“機械工程控制”教學(xué)新模式探討與實踐

肖成龍

摘 要：文章指出“機械工程控制”教學(xué)中采用以多媒體講授為主的常規(guī)模式存在的不足，并提出以板書結(jié)合MATLAB仿真為主，多媒體講授為輔的教學(xué)新模式。實踐表明采用新的教學(xué)模式可極大地吸引學(xué)生們課堂上的注意力，增強學(xué)生與教師間的互動，活躍課堂氛圍，提高教學(xué)效果。

“機械工程控制”是機械專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，以工程技術(shù)領(lǐng)域中的機械系統(tǒng)作為研究對象，研究其在外界作用下的動力學(xué)問題。具有理論性較強、教學(xué)內(nèi)容豐富，但學(xué)時少、理論知識與機械工程實際問題的聯(lián)系不緊密等特點。近幾年筆者一直擔(dān)任該課程的主講教師，發(fā)現(xiàn)采用以多媒體講授為主的常規(guī)模式使學(xué)生們在學(xué)習(xí)該課程時普遍產(chǎn)生興趣缺乏等現(xiàn)象，導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性差、教學(xué)效果不佳等問題。

為此，筆者對該門課程的教學(xué)方式進行改革，摒棄常規(guī)模式，采用板書結(jié)合MATLAB演示為主、多媒體講授為輔的新模式，并在教學(xué)過程中進行了實踐。結(jié)果表明這種新的教學(xué)模式較常規(guī)模式具有明顯優(yōu)越性，下面筆者就以“機械工程控制”中三部分典型的教學(xué)內(nèi)容作為案例，闡述這種教學(xué)新模式的具體實施過程。

一、Laplace變換與逆變換

筆者在講述該章節(jié)時，首先給學(xué)生們復(fù)習(xí)了復(fù)數(shù)和分步積分的相關(guān)知識。然后，基于Laplace變換的定義，采用板書形式導(dǎo)出了幾種典型輸入信號對應(yīng)的Laplace變換函數(shù)，并證明了Laplace變換的一些基本性質(zhì)；此外，還闡述了利用部分分式法求解有/無重極點復(fù)變函數(shù)Laplace逆變換的步驟。最后，筆者向?qū)W生們演示了如何利用MATLAB來實現(xiàn)時域信號的Laplace變換和復(fù)變函數(shù)的Laplace逆變換計算。

二、振蕩環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)

筆者在講述該章節(jié)時，以振蕩環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)為例，定量地評估參數(shù)ωn和ζ對響應(yīng)曲線的影響規(guī)律。為此，筆者首先針對ζ=0、0<ζ<1、ζ=1和ζ>1這四種情況采用板書的形式分析了對應(yīng)的傳遞函數(shù)G（s）的零極點在復(fù)平面的分布情況，并分別導(dǎo)出了這四種情況對應(yīng)的單位階躍響應(yīng)解析式；其次利用MATLAB軟件對四種情況的單位階躍響應(yīng)進行仿真，觀察參數(shù)ζ對響應(yīng)曲線形狀的影響規(guī)律，結(jié)合圖形對結(jié)果產(chǎn)生的原因進行解釋并建立曲線形狀與零極點分布之間的邏輯聯(lián)系；最后，筆者以欠阻尼情況為例，通過對ωn賦不同的數(shù)值探討ωn對欠阻尼振蕩環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)曲線形狀的影響。

三、頻率特性對數(shù)坐標(biāo)圖的繪制

正確繪制系統(tǒng)頻率特性對數(shù)坐標(biāo)圖是準(zhǔn)確分析系統(tǒng)頻率特性和判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定的前提。筆者在講述該章節(jié)的內(nèi)容時，首先采用板書的方式就典型環(huán)節(jié)的頻率特性表達式進行了推導(dǎo)，演算各環(huán)節(jié)對應(yīng)的幅頻和相頻表達式，并作出相應(yīng)的頻率特性對數(shù)坐標(biāo)圖。其次，結(jié)合實例針對復(fù)雜系統(tǒng)的頻率特性對數(shù)坐標(biāo)圖的繪制步驟進行講解。最后，筆者利用MATLAB軟件演示了典型環(huán)節(jié)和復(fù)雜系統(tǒng)的頻率特性對數(shù)坐標(biāo)圖的精確繪制方法，并與手工繪制的近似曲線進行對比分析。

筆者采用如上所述的教學(xué)模式進行了近兩年的課堂實踐，通過對比發(fā)現(xiàn)采用這種新教學(xué)模式可顯著提高教學(xué)效果。其原因可能有：①打破了傳統(tǒng)的以老師單純地講授枯燥乏味的理論知識為主導(dǎo)的上課模式，引入了邊學(xué)習(xí)理論知識邊在計算機上進行驗證理論的實踐環(huán)節(jié)，豐富了課堂內(nèi)容；②課堂上交互式的人機界面操作和豐富多彩的動態(tài)仿真曲線極大地吸引了學(xué)生們的注意力和興趣；③增強了學(xué)生與教師之間的互動與交流，活躍了課堂氛圍的同時也拉近了學(xué)生與教師之間的距離，顯著提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

本文提出了一種以板書結(jié)合MATLAB仿真為主、多媒體講授為輔的“機械工程控制”教學(xué)新模式，并在實際的教學(xué)過程中進行了為期兩年的實踐。結(jié)果表明：與以多媒體講授為主的常規(guī)教學(xué)模式相比，采用這種新教學(xué)模式豐富了課堂內(nèi)容，極大地吸引了學(xué)生們興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，顯著提高了教學(xué)效果。

參考文獻：

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