面向创新能力培养的自动控制原理教学方法研究
计划”（以下简称“卓越计划”）旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。其主要特点之一是强化培养学生的工程能力和创新能力，特别重视国家产业结构调整和发展战略性新兴产业的人才需求，适度超前培养人才。因此，工程能力和创新能力是各种层次和各种类型卓越工程师的核心能力，也是卓越工程师之所以“卓越”的重要标志[3]。自动控制原理作为机械类专业的重要专业基础课程，其课程内容及要求需要遵循“卓越计划”的培养要求。
本文从卓越工程师工程和创新能力培养的角度，结合近几年教学中遇到的问题和一些经验教训，将MATLAB中的SimMechanic工具箱引入课堂，并从教学方法、实践环节等方面进行探讨。
2 目前存在的主要问题
自动控制原理这门课内容丰富、知识点多、理论性强、比较抽象，需具备扎实的数学基础和其他相关学科知识等。但是由于学生对相关基础知识掌握不牢固，对学科交叉的内容理解不够，导致对该课程的学习存在较大困难。目前主要存在的问题包括：学生对课程无兴趣，学习积极性不高，缺乏学习主动性；一些基本概念较抽象，学生难以理解，理论内容较枯燥，与实践联系不紧密；学生综合分析问题、解决问题的能力不够；并且学生在学习过程中存在越学越糊涂的现象，无法把握课程的主线以及前后内容的系统性和连续性。鉴于存在的问题，为增强教学效果，培养学生分析问题和解决问题的综合能力及创新实践能力，本文主要从教学方法、实践环节两方面进行改革与探索。
另外，本课程需要应用物理学、电子学、力学等知识建立系统的数学模型，即将机电液系统抽象为数学模型的形式，进行控制性能分析和设计计算。因此，要求学生具有扎实的数学、物理、力学、电子学等基础知识。数学方面要具备复数、复变函数、拉氏正逆变换的基本概念和基本运算定理，但是机械专业的学生大多数没有学习过工程数学，因此需要有针对性地补充与本课程直接相关的数学知识；而其他方面的技术知识在教学过程中根据需要适当进行补充。
3 教学方法改革
激发学生的兴趣从绪论开始 课程的第一堂课非常重要：一是让学生了解这门课主要学习的内容；二是让学生了解教师的教学风格；三是最重要的，是让学生喜欢上这门课，激发学生对本课程的兴趣。因此，在教学过程中采用参与式、激励式以及启发示教学方法，首先播放一些与机械控制相关的视频，使学生对机械类自动控制原理这门课程有感性的认识，产生浓厚的学习兴趣，让“控制无处不在”“以系统的角度分析问题”等观点深入人心。同时将生活中常见的空调、电热水器、冰箱等具体事例引入课堂，让学生参与讨论，分析它们的工作原理，加深学生对控制和反馈概念的理解。
为了活跃课堂讨论的气氛，设定以下规则：每位学生主动参与一次讨论，回答无论对错，平时成绩加2分，而被动参与（如教师点名参与）不加分。回答错也加2分，缓解了学生的心理负担，有效调动学生的积极性。实际上每位学生碍于情面，都会认真思考，争取回答正确。实践证明，该规则很有效，学生回答问题也无所顾及，课堂气氛比较活跃，平常不爱说话的学生也变得主动。最后多让学生参与到课程的讲授过程中，提高他们的学习兴趣。通常在每堂课设置1～2道练习题，让学生主动讲授自己的解题思路，教师点评，有助于学生对知识点的掌握、巩固，也加强了教师与学生之间的互动。
另外，在每堂课的开始，尽量采用启发式教学给学生演示一些相应控制系统的仿真实例，让学生观察现象，引导学生发现问题并分析原因，从而引出本堂课需要讲解的新理论，激发学生对讲解内容的兴趣，使学生很想知道接下来会发生什么。总之，在课堂上应尽量调动学生的积极性和主动性，让学生真正参与课程的学习与讨论。
将抽象的内容具体化 对于抽象的问题，学生理解困难，也难以掌握。在教学过程中遇到比较抽象的定义和方法时，若能够结合一些具体形象的例子，能产生事半功倍的效果。为此，在讲授一些抽象的定义或方法时，引入MATLAB的SimMechanics工具箱，将一些数学模型转换为实体模型，讲解起来更形象，学生也比较感兴趣。如典型的质量—弹簧—阻尼二阶系统可以建立图1所示SimMechanic模型，质量块的运动就等效为圆球的运动（弹簧及阻尼不画出），如图2所示。
其中输入为物体受到的外力f（t）， 输出为物体移动的位移y（t）， 则系统的传递函数为：
通过改变系统参数m、c、k的值就可以获得不同的性能。如m=1 kg，k=1 N/m，c=1.4 N/（m/t）时，可以获得如图3所示的阶跃响应。
基于此，学生可以求得系统的阻尼比，并且改变系统的参数，让学生看看系统的阶跃响应如何，使学生理解系统的性能由系统的固有特性（结构参数）决定，跟外界条件无关。同时，学生可以学习MATLAB中的SimMechanicsa工具箱，来建立其他类似的机电系统，如倒立摆模型等，以此将抽象的问题具体化，激发学生的学习兴趣。当然也可以利用MATLAB的软件编程建立系统的数学模型，但是不够形象具体。
培养学生的实践动手能力和创新能力 在整个教学过程中充分利用MATLAB软件编程、Simulink以及SimMechanics
工具箱的作用，让学生在学会这些工具的同时，能够加深对基本知识的理解。对每一章的例题及习题，尝试让学生用MATLAB进行仿真，从而熟练掌握系统的数学建模、时域性能分析、频域性能分析、稳定性分析以及性能校正的仿真方法。
除完成正常课程的实验外，鼓励学生参与教师的科研活动，同时指导学生开展课外科技创新活动，培养学生的应用开发能力。如最后要求学生尝试用Simulink工具箱、SimMechanics模块等搭建机电液控制系统的虚拟实验平台，并对系统的性能进行实验研究，整理实验数据，分析系统参数对系统性能的影响规律，评价系统性能，然后根据所学理论知识设计控制策略，进行系统性能校正，达到期望的性能指标。通过数学建模、创新设计和性能分析等，从而培养学生的实践动手能力和创新能力。
4 结论
在机械类自动控制原理课程教学中，以机电液系统的具体案例及“卓越计划”培养目标为导向，结合机械类本科生的实际特点以及存在的问题，从教学方法和手段上加强课程知识和实践的紧密联系性，引入MATLAB、Simulink及SimMechanics工具箱的仿真环境，让学生在学习基础理论的基础上，能够将所学理论知识真正应用于实践，培养学生的创新能力。近几年的教学实践及学生反馈，说明教学效果良好。■
参考文献
[1]杨叔子，杨克冲，等.机械工程控制基础[M].6版.武汉：华中科技大学出版社，2012.
[2]董明晓，李瑞川，等.面向工程实践能力培养的《机械工程控制基础》课程教学方法探索[J]，教育教学论坛，
2013（5）：81-83.
[3]林健.卓越工程师创新能力的培养[J].高等工程教育研究，2012（5）：1-17.
[4]张智焕，张惠娣.机械工程控制的虚拟仿真实验教学实践[J].实验技术与管理，2014，31（7）：102-103，111.
[5]冯静安，王卫兵，魏敏，等.机械工程控制基础课程教学方法研究[J].教育教学论坛，2013（22）：61-62.
下一篇：七大专业亮“红牌”