車輛工程專業《機械工程控制基礎》教學改革

沈長青　石娟娟　謝靖　祁玉梅　朱忠奎

摘 要：《機械工程控制基礎》是機械類專業一門重要的必修課，隨著新工科教育的提出，如何在課程學習中提升學生的實踐能力、分析問題與解決問題以及創新能力是該課程亟需解決的難題。本文以車輛工程專業為例，分析了該課程教學存在的問題，并結合新工程教育，根據學生特點優化教學內容，采用虛實結合、中心轉換的教學方法幫助學生能夠更好地掌握課程內容并運用于工程實踐。

關鍵詞：機械工程控制基礎 車輛工程 虛實結合 中心轉換

Teaching Reform of “Mechanical Engineering Control Basis” for Vehicle Engineering

Shen Changqing，Shi Juanjuan，Xie Jing，Qi Yumei，Zhu Zhongkui

Abstract：“Mechanical Engineering Control Fundamentals Basis” is an important compulsory course for mechanical majors. With the introduction of new engineering education， how to improve students' practical ability， analyze problems， solve problems， and innovate in the course of study is an urgent problem to be solved. This article takes the vehicle engineering major as an example， analyzes the problems in the teaching of the course， and combines the new engineering education， optimizes the teaching content according to the characteristics of the students， and uses the teaching method of combining virtual and real and center conversion to help students better master the course content and use it in engineering practice.

Key words：mechanical Engineering Control Basis， vehicle Engineering， combination of virtual and reality， center conversion

1 課程性質

《機械工程控制基礎》是機械類專業的一門專業必修課，理論性強、難度大，主要介紹自動控制論的基本概念、基本控制原理與方法，包括如何建模，如何進行系統設計與分析，以及性能校正[1]。目的在于學生能夠結合具體的工程實際，針對具體的機械控制系統進行定性、定量分析，以及根據具體的性能要求實現系統校正。對于提升學生今后的工程問題分析與解決能力具有重大意義[2]。

2 課程教學存在的弊端

（1）該課程涉及大量的基礎課程支撐，理論性強，難度大，尤其對于數學基礎較薄弱的車輛工程專業的學生。例如他們沒有學過拉氏變換，因此在建立系統的數學模型-傳遞函數時存在困難，覺得又難又枯燥，只想被動接受知識。而該課程的系統性又很強，基礎沒打好，后面的知識更難學。（2）授課過程往往出現重理論，輕實踐的現象。理論推導與公式計算充滿整堂課，與工程實踐的結合卻被忽視，理論與實際的工程應用嚴重脫離，從而導致課程的實際意義被大量復雜繁瑣的公式所掩蓋[3]，學生完全不明確這些理論的實際應用價值，更無法與自己的生活或者工作建立聯系，學習興趣大大降低。（3）課堂以教師為中心，學生活躍度很低，這也是傳統教學方式的弊端，主要考慮以下2方面原因：①內容多，課時少，難度大，不可避免地導致課堂上教師為中心，過分強調教師的教，而忽略了學生的學。②由于課程本身比較抽象、難度大，從而學生的興致與積極性不高，在課堂上只想充當配角。這種教學模式最終導致學生僅僅會記公式或套結論去完成考試，無實質性收獲，更無法應用于具體的工程實踐。

總體而言，由于課程的特殊性、學生淺薄的知識儲備情況，以及傳統教學模式的弊端，面對大量繁瑣的公式推導和計算，以及抽象的概念，教師覺得難教，學生更覺得難學，教與學的效果均不理想。

3 改革措施

根據新工程教育對學生提出的要求，如何完善課程教學體系，使得學生在有限時間內掌握控制理論與方法，并將其運用于具體的工程實踐[4]，提升學生的工程能力，包括分析問題、解決問題能力以及創新能力，可從以下幾個方面進行改進。

3.1 教學內容

（1）考慮車輛工程專業學生缺少相應課程基礎，因此在介紹具體內容之前可補充相關知識。例如在介紹系統建模前，可補充介紹拉普拉斯變換。（2）鑒于車輛工程專業學生非數學專業，數學基礎比較薄弱，因此在授課過程中盡量減少大篇幅的公式推導，著重在于實際的理解和應用。（3）教學過程中不可避免地會利用案例幫助學生更好地理解知識。案例的選取應充分結合學生的特點。（4）教師應不斷更新教學內容以適應新時代和企業的要求。

3.2 教學方法

第一：虛實結合[5]，弱化理論推導，強化理解與應用。

課程中包含大量的“虛”的內容，例如抽象的概念以及復雜的公式推導，如果僅僅強調“虛”，學生的學習興趣會大大降低，而且無法真正理解與應用，學習效果十分不理想。因此，應重點引入“實”的內容，虛實結合，將理論運用于實踐，強化學生對內容的理解與應用，主要可從以下幾方面著手。

3.2.1 引入工程案例，激發學習興趣

在教學過程中引入“實”的工程案例。相比起“虛”的公式推導以及文字介紹，形象生動的工程實例既能激發學生的學習興趣，又能幫助學生更好地理解所學內容。例如，在緒論部分，可通過引入工程案例幫助大家了解自動控制系統，感受自動控制理論給生活帶來的便利，從而發覺課程的學習意義，大大激發學習興趣。在介紹系統的分析以及性能校正時，同樣可以通過實例幫助大家理解相關理論。

選擇工程案例時需要注意幾點：一、充分考慮學生的所學專業，這樣便于學生更好地接受與理解。例如，針對車輛工程專業學生，其接觸較多的屬機械系統，因此可選取生活中的一些機械系統為例，或者選擇他們比較感興趣，覺得比較高大上的例子，如無人駕駛汽車，里面存在許多的自動控制現象，充分調動學生的積極性;二、所選案例應能貫穿整個教學過程[6]，而不是零散的案例。這是因為課程本身綜合性很強，章節之間聯系緊密，若所選案例能貫穿始終，對于學生整體把握所學內容具有很大的幫助。

3.2.2 結合Matlab，弱化抽象理論，形象化實際應用過程與結果

利用Matlab可以很方便地對系統進行分析，包括求響應、性能指標，繪圖判斷系統的穩定性等。能夠有效避免復雜的公式推導，形象化實際結果。對于老師而言，可以節約時間，對于學生而言，求知過程不再繁瑣枯燥。例如圖1和2是系統的Nyquist圖和Bode圖，實際結果更加直觀與生動，化“虛”為“實”，學生的學習興趣大大提升，教與學之效率明顯提高。

另外，Matlab作為工程常用軟件，引入Matlab即將“實”的工程處理方法與手段引入課堂，形象化實際應用過程，有效回答了學生關于“課程內容在實際工程中如何應用的問題”。課后學生也可以自己編程實現相應系統的分析與設計，提高他們的動手實踐能力，并且有利于學生更好地掌握知識并將其運用于日后的工程實踐中。如某系統的傳遞函數為，學生可嘗試取不同a下系統的單位脈沖響應以及單位階躍響應，如圖3和4所示，還可以計算系統的時域性能指標。

3.2.3 組織參加競賽類項目，學以致用

課余時間應組織學生多參加競賽類項目，在項目中充分發揮個人潛能，將所學用于實踐，化“虛”的理論為“實”的項目成果。例如，教師可組織車輛工程專業學生參加恩智浦杯智能汽車競賽、中國機器人大賽等。首先在班級組隊，然后各隊圍繞項目要求開展實施，在這過程中會涉及到控制論的許多知識，也會遇到許多困難，這些都需要學生自己去解決。不論最終結果如何，各位學生都在此過程中對課程知識有了更深的理解，對于提高他們分析與解決問題的能力以及創新能力意義重大。

3.2.4 校企融合，與實際工程實踐接軌

除了正常的學校學習外，教師應在學校的幫助下，帶領學生走入企業，拋去“虛”的圖紙，去看“實”的控制系統。例如對于車輛工程專業的學生而言，可以去軌道公司的控制室參觀學習，或者去某些車企感受一下研究人員對自動駕駛技術的研究，充分讓學生感受到課程所講授的知識不是“虛”的，而是實實在在工程中需要用到的。

第二：轉變教學模式，以學生為中心。

傳統的教學模式都是以教師為中心，學生是配角，如今應強調學生的主體地位，以學生為中心，教師為指導，充分培養學生的實踐能力，提高他們的自主學習能力。例如上述所提到的參加競賽類項目，就是一種以學生為中心的教學模式。另外也可以在介紹完一章內容后，請同學自選案例，并向其余同學介紹自己是如何實現系統的建模，分析與性能校正的。

4 結語

通過進一步完善教學內容以及教學方法，力求虛實結合，變抽象為生動，使得學生能夠充分理解課程內容，并將其運用于工程實踐，不斷提高學生的自主學習能力、以及分析問題、解決問題能力和創新能力，符合新工科教育、新時代和企業對學生提出的要求。除此外，教師也應該不斷完善自身，教學與科研并重，為學生提供更優質的學習資源。

參考文獻：

[1]楊叔子，楊克沖等.《機械工程控制基礎》[M]，第七版，華中科技大學出版社，2018.

[2]胡月明，張龍，袁奎，陳家兌，趙津，張大斌. “機械工程控制基礎”課程教學模式改革[J].科教導刊（中旬刊），2020，14（05）：112-113.

[3]齊建家，孫玉芳，竇建華，劉桂波，何文廣. 《機械工程控制基礎》課程多元化教學方法改革與探索[J]. 中外企業家，2020，（06）： 198-199.

[4]許明，倪敬，陳國金.《機械工程控制基礎》教學改革探討[J].教育教學論壇，2013，（17）： 42-43.

[5]鐘志賢，楊桂華.“虛實結合”的《機械工程控制基礎》課堂教學改革實踐[J]. 科技創新導報，2015，12（09）：97-98.

[6]何一文，李珍，周先輝.《機械工程控制基礎》課程建設與教學改革探索[J].南陽師范學院學報，2016，15（06）：73-75.