面向創新能力培養的自動控制原理教學方法研究*

◆劉海濤 趙娟 李偉洪

面向創新能力培養的自動控制原理教學方法研究*

◆劉海濤 趙娟 李偉洪

以實現卓越工程師創新思維能力的培養為目標，探討機械類自動控制原理課程中進行創新能力培養的教學方法，在教學過程中以MATLAB—Simulink—SimMechanics為工具，把實際案例引入基本概念和基本理論的講解過程中，將課程中的抽象問題具體化、理論性與實踐性相結合，培養學生解決機械工程實踐問題和創新設計的能力。經過多年的教學實踐，課程教學效果明顯得到改善。

自動控制原理；創新能力；卓越工程師；MATLAB

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.090

1 前言

機械類自動控制原理是機械類本科專業學生必修的一門重要專業基礎課，課程的主要內容是根據控制論的理論基礎，研究機械工程技術中廣義系統的動力學問題。本課程的主要目的在于培養學生以系統、動態的觀點研究分析一個機電系統，運用控制論中的基本概念和方法，解決機械工程領域中有關自動控制方面的問題［1-2］。廣東海洋大學工程學院的機械類及熱能動力類專業學生均采用的是由華中科技大學出版社出版的國家級精品課程教材。

教育部“卓越工程師教育培養計劃”（以下簡稱“卓越計劃”）旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務。其主要特點之一是強化培養學生的工程能力和創新能力，特別重視國家產業結構調整和發展戰略性新興產業的人才需求，適度超前培養人才。因此，工程能力和創新能力是各種層次和各種類型卓越工程師的核心能力，也是卓越工程師之所以“卓越”的重要標志［3］。自動控制原理作為機械類專業的重要專業基礎課程，其課程內容及要求需要遵循“卓越計劃”的培養要求。

本文從卓越工程師工程和創新能力培養的角度，結合近幾年教學中遇到的問題和一些經驗教訓，將MATLAB中的SimMechanic工具箱引入課堂，并從教學方法、實踐環節等方面進行探討。

2 目前存在的主要問題

自動控制原理這門課內容豐富、知識點多、理論性強、比較抽象，需具備扎實的數學基礎和其他相關學科知識等。但是由于學生對相關基礎知識掌握不牢固，對學科交叉的內容理解不夠，導致對該課程的學習存在較大困難。目前主要存在的問題包括：學生對課程無興趣，學習積極性不高，缺乏學習主動性；一些基本概念較抽象，學生難以理解，理論內容較枯燥，與實踐聯系不緊密；學生綜合分析問題、解決問題的能力不夠；并且學生在學習過程中存在越學越糊涂的現象，無法把握課程的主線以及前后內容的系統性和連續性。鑒于存在的問題，為增強教學效果，培養學生分析問題和解決問題的綜合能力及創新實踐能力，本文主要從教學方法、實踐環節兩方面進行改革與探索。

另外，本課程需要應用物理學、電子學、力學等知識建立系統的數學模型，即將機電液系統抽象為數學模型的形式，進行控制性能分析和設計計算。因此，要求學生具有扎實的數學、物理、力學、電子學等基礎知識。數學方面要具備復數、復變函數、拉氏正逆變換的基本概念和基本運算定理，但是機械專業的學生大多數沒有學習過工程數學，因此需要有針對性地補充與本課程直接相關的數學知識；而其他方面的技術知識在教學過程中根據需要適當進行補充。

3 教學方法改革

激發學生的興趣從緒論開始 課程的第一堂課非常重要：一是讓學生了解這門課主要學習的內容；二是讓學生了解教師的教學風格；三是最重要的，是讓學生喜歡上這門課，激發學生對本課程的興趣。因此，在教學過程中采用參與式、激勵式以及啟發示教學方法，首先播放一些與機械控制相關的視頻，使學生對機械類自動控制原理這門課程有感性的認識，產生濃厚的學習興趣，讓“控制無處不在”“以系統的角度分析問題”等觀點深入人心。同時將生活中常見的空調、電熱水器、冰箱等具體事例引入課堂，讓學生參與討論，分析它們的工作原理，加深學生對控制和反饋概念的理解。

為了活躍課堂討論的氣氛，設定以下規則：每位學生主動參與一次討論，回答無論對錯，平時成績加2分，而被動參與（如教師點名參與）不加分。回答錯也加2分，緩解了學生的心理負擔，有效調動學生的積極性。實際上每位學生礙于情面，都會認真思考，爭取回答正確。實踐證明，該規則很有效，學生回答問題也無所顧及，課堂氣氛比較活躍，平常不愛說話的學生也變得主動。最后多讓學生參與到課程的講授過程中，提高他們的學習興趣。通常在每堂課設置1～2道練習題，讓學生主動講授自己的解題思路，教師點評，有助于學生對知識點的掌握、鞏固，也加強了教師與學生之間的互動。

另外，在每堂課的開始，盡量采用啟發式教學給學生演示一些相應控制系統的仿真實例，讓學生觀察現象，引導學生發現問題并分析原因，從而引出本堂課需要講解的新理論，激發學生對講解內容的興趣，使學生很想知道接下來會發生什么。總之，在課堂上應盡量調動學生的積極性和主動性，讓學生真正參與課程的學習與討論。

將抽象的內容具體化 對于抽象的問題，學生理解困難，也難以掌握。在教學過程中遇到比較抽象的定義和方法時，若能夠結合一些具體形象的例子，能產生事半功倍的效果。為此，在講授一些抽象的定義或方法時，引入MATLAB的SimMechanics工具箱，將一些數學模型轉換為實體模型，講解起來更形象，學生也比較感興趣。如典型的質量—彈簧—阻尼二階系統可以建立圖1所示SimMechanic模型，質量塊的運動就等效為圓球的運動（彈簧及阻尼不畫出），如圖2所示。

其中輸入為物體受到的外力f（t）， 輸出為物體移動的位移y（t）， 則系統的傳遞函數為：

圖2 彈簧—質量—阻尼系統等效實體模型

圖3 二階系統的階躍響應

通過改變系統參數m、c、k的值就可以獲得不同的性能。如m=1 kg，k=1 N/m，c=1.4 N/（m/t）時，可以獲得如圖3所示的階躍響應。

基于此，學生可以求得系統的阻尼比，并且改變系統的參數，讓學生看看系統的階躍響應如何，使學生理解系統的性能由系統的固有特性（結構參數）決定，跟外界條件無關。同時，學生可以學習MATLAB中的SimMechanicsa工具箱，來建立其他類似的機電系統，如倒立擺模型等，以此將抽象的問題具體化，激發學生的學習興趣。當然也可以利用MATLAB的軟件編程建立系統的數學模型，但是不夠形象具體。

圖1 彈簧—質量—阻尼系統模型

培養學生的實踐動手能力和創新能力 在整個教學過程中充分利用MATLAB軟件編程、Simulink以及SimMechanics工具箱的作用，讓學生在學會這些工具的同時，能夠加深對基本知識的理解。對每一章的例題及習題，嘗試讓學生用MATLAB進行仿真，從而熟練掌握系統的數學建模、時域性能分析、頻域性能分析、穩定性分析以及性能校正的仿真方法。

除完成正常課程的實驗外，鼓勵學生參與教師的科研活動，同時指導學生開展課外科技創新活動，培養學生的應用開發能力。如最后要求學生嘗試用Simulink工具箱、SimMechanics模塊等搭建機電液控制系統的虛擬實驗平臺，并對系統的性能進行實驗研究，整理實驗數據，分析系統參數對系統性能的影響規律，評價系統性能，然后根據所學理論知識設計控制策略，進行系統性能校正，達到期望的性能指標。通過數學建模、創新設計和性能分析等，從而培養學生的實踐動手能力和創新能力。

4 結論

在機械類自動控制原理課程教學中，以機電液系統的具體案例及“卓越計劃”培養目標為導向，結合機械類本科生的實際特點以及存在的問題，從教學方法和手段上加強課程知識和實踐的緊密聯系性，引入MATLAB、Simulink 及SimMechanics工具箱的仿真環境，讓學生在學習基礎理論的基礎上，能夠將所學理論知識真正應用于實踐，培養學生的創新能力。近幾年的教學實踐及學生反饋，說明教學效果良好。■

［1］楊叔子，楊克沖，等.機械工程控制基礎［M］.6版.武漢:華中科技大學出版社，2012.

［2］董明曉，李瑞川，等.面向工程實踐能力培養的《機械工程控制基礎》課程教學方法探索［J］，教育教學論壇，2013（5）:81-83.

［3］林健.卓越工程師創新能力的培養［J］.高等工程教育研究，2012（5）:1-17.

［4］張智煥，張惠娣.機械工程控制的虛擬仿真實驗教學實踐［J］.實驗技術與管理，2014，31（7）:102-103，111.

［5］馮靜安，王衛兵，魏敏，等.機械工程控制基礎課程教學方法研究［J］.教育教學論壇，2013（22）:61-62.

G642.4

B

1671-489X（2015）24-0090-03

*項目來源：2014年廣東海洋大學研究生創新計劃項目“全日制專業學位研究生培養模式創新與實踐研究”，2014年廣東省研究生教育創新計劃項目“機械工程全日制專業學位研究生的項目驅動式培養模式創新研究”。

作者：劉海濤、趙娟，廣東海洋大學工程學院副教授；李偉洪，廣東海洋大學工程學院實驗師，研究方向為機器人技術及工程應用（524088）。