基于產出導向的“機械控制工程基礎”課程教學體系改革及實踐

李小虎 王朝暉 郭艷婕 張進華

[摘 要] 針對“機械控制工程基礎”課程理論內容多、與實際工程結合難等問題，嘗試對該課程進行改革。首先確定“機械控制工程基礎”的教學目標、思路和內容，其次提出理論知識與科研項目、工程實踐相互印證的多元教學方法，最后建立以學生培養達成度為目標的機械控制工程教學評價體系，形成以提升學生綜合能力為導向的課程拓展創新環節。通過該課程教學改革的初步嘗試，培養了學生在實際機械工程中的系統分析與設計能力。

[關鍵詞] 機械控制;教學改革;教學目標;教學評價

[基金項目] 2020年度西安交通大學名課程、思政課程建設項目，新工科研究與實踐項目“智能制造對新型工程科技人才的培養需求及對策研究”;2017年度教育部產學合作育人項目“以產品研發工程鏈的機電類項目式實踐教學方法研究”（201702008021）;2017年度科技部創新方法工作專項“多層次多模式的高校創新方法人才培養體系建設與示范”（2017IM030100）

[作者簡介] 李小虎（1976—），男，江西萍鄉人，博士，西安交通大學機械工程學院副教授，主要從事復雜機電系統優化控制研究。

[中圖分類號] TH165 ? [文獻標識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）49-0052-04 ? ?[收稿日期] 2021-06-26

一、引言

2016年6月，我國正式加入華盛頓協議，標志著我國高等工程教育與國際接軌。協議規定了大學人才培養目標和畢業要求等多個環節，同時要求大學的課程架構、教學與評價要圍繞這些規定的環節來開展[1，2]。“機械控制工程基礎”是西安交通大學機械工程專業的必修核心課程之一，學生對課程中的系統、模型、反饋、控制等重要概念理解不深，與實際機電系統聯系的思維缺乏，導致難以在今后的實際工作中將本課程的理論與實際應用相結合[3-8]。因此，本文擬從產學導向理念出發，結合理論與實際對“機械控制工程基礎”課程教學改革進行闡述，構建實仿結合、機控一體的教學體系，旨在培養學生的機械工程思維、機械控制系統分析與設計能力等，滿足智能制造對機械類學生素質和能力的要求。

二、課程目標及要求

本課程的主要任務是通過課堂教學、計算機軟件模擬、實驗教學等教學方式，使學生掌握實現機械系統自動控制的基本理論;學會典型機電系統的數學建模、運行性能分析和系統設計、校正與補償等基本知識和基本技能;具有最基本的機電控制系統分析設計能力，以及對機械控制問題進行分析、求解和論證的能力。具體指標如圖1所示。

三、教學思路及內容

（一）教學思路

為使學生能夠將實踐與仿真、機械與控制等知識結合理解，提出以下教學思路：

1.機、電結合。踐行課程的教學目標，結合具體機電控制系統（如智能機器人系統、液壓伺服控制系統、數控機床絲杠導軌系統等）進行講解。

2.注重仿真與理論教學的同步，對教學內容中相關知識點輔以計算機分析和設計手段，選用MATLAB或LabVIEW等編程與分析。

3.緊密結合學科前沿知識，突出知識體系的系統性、完整性，增加現代數字控制和智能控制理論等的介紹。

4.重新規劃課程實驗內容，將實驗教學面向機械領域的典型對象，并與課堂教學內容相對應。

（二）教學內容

“機械工程控制基礎”課程教學內容包含理論教學、實驗教學、仿真教學及課外拓展，具體教學內容如下。

1.理論教學內容。理論教學內容設置了40個學時，主要介紹機械控制工程的基本概念、機電系統數學模型的建立、機電控制系統的時域分析、機電控制系統的穩定性分析、根軌跡方法及校正、系統的頻域分析和機電控制系統的設計和校正。

2.仿真教學內容。仿真課外操作教學設置了8學時，圍繞各章教學重點內容，介紹Matlab計算機控制仿真分析軟件，并指導學生上機操作。

3.實驗教學內容。在實驗內容方面，設置了16學時的課程實驗，包括：（1）基于直流伺服電機的旋轉運動控制與校正實驗;（2）基于比例電磁鐵的直線運動控制與校正實驗;（3）基于直線伺服電機的倒立擺控制與校正實驗;（4）基于直流伺服電機的球桿控制與校正實驗;（5）基于倒立擺系統的控制與校正系統。以上5個綜合實驗，要求學生自由選擇其中4個，通過開設的實驗培養學生運用理論知識進行實驗綜合設計的能力，以及分析理論問題、解決復雜工程問題的能力。

4.課外實踐拓展。采用CDIO等形式開展本課程的課外實踐拓展活動，引導學生將理論知識用于實踐，并開發相關作品。

四、教學方法

在教學方法方面，增加實際工程案例，將教師科研項目與成果不斷地引進到教學體系中。同時，邀請從事機械控制領域相關的企業工程技術人員講授企業案例。具體包括以下幾方面。

第一，采用啟發式教學，引導學生獨立思考，結合討論，增強學生的主動性，培養學生對實際工程問題的分析能力，從而使學生通過獨立思考和討論獲得理論與工程實踐相結合的知識。

第二，采用機械工程案例教學，系統講授古典控制理論應用于經典機電系統案例（如工業機器人、無人機、數控機床等），初步介紹現代控制、智能控制理論的基本知識和方法。并邀請相關領域的企業技術人員開展講座，深入了解控制技術在機械工程的應用情況。

第三，在教學過程中采用PPT與傳統板書相結合的方式，同時輔以視頻課件、動畫課件等，提高課堂教學的生動性，提升教學質量和效果。

第四，理論教學緊密聯系實驗教學，強化計算機仿真教學，結合教師的機械控制類科研項目，引導學生理解其中的基本原理，采用相關的工具軟件，進行機械控制系統的理論分析與設計、仿真計算與實驗，培養學生解決機械控制工程實際問題的邏輯思維和實踐應用能力。

第五，實驗教學部分要求4～5名學生成立一個小組，每個綜合實驗設1名組長，由組長協調組員的分工。綜合實驗完成后需撰寫實驗報告，并就實驗內容進行答辯，總結實驗過程中得到的規律和發現的不足。答辯評委由任課教師與實驗教師共同組成，根據實驗報告和答辯情況給出最終成績，著重培養每日一個學生的溝通交流和團隊協作的能力。

第六，課程將結合機電系統實例，從理論層面對其原理進行剖析，并結合當前發展趨勢進行拓展，找出目前國內研究和應用等層面上的差距，激發學生改變這種現狀的激情，使學生的愛國情懷在實際工程中得到體現。

五、課程評價

（一）課程考核環節

“機械控制工程基礎”課程考核的主要目的是考核學生能力培養目標的達成度，包括平時課堂作業（10分）、實驗報告與答辯（30分）、期末考試（60分）三部分。

（二）課程目標達成度的評價方式

“機械控制工程基礎”課程目標達成度的具體計算方法：

課程總目標達成度=

“機械控制工程基礎”課程目標達成度評價值計算的具體說明如表1所示。

六、課程效果評價及問題分析

為清晰描述課程改革后的產出導向效果，選取某學年學生考核結果進行分析，包括考試試卷分析、實驗考核分析和課程達成度分析。本文以課程達成度分析為基礎，分析結果如圖2所示。從課程考核結果綜合來看，課程的總體達成度為0.883。課程目標1（畢業要求1.4）的達成度相對于課程目標2（畢業要求2.2）和課程目標3（畢業要求4.2）的達成度度略低，反映出學生對機械控制系統一般概念和原理的理解和掌握還有待提升。

通過對試卷、綜合實驗及課程進行整體分析，發現在后期教學過程中需提高學生在系統校正方面的能力。這主要是因為在上課過程中，教師過多地強調理論和名詞解釋，導致學生只是掌握了基本概念和組成原理，但是掌握機電系統的時域和頻域分析設計校正方法的能力不足。

七、教學拓展實踐

為加深學生對課程的理解，本課程緊密結合CDIO項目，鼓勵學生在CDIO項目中實踐機械控制工程理論知識，提升學生理論與實踐的結合能力。學生形成4～6人的項目開發小組，通過市場調研和討論，確定項目研發方向和方案，并通過翻轉課堂論證方案的可行性。隨后項目小組根據分工，完成各個功能模塊設計，包括機械結構、電子電路及軟件計等;隨后完成項目模塊的整合、調試和優化;最終項目小組提供功能樣機，并進行經濟性分析，形成研究報告和技術資料。圖3給出了學生將機械控制工程基礎知識應用于實際開發作品的情況。

八、結語

西安交通大學機械學院對“機械工程控制基礎”的教學內容進行了優化配置，提出了理論與實踐結合、仿真與實物結合、機械與控制結合的教學方法，將課程目標與畢業要求進行了對應，并通過2019年本課程的學生考試成績、綜合實驗成績及課程綜合的達成度等多方面分析，為后續課程教學改進提供了參考和支撐。通過本課程的教學改革，在機械控制工程教學中增加相關實例教學和專案報告，培養學生運用機械控制工程基礎理論，分析和解決機械控制實際問題的能力，培養了學生對機械控制工程的邏輯思維能力，提高了學生解決機械控制工程綜合應用問題的能力。

參考文獻

[1]邱自學，姚興田，王君澤.機械電子工程專業人才培養模式及其課程群建設[J].機電工程，2005（12）：60-63.

[2]于曉琳.基于CDIO的“機械工程控制基礎”課程教學改革探索[J].教育教學論壇，2016（35）：75-77.

[3]夏靜萍.面向卓越工程師培養的自動控制原理實驗教學改革[J].實驗室研究與探索，2017，36（12）：188-191.

[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]張煥梅.機電控制類課程群建設的研究與探討[J].大學教育，2017（8）：73-75.

[6]張厚升，董碩，姜吉順，等.基于Matlab/Simulimk的直流調速系統虛擬實驗教學[J].實驗室研究與探索，2016，35（6）：66-70.

[7]王永泉，胡改玲，段玉崗，等.產出導向的課程教學：設計、實施與評價[J].高等工程教育研究，2019（3）：62-68.

[8]楊立娟，陳雪峰，張楠，等.基于工程活動鏈的智能盆栽養護平臺的設計與制作[J].實驗室研究與探索，2018，37

（4）：59-62+75.

Reform and Practice of “Mechanical Control Engineering Foundation” Course Teaching System Based on Output Orientation

LI Xiao-hu， WANG Chao-hui， GUO Yan-jie， ZHANG Jin-hua

（School of Mechanical Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an， Shaanxi 710049， China）

Abstract： Aiming at solving the problems caused by many theoretical contents and the difficulty to combine with practical engineering， reformation has been tried on the course “Mechanical Control Engineering Foundation”. Firstly， the teaching objectives， ideas and contents of “Mechanical Control Engineering Foundation” were determined. Secondly， the multiple teaching methods of mutual confirmation of theoretical knowledge， scientific research projects and engineering practice were proposed. Finally， a teaching evaluation system of mechanical control engineering aiming at assessing students training achievement degree was established to form an innovative curriculum expansion oriented toward improving students’ comprehensive ability. Students’ ability of system analysis and design in practical mechanical engineering was increased through the preliminary attempt of teaching reform of this course.

Key words： mechanical control; teaching reform; teaching objectives; teaching evaluation

3415501908216