機械控制工程中案例化教學的改革及實踐

袁明新，王 琪，洪 磊，張 鵬，申 燚

(江蘇科技大學機電與汽車工程學院，江蘇張家港215600)

機械控制工程中案例化教學的改革及實踐

袁明新，王 琪，洪 磊，張 鵬，申 燚

(江蘇科技大學機電與汽車工程學院，江蘇張家港215600)

針對機械控制工程教學中的不足，在課程改革思路基礎上，重點探討了基于工程案例驅動的教學模式。通過啟發型案例激發學生的學習興趣;通過認知型案例詮釋教學重點和難點;通過設計型案例提高實踐環節質量。教學實踐表明，案例驅動教學發揮了學生主動性，培養了學生創新能力，改善了教學效果。

控制工程;案例化教學;教學模式;改革及實踐

機械控制工程是機械類專業的重要技術基礎課，重點研究控制論在機械工程中的應用，具有理論性強、知識點多、內容抽象等特點，學生經常感到枯燥、乏味。如何通過課程教學改革來激發學生學習興趣，進而改善教學效果，是近年來一線教師所不斷探索的內容。目前機械控制工程教改內容主要有［1－3］:(1)通過制定新教學大綱來整合教學內容，優化教學體系;(2)采用現代教育技術來提高教學效率;(3)采用啟發式教學來激發學生學習興趣;(4)建立科學合理的考核體系等。一系列改革在提高學生學習興趣、發揮學生學習主動性等方面起到了促進作用，但學生的系統設計能力提高并不明顯。針對控制工程課程特點及教學現狀，課題組深入開展了該課程的教學改革，重點研究了基于工程案例驅動的教學方法。教學實踐表明，課程改革有效地改善了教學效果，提高了學生知識掌握和應用能力。

一 機械控制工程課程改革思路

機械控制工程課程具有較強的工程應用背景，而學生自身往往缺乏工程實戰經驗，如何上好這門核心

專業基礎課，課題組深入開展了課程改革，并從以下四個方面進行了探索和實踐。

(一)教學內容改革

在掌握控制論基本原理的基礎上，進一步整合和精簡教學內容，優化教學體系。課題組精選了“十一五”國家級規劃教材《控制工程基礎》［4］作為教學教材，將控制系統基本概念、數學模型、時域分析、頻域分析和PID控制及其應用作為課程的主要教學內容。值得一提的是，在PID控制部分，在新教學大綱里，課題組完全從應用角度出發，將以往偏理論的控制系統設計和校正內容，改為講授PID控制器含義、模擬PID、位置式和增量式數字PID、PID各環節作用以及PID整定。從課堂反映來看，學生能比較清晰地掌握PID控制器知識點;從后期實踐來看，學生也能熟練運用PID去設計系統，達到了教學改革的目的。

(二)教學方式改革

課題組根據實際情況，采用了分層次教學。即對于不打算考研，以學以致用為主的學生，在闡述清楚控制理論基本知識基礎上，將重點放在了知識點的應用。而對于想繼續深造的同學，則以講座形式進行內容補充，比如開設了根軌跡、非線性系統分析等，這樣既不影響前者，又滿足了后者的考研需求。

(三)教學手段改革

課題組基于現代教育技術來提高教學效果。首先將多媒體圖文并茂、音像豐富、信息量大的優點，與板書條理清楚、重點突出優點有機結合;其次利用中國數字大學城平臺，建設了《自動控制基礎》精品課程網站，完善了答疑、討論和交流模塊，方便了學生課后復習以及與主講教師的交流等。針對控制工程課程中數學含量多，公式推導麻煩的問題，課題組還利用Matlab軟件，針對數學模型、時域分析、頻域分析和PID控制等內容開發了相應的計算機輔助教學系統，將抽象理論更加具體化和直觀化。

(四)教學方法改革

教學方法直接關系到課程最終的教學效果，教學手段再先進，方法不得當也不能激發學生學習興趣，提高學生學習主動性。為此課題組從知識結構以及應用角度出發，將教學與工程背景相結合，根據不同的教學內容設計不同的工程案例，提出了基于工程案例驅動的教學模式。

二 工程案例驅動的教學模式

課題組所提出的案例驅動教學，其本質上是將理論教學與工程實踐相結合，通過工程案例來激發學生的學習興趣，發揮學生主體性，讓其主動去學，同時又借助工程案例來加強學生的創新和實踐能力的培養。為此，根據教學要求，課題組設計了若干工程案例，并將其劃分為三種類型:啟發型、認知型和設計型。

(一)啟發型案例教學模式

啟發型案例主要是針對課程或章節，采用一些綜合性工程案例讓學生了解課程或章節的重要性，進而激發學生對后續知識點的學習興趣。在課程開篇之際，為了激發學生學習興趣，并了解控制本質。課題組提供了一段學院學生獲獎的“飛思卡爾”智能車比賽視頻，先將學生思緒引入到賽車的速度激情中去，然后引出思考:如何在高速下讓賽車(如圖1)沿著黑線走但不沖出賽道?進而過渡到系統的控制本質:檢測光電傳感器中心點與黑線的距離偏差，并糾正偏差。通過比賽視頻，學生們在掌握系統控制本質同時，也紛紛表示要加入到學院智能機器人實驗室，從而給控制工程教學開了一個好頭。

圖1 光電組比賽用賽車

除課程開篇之際，我們在其它章節也同樣引入了工程案例，比如在講述時域分析時，引入了高等級公路動態稱重系統，在講述頻域分析時引入了上世紀沙俄部隊齊步振跨橋梁的案例。

(二)認知型案例教學模式

認知型案例主要是針對教學中的重點和難點，利用一些小型或局部性工程案例來詮釋知識點。控制工程知識點多而抽象，難以理解，為此課題組針對知識點設計了認知型案例。比如:在系統組成知識點上，設計了溫箱自動控制系統案例來詮釋系統組成及其作用。在比例環節知識點上設計了齒輪傳動副等等。認知型案例讓抽象的知識點直觀化，從而幫助學生消化和掌握知識點。

(三)設計型案例教學模式

設計型案例主要是通過提供可供操作的工程項目，讓學生將所學的理論知識實現工程應用，進而培養學生的實踐動手能力和創新能力，實現實踐向創新型和研究型轉變。為此，課題組從以下三個方面進行了探索和實踐。

(1)實驗項目。由于實驗學時少，目前機械控制工程所開設實驗，主要按圖索驥地搭建電路圖來模擬典型環節，或測試二階系統的時域響應和頻率響應等。所有參數都參考實驗指導書，大大弱化了學生的主動性。為了改變這種狀況，課題組在實驗前先提供一些機械平移系統和電氣系統等，讓學生先運用課堂知識建立微分方程，獲得系統數學模型，然后再借助實驗設備來模擬或測試系統時域響應和頻率響應，這樣在強化實驗同時也融合了課堂知識。此外，針對志在考研的同學，課題組也根據補充講座內容設置了1～2學分課外開放實驗項目，滿足他們以及其他感興趣的同學。

(2)大學生本科創新。為了培養大學生的創新精神和實踐能力，鼓勵和支持大學生盡早地參與科學研究和技術開發等創新活動，同時更好地體現課程改革中“工程驅動”的思想，針對學校的大學生本科創新項目，課題組聯合學有余力的同學積極申報了若干以控制為主的項目，比如校級重點本科創新項目:服務機器人導航運動控制系統設計，就是集合了控制工程中的數學建模、時域分析、PID控制等知識，通過該項目很好地將課程所學的知識點進行了前后貫通，從而培養了學生實踐能力和創新能力。

(3)大學生競賽。為了進一步加強大學生實踐、創新能力和團隊精神的培養，課題組每年還選拔一部分優秀學生，開發一些設計性項目去參加各類比賽。比如2010年設計了“四軸飛行器”參加了江蘇省機械創新比賽，2010、2011年連續兩年參加了全國“飛思卡爾”智能車比賽，這些項目無一例外都涉及到系統控制。學生在獲得榮譽的同時，都一致認為參加比賽不僅培養了創新能力和團隊協作精神，也提高了分析問題和解決問題的能力。

案例驅動式教學一方面可以較大程度地激發學生的學習興趣，發揮他們主體性來主動學習、主動實踐;另一方面也對教師的業務水平提出了更高的要求，不僅要求有比較深的理論知識，而且要求有工程實踐經驗，只有這樣才能更好地完善教學。

三 案例化教學設計及實踐

為了進一步闡述如何進行案例化教學，本節以教學內容第五部分，即PID控制及其應用為例進行教學設計及實踐。近年來，雖然智能控制等都得到了很大發展，但基于PID的工業現場控制仍占據主要地位。PID教學若直接從理論著手，學生很難理解和接受。為此課題組首先設計了一個啟發型案例——恒溫箱控制，讓學生從主觀上認識到是否增加PID控制策略、以及PID控制器參數的優劣對系統的影響。

圖2為某恒溫箱系統的階躍響應曲線［5］，其類似于帶延遲的一階慣性環節的響應曲線。

圖2 溫箱階躍響應

根據切線法等即可獲得該系統的數學模型:

為了體現出PID在恒溫箱控制中的作用，以及控制器參數(kp、ki、kd)的影響。課題組首先將系統在無控制策略情況下的輸出(圖3)展現給學生，由圖可以看出系統是發散的，不能實現恒溫控制。然后對系統增加PID控制策略，從而獲得圖4的系統輸出。對比圖3和圖4，讓學生明白增加PID控制策略后，系統能基本上收斂于設定值35℃，由此看出給系統施加PID控制的重要性。接著進一步引導學生仔細觀察圖4，可以發現溫度雖收斂但在設定值處出現振蕩，這對于系統的穩定性來說不是很好。為什么會造成這種情況呢?可以提出這個問題讓學生思考，并最終給出解釋——那是因為PID控制器參數選擇不當造成的。圖4的控制器參數是通過常規的試湊法獲得的，其值為:kp=20、ki=0．01、kd=90。最后給出經過遺傳優化的結果(圖5)。由圖可以看出，系統響應速度更快、更平穩。此時的PID 參數值分別為:kp=10．23、ki=0．03、kd=7．95。通過該啟發型案例，可以向學生傳遞兩個信息:一是PID控制策略對系統的控制很重要;二是參數的整定對系統控制的精度和穩定性很重要。

圖3 無任何控制策略的系統輸出

圖4 基本PID的系統輸出

圖5 遺傳優化PID的系統輸出

四 結 語

針對機械控制工程課程特點，課題組開展了一系列旨在提高教學質量的教學改革，并將基于工程中項目驅動的教學方法作為研究重點。案例化教學實施至今已接近兩年，期間課題組組織學生成功申報近10項與控制相關的各類本科創新項目，其中2項為江蘇省大學生實踐創新訓練計劃，與學生合作發表論文6篇，申請發明專利1項，“四軸飛行器”在2010年江蘇省機械創新大賽中榮獲二等獎，“飛思卡爾”智能車在2010年榮獲華東賽區光電組一等獎、全國二等獎，在2011年榮獲華東賽區光電組和攝像頭組兩個二等獎，電磁組三等獎。教學實踐表明課題組的教學改革是有效的，而基于項目案例驅動的教學模式，對激發學生的學習興趣，培養學生的創新能力、團隊協作精神，提高分析問題、解決問題的能力起到了極其重要的作用。

［1］楊匯軍，張 健．“自動控制理論”課程實驗教學改革的研究與實踐［J］．實驗室科學，2010，13(6):20－22．

［2］王培良．自動控制理論課程建設與改革的探索［J］．電氣電子教學學報，2005，27(5):21 －23．

［3］付主木，高愛云．自動控制理論課程教學改革探索［J］．中國現代教育裝備，2010(5):84 －86．

［4］王積偉，吳振順．控制工程基礎［M］．北京:高等教育出版社，2010．

［5］徐亞飛，劉官敏，高國章等．溫箱溫度PID與預測控制［J］．武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2008，28(4):554－557．

G642．4

A

1674－5884(2012)05－0137－03

2012－03－15

江蘇科技大學教改教研課題“機械原理與設計課程群的實踐環節體系與內容的創新探索”;張家港校區機電控制類課程群建設——案例化教學模式探索及實踐;張家港校區機械電子工程重點專業建設項目

袁明新(1978－)，男，江蘇如東人，講師，博士，主要從事系統控制、移動機器人導航等方面的研究和教學。

(責任編校 朱正余)