標的修訂。評價指標既包含了課堂考勤、課堂互動、項目分組討論等過程性評價考核指標，又包括單元測試、平時測驗、期末考試、課后作業(yè)分值考核評價，建立了客觀反映學生學習情況的一種多維度的考核評價體系[7]。

2.2 期末考試試卷分析

按照改革方案的要求，首先對教學大綱及教學學時分配進行了修改。為了更好的評價教學改革成果，課題組根據(jù)學校的相關(guān)要求設(shè)計了教學計劃相匹配的期末考試細目表(表1)，學時分布、考分分布及期末考試題型見表1，試題難度適中。以2020-2021第二學期2018級機電專業(yè)學生的期末考試成績?yōu)槔煽兘y(tǒng)計如圖1所示，從結(jié)果來看，學生期末考試情況良好，≥90分的占12.5%，80～89分的占38.9%，70～79分的占31.94.5%，60～69分的占16.67%。

表1 機械控制工程試卷明細

考試成績統(tǒng)計成績分布最高分96最低分62平均分82.1成績<6060～6970～7980～89≥90人數(shù)01223289百分比0.00%16.67%31.94%38.89%12.50%

3 結(jié) 語

隨著新工科建設(shè)的出現(xiàn)，高校畢業(yè)生的實踐動手能力培養(yǎng)顯得更加重要。機械控制工程基礎(chǔ)作為機械電子工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，原來的教學主要是傳統(tǒng)的理論教學，給學生感覺這門課抽象難以理解，為了培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，進行該課程的教學改革。本課程改革主要包括理順教學內(nèi)容、采用現(xiàn)代教學方式進行形象化教學、豐富網(wǎng)絡資源便于學生課前練習和課后復習、將課堂上所學的理論知識和技術(shù)內(nèi)容應用到比賽作品創(chuàng)造之中等，有效地培養(yǎng)了學生的實踐能力和創(chuàng)新意識。