新工科背景下機械控制工程實驗課程教學改革與實踐

摘 要：機械控制工程實驗是機械工程專業本科生的必修基礎實驗課。通過對課程教學現狀和學生學習效果的深入分析，從教學內容、教學方法、教學流程和教學評價四個維度提出了創新改革舉措。實踐效果顯示，經過改革的教學方法能有效提高學生參與實驗的積極性和主動性，有效加深學生對理論知識的理解，并大幅提升學生的自主創新能力和解決問題的能力。

關鍵詞：新工科；實驗教學；教學內容；教學方法；教學流程；教學評價

進入21世紀后，隨著科技的日益發展，創新型人才的缺乏已成為制約我國科技發展和經濟增長的主要瓶頸。為應對這一問題，教育部實施了一系列政策措施。其中包括加入《華盛頓協議》，以推動國際工程教育的認證與互通，同時不斷強化新工科建設理念，持續深化工程教育改革，培養更多具有創新能力和實踐能力的工程人才，為我國科技創新與經濟發展提供更為可靠的人才支撐。

控制工程基礎是一門以研究機械工程技術問題為主要對象的技術科學，它主要運用控制論的基本原理及基本思想方法，分析研究機械工程中信息的傳遞、反饋及控制的理論與實踐問題。該課程具有高度的理論性、綜合性和實踐性。而機械控制工程實驗則是河南科技大學機電工程學院專門為該課程配套設置的實踐教學環節，其傳統的教學流程是教師先講解實驗目的、原理以及示范操作步驟，隨后學生進行重復式實驗。然而，這種教學模式影響了學生創新思維的發揮、影響了學生的學習興趣，難以有效提升學生的創新能力。因此，基于新工科建設理念，對機械控制工程實驗教學方法進行改革迫在眉睫。本文從教學內容、教學方法、教學流程與教學評價四個維度提出改革策略，主要針對機械設計制造及自動化專業的本科生，力求在新工科背景下探索一種創新的實驗教學方法。

一、教學內容的改革

總體思路是以課程目前的實驗內容為基礎，引入基于Matlab仿真軟件平臺的創新實驗內容，做到虛實結合、理論與實際結合、基礎與前沿結合、實驗與應用結合、必選和自選結合，以幫助學生鞏固所學理論知識，激發學生探究學習的積極性，提升其創新思維能力。

首先，采用機械控制工程教學實驗系統，以電路模擬控制系統的驗證性實驗和綜合性實驗為主。這些實驗涵蓋了典型環節的時域響應、頻率特性實驗、系統分析與校正等實驗項目。通過對一階和二階線性系統進行時域和頻域分析，以及各典型環節在理想階躍信號作用下的時域分析，學生可以了解各典型環節的時間響應特性及參數的變化對系統動態特性的影響；通過頻率特性實驗，學生可以掌握波特圖的繪制方法以及通過頻率特性確定線性系統參數的原理及方法；通過系統分析與校正實驗，學生可以了解根據期望的時域性能指標對二階系統進行串聯校正的流程和方法，包括校正環節傳遞函數的推導和校正環節電路的設計，要求學生熟練掌握控制系統模擬電路的搭接方法，對比差異分析原因，正確記錄，并規范撰寫實驗報告等。

其次，引入小車-倒擺系統及基于Matlab仿真軟件平臺的控制實驗內容。在這個實驗中，倒擺通過轉動關節安裝在驅動小車上并對小車施加一定的驅動律，驅動小車以實現倒擺的姿態穩定控制，這是姿態控制問題的典型代表，內容涉及經典控制、狀態反饋控制以及抗擾控制。具體包括：利用給定的系統參數，通過機理推導，建立倒立擺系統的非線性動力學模型和線性化模型；進行非線性模型和線性化模型的開環響應的動態仿真；基于線性化模型利用根軌跡法設計控制器，分別對線性化模型和非線性模型進行閉環系統的仿真分析；基于線性化模型利用頻域法設計控制器，分別對線性化模型和非線性模型進行閉環系統的仿真分析；設計并調整PID控制器參數，分別對線性化模型和非線性模型進行閉環系統的仿真分析；分別基于線性化模型和非線性模型設計全狀態觀測器和狀態反饋控制器，進行有風力干擾下的閉環系統仿真分析；將所設計的控制器在小車-倒擺系統上進行實際控制實驗。該部分實驗項目充分展現了機械控制工程課程的強理論性、強綜合性和強實踐性的特征，有助于學生深化對機械控制工程理論知識的理解，激發學生的創新意識與創新積極性，幫助學生養成自主分析與解決問題的能力，提升其專業認知度。

二、教學方法的改革

（一）混合式教學方法

教師在實驗課前將相關資料發送給學生，以便學生在課前自主學習和預習相關專業知識。引導學生熟悉實驗目標和大致流程，并思考實驗中可能遇到的問題，做好充分的知識儲備，進而使學生能夠在實驗課上更專注、更從容地應對實驗，并有更多時間思考和創新實驗操作。同時，教師也能夠在實驗課中騰出更多的時間與學生交流，加深學生對知識的理解。最終教師根據學生的學習狀態、解決問題的情況以及撰寫的實驗報告質量，對他們的總成績進行全面的評價。此外，教師還需根據教學過程的順暢性、學生的思想狀態以及實驗效果，持續調整和優化教學策略，以確保實驗教學的最終效果。

（二）交互式教學方法

交互式教學方法是以學生為中心，強調師生互動。它具體包含以下三種形式：教師按照課前設計的實驗教學方案，講解實驗目標、實驗內容以及操作的標準和規則。在實驗課堂上，教師通過提出問題、糾正錯誤、解答疑惑等方式，引導學生運用課程基本理論指導實踐操作，并通過實踐來驗證理論的正確性，在相互交流以及理論與實踐反復的循環驗證中，幫助學生掌握相關知識點，提升他們發現問題和分析問題的能力，激發他們解決問題的興趣，從而在生生之間、師生之間建立起充分互動的學習交流氛圍。同時，引入Matlab仿真實驗軟件，該軟件集概念設計、算法開發、建模仿真、實時實現于一體，具有強交互性。值得一提的是，使用該軟件能夠增強學生應用理論知識并即時驗證的體驗感，有效提高教學效率和質量。

（三）自主式教學方法

將小車-倒擺系統的控制實驗項目分解成多個知識點，如動力學建模、狀態方程、系統線性化、開環與閉環仿真、狀態反饋仿真及擾動條件下的系統仿真等。針對每個知識點，首先，教師會提出若干問題，引導學生通過查閱書籍、網絡資源或參與論壇討論等方式自主學習并參與討論。其次，學生根據自己制定的方案進行模型搭建、程序調試來解決問題，并進行問題思考及知識總結。這樣不僅能讓學生學會解決問題的方法，還能幫助他們積累實踐經驗。此外，小車-倒擺系統的控制實驗項目是較為復雜的控制項目，需要多名學生合作完成。在實驗項目設計過程中，學生必須學會團隊合作，通過分工合作來完成任務，讓學生認識到團隊合作的重要性，培養他們的團隊合作意識。

三、教學流程的改革

（一）實驗前準備

實驗課前，教師和學生都需做好準備工作。教師應在課前明確實驗目標，把握實驗內容的重點和難點，將每個實驗項目分解為具體的知識點。同時，為學生準備詳盡的文字資料以及視頻或音頻資料，并盡早發送給學生。學生在接收到相關教學資料后，應先了解實驗目標、內容、重點和難點，厘清實驗內容和課程知識點之間的聯系，明確實驗思路。在深入理解上述問題后，再進行實驗設計，并完成相關調研和準備任務。

（二）實驗活動

1.實驗課堂上，學生首先向教師匯報課前的準備情況。教師根據實驗的重點內容和學生匯報情況對學生進行提問，以充分了解學生對實驗課知識點的掌握程度和存在的問題，以便教師后續有針對性的指導學生實驗。

2.學生基于課前所掌握的知識及規劃設計進行實驗和仿真實驗。由于課前已對理論知識做了充分準備，學生在實驗過程中能夠做到思路清晰，及時發現并解決遇到的問題。通過分析問題、查找原因，學生不僅能及時印證和加深對本課程理論知識的理解，還能有效拓展對其他課程知識的理解，同時也有效提高了解決問題的能力。

3.教師在實驗課堂上需詳細講解實驗設備及虛擬仿真的操作方法和注意事項，并收集學生的實驗過程數據，同時對相關數據進行分析和整理，判斷數據的合理性，將有問題的數據及時反饋給學生。教師根據具體問題和學生操作情況，指導學生及時查找原因，以便順利完成實驗。

4.對于學生一時難以解決的問題，以及學習中產生的錯誤認識或理解偏差，教師應及時進行講解、剖析，確保學生既能理解理論，又能正確操作。

5.教師要組織和促進師生以及生生之間的交流互動，共同討論問題，通過交流學習，學生可以進一步完善和優化自己的實驗內容。

（三）實驗后工作

1.教師對實驗過程進行深入分析和總結，找出各小組的優點和不足，指導學生總結知識點、實驗方法和規律，為后續的實驗學習奠定理論基礎和積累實踐經驗。

2.教師根據學生課前的自學和準備情況、課堂動手操作能力、回答問題情況、解決問題能力以及實驗報告的整理情況等，對學生進行全面的評價和具體的評分。

3.通過溝通和調查問卷等形式，組織學生評價實驗的各個環節和方法。教師根據評價結果了解學生對教學方法的適應情況，并以此為依據不斷調整和優化教學方法和思路。

四、教學評價的改革

為適應教學方法的多維度改革，對實驗教學的評價方式進行了多層次的改進，摒棄了“考勤+實驗報告”的傳統評價方式。改進后的總成績如下：課前預習和學習占20%，課堂實驗占45%，成果展示占10%，實驗報告占15%，課堂紀律占10%。其中，課前預習和學習的成績主要根據學生的預習效果、查閱文獻資料和理解能力。為此，考核設置了與實驗相關的理論知識、實驗內容、實驗設計與仿真方案等考核內容，并附有討論題，以加深學生對實驗項目的多角度理解，激發他們的思考和學習積極性。課堂實驗部分考核的是學生在實驗過程中的動手能力，以及他們發現問題、解決問題和實驗創新能力，考核依據包括學生課上回答教師提問、參與問題討論、分析解決問題、動手操作、數據整理歸納以及創新思考等表現。成果展示主要以現場展示或微視頻的形式進行，考查其過程的完整性、流暢性以及講解的清晰性，以此評估學生對實驗項目的熟練度和理解程度以及表達能力。實驗報告考查學生的書寫邏輯性和層次性、數據整理與分析的正確性，以及結論和總結的合理性和深度，這主要考核的是學生整理、分析和處理數據的能力。課堂紀律考核的是學生遵守課堂紀律和實驗室管理規定方面的能力。通過這五個方面的綜合評估，旨在全面提升學生的綜合能力和個人素養。

五、改革效果與評價

為客觀、準確地檢驗機械控制工程實驗教學改革的成效，并了解學生對改革的評價和支持度，課題組進行了為期3年（2019—2020學年、2020—2021學年和2021—2022學年）的學生問卷調查。問卷內容涵蓋以下方面：教師教學態度、課前指導及資料準備；教師課中講解、指導及示范操作。實驗內容設置及虛擬仿真實驗引入。教師的實驗引導和啟發；師生互動及生生互動。疑難問題的解答。實驗后知識的理解、實驗技能及動手能力的提高。調查結果顯示，超過97%的學生對改革后的新教學方法表示高度認同和支持，并對實驗指導教師給予了高度評價。

鑒于傳統機械控制工程實驗教學方法對學生創新思維有所限制、削弱了學生學習興趣、阻礙學生創新能力的提升。課題組以新工科建設為背景，圍繞教學內容、教學方法、教學流程和教學評價四個維度，對機械控制工程實驗教學方法進行了創新改革。明確了具體的改革舉措，并就學生的學習成效與滿意度進行了調查。結果表明，改革后的實驗教學方法能有效提升學生實驗的積極性和主動性，加深了學生對理論知識的理解，有效提升了他們的自主創新能力和解決問題的能力。同時，這一改革也贏得了學生的高度評價和支持，為培養綜合能力一流的機械工程人才奠定了堅實基礎。

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責編：應 圖