本站原创摘 要：如何加强课堂教学质量和效果,培养具备创新思维的优秀人才,是当前高校机械类专业教学改革的主要目标.“机械工程控制基础”是机械类专业的基础必修课.针对教学中出现的一系列问题和矛盾,在充分利用现有教学资源的基础上,从教学内容、教学方法、实践环节和考核制度四个方面进行教改完善,不断提高课程的教学质量和水平.
关 键 词：机械工程控制基础；计算机辅助教学；教学质量；教学反馈
作者简介：张业明（1979-）,男,山东肥城人,河南理工大学机械与动力工程学院,讲师；张燕（1979-）,女,河北宁晋人,河南理工大学机械与动力工程学院,讲师.（河南焦作454000）
基金项目：本文系河南理工大学博士基金项目（项目编号：B2012-101）的研究成果.
中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）16-0102-02
“机械工程控制基础”课程是河南理工大学机械与动力工程学院（以下简称“我院”）机械设计制造及其自动化、机械电子工程、测控技术与仪器、热能与动力工程、车辆工程共五个专业的基础必修课程.该课程在这些专业的知识体系中起到承前启后的作用,它紧密联系和应用先修课程,如高等数学、复变函数与积分变换、电工电子等,并为后续课程的学习打下控制理论基础.该课程主要围绕“系统”、“反馈”等经典控制理论的概念进行讲解,所研究的问题具有普遍的工程实践价值,有利于机械专业的学生树立“系统”和“反馈控制”思想,为学生运用控制理论分析和解决工程实际问题奠定基础.
“机械工程控制基础”以反馈控制理论为核心,突出基本概念和方法,介绍控制系统建模方法,线性系统的时域、频域和根轨迹的分析和设计方法.因此,该课程理论性强,涉及数学、物理、电工等多方面的知识,比较抽象,是一门具有一定深度和难度的课程.[1]在高校学生数量不断增加、学生质量参差不齐、教学学时不断压缩的情况下,如何提高教学质量,加强反馈控制理论基本概念和方法的理解,增强学生系统分析问题和解决问题的能力,是摆在全体教师面前一项艰巨的任务.
在这几年的教学摸索中,我们不断克服教学中遇到的问题,总结经验教训,改善教学质量.主要从教学内容、教学方法、实践环节和考核制度四个方面完善教学环节,教学质量得到稳步提升,学生的满意度也越来越好.
一、完善教学内容
完善教学内容以学生能够轻松快乐地学习和领会所教授的知识为主要原则.为了保证教学效果,在教材选择、教学内容编排等方面进行了改善.
1.教材选择
教材是学生进行课程学习的主要工具,是学生课前预习和课后复习的重要参考资料.因此教材的优劣一定程度上影响着学生的学习效果.[2]根据各专业的不同特点,编写了适合机械类各专业的通用性教材.根据学生的不同基础,注重学生接受能力和上课质量,编写不同的教案,有针对性讲解课程核心内容.
在给独立学院上课时,发现学生的数学基础薄弱,复变函数和积分变换学得也不是太扎实,因此在讲解系统的数学模型之前,首先给这部分学生单独补习一阶微分方程的求解,然后再将“机械工程控制基础”中用到的傅里叶变换和拉普拉斯变换,从概念到例题详细讲述一遍,以便于这部分基础较差的学生能轻松顺利接受控制理论中的基本概念和知识.
2.教学内容编排
随着本科教学的不断改革,我院“机械工程控制基础”的上课学时逐渐被压缩,由最初的48学时削减到32学时（含4学时实验课程）.教学中出现了上课学时和授课任务量的严重矛盾冲突.这对教师的专业知识水平和授课水平提出了更高的要求.
为解决上课学时少的突出矛盾,从学生和教师两方面逐步着手解决.积极拓展学生的课外学习和实践,布置一定量难度适中的课外习题作业和上机实践作业,督促学生深刻理解上课时讲授的概念和方法,通过课外作业进一步领会、强化学习.同时,教师在深刻分析教材知识结构的基础上,把握教学重点、难点问题,有效实施重点教学.重点、难点问题要从概念到例题,一点点分析推导,详细阐述每个细节和要求.讲授内容遵循从简单到复杂的基本规律,让学生的认识水平循序渐进,逐步提高.对于较为简单的教学内容,则通过例题和提问的方式展开与学生的讨论,让学生成为学习的主动者,增强学习质量和效果.
在教学内容的组织上,循序渐进,逐步深化,强调基本概念的理解和应用,减少一些定理和公式的太细推导.在教学过程中,重点讲授经典控制理论的主要内容,注重知识体系的完整和工程问题的应用分析,理论联系实际,例如将电路系统、液压系统等模型的分析引入课堂中来,提高学生们灵活运用知识解决问题的能力.课程进行中,穿插讲授MATLAB语言在本课程中的运用.让学生们能够动起手来,用计算机实现公式的推导、计算和仿真,提高学生们的学习乐趣和成就感.
二、改善教学方法
改善教学方法以提升学生的课堂授课效果为主要原则.改善教学方法主要包括改善教学手段和采用新颖的教学方法,如启发式、讨论式和激励式教学方法.
1.改善教学手段
目前主要的课堂教学手段有板书和电子讲义两种方式.
减少板书的时间,提高课堂效率,采用多媒体教室授课,引入MATLAB等计算机辅助教学工具.多年来,根据我们编写的教材和教案,不断完善电子讲义,授课内容涵盖经典控制理论的全部内容,丰富了课堂的信息量.充分发挥Powerpoint的演示功能,针对课堂中的重点和难点,采用了不同颜色和字号的字体和线条,便于学生及时抓住重点和难点,跟上课堂进度.对于课程中的系统方框图的简化、Nyquist图、Bode图的绘制等,采用Powerpoint的动画功能和MATLAB软件辅助完成,让整个电子讲义“活”起来,课堂内容充实起来,而不仅仅是知识的灌输.
每页幻灯片的排版要清晰、整齐、规范,文字精炼扼要,多用图片和动画.让学生直接观测到复杂的时域响应曲线、频率响应曲线以及奈奎斯特曲线,加深对概念的理解和掌握.在讲解某些公式推导和习题时,当Powerpoint不方便阐述时,则采用板书手写推导和计算,提高讲解效率,也便于学生跟着教师的思路,深刻领会这些难懂的知识点.例如在讲解频率特征量中系统的截止频率的概念时,结合图形和计算公式,指出幅频特性的数值由零频幅值下降3dB得到的频率,也就是0.707倍的零频幅值对应的系统频率值,这样学生就能够深刻理解零频幅值下降3dB和0.707倍的零频幅值之间的关系.[3]2.采用新颖的教学方法
教师的专业水平和知识结构是一切教学活动的核心.在教学活动中,教师光有知识是不够的,还要具备一些传授知识的技巧.大部分教师的知识层次都已经满足教学要求,相对欠缺的是一些教学方法和技巧的灵活掌握,尤其是对于那些刚加入教学队伍的博士教师.为提高教学效果,应采用新颖的教学方法,杜绝灌输式的陈旧教学模式,主要体现在以下几个方面.
（1）提高绪论讲授的质量.绪论几乎是所有课程的第一节课,一定要将第一节课上好,让学生对课程本身产生浓厚的兴趣和学习冲动.在讲授“机械工程控制基础”的绪论时,除了介绍该课程的性质和主要内容外,还讲授了控制理论的发展历史,控制理论在世界文明中的作用,国内外科学家在控制领域的一系列科学贡献,让学生先有一个完整的控制理论发展脉络,然后又介绍当今的控制理论的应用领域,如柔性制造、空间探测机器人、飞行器控制等,鼓励学生先学好课本的经典控制理论部分,将来有兴趣再深入学习现代控制理论和随机控制.
（2）采用启发式和讨论式教学方法.启发式和讨论式都是一种互动式教学方法,它能够启迪学生思考,将注意力引入教师讲授的课堂重点和难点上来,让学生参与问题的讨论并发表自己的观点,形成了师生互动的课堂气氛,从而提高学生的学习主动性和课堂质量.在进行启发式和讨论式授课时,教师要先精心准备好一系列问题,这些问题环环相扣,层层推进.提问时,教师要及时掌控课堂的学习气氛,对于答对的学生,要给予一定的言语鼓励；对于答错的学生,也要及时纠正.做到教师和学生的思维融为一体,引导学生进行创造性思维.[1]
（3）采用激励式教学方法.激励式教学是给学生一定难度的题目或问题,一旦学生攻克,给予一定的语言奖励和成绩奖励,提高学生课程学习的成就感.例如,在讲授系统的时域分析时,让学生课下自己编写程序计算系统时域分析的特征量,并绘制特定系统的时域分析响应曲线.对于那些认真完成作业的学生在期末总成绩时给予一定的加分.
三、加强实践环节
以往搭建积分放大电路进行控制系统仿真的实验模式已落伍,改用MATLAB、LabVIEW等计算机辅助教学软件进行实验.
MATLAB控制系统仿真实验具有建模方法简单高效、参数调整方便、立即得到仿真计算结果等优点.相对于传统的搭建硬件电路的实验模式,节省了硬件调试时间,而且学生能够每人一台电脑进行控制系统仿真操作,提高了每位学生的分析问题和动手操作的能力,保证了学生对课程实验的参与程度.MATLAB仿真实验的内容安排和理论教学相呼应,通过实验强化学生对课程中基本概念和方法的理解.
随着测试技术的发展,虚拟仪器逐渐取代传统测试仪器.利用LabVIEW软件及其仿真工具包,我们编写VI程序,实现了各个典型环节的时域响应,如一阶系统和二阶振荡系统,还编写了系统的频率响应程序,可以画出系统正弦信号下的奈奎斯特图和伯德图,进而分析系统的稳定性和稳定裕度.[4,5]
通过MATLAB、LabVIEW等实验软件,加强了学生利用计算机解决工程问题的实践能力,对课堂理论知识的理解也起到了事半功倍的作用.
四、完善考核制度
不断完善考核制度,注重平时和实践考核,实行考核多样化制度.一般学生的成绩结构是：平时课堂表现10%,课后作业10%,实验成绩20%,期末成绩60%.通过这样的设置,使学生开始注重课程的过程学习,让学生学好每一个章节,并及时做课后习题.加大实验环节的任务量,注重学生动手能力的培养,减少学生应付实验教学的心理倾向.[6]课程结束,鼓励学生积极进行课程教学评价,反馈教学效果.
坚持考教分离的教学考核模式.根据学生的不同层次,组织教师编写不同难度的考试试题,建立相应的试题库[1],此外,还尝试自主编写新试题并加入试题库中,保证课程考核质量.
阅卷后衡量教学效果,并总结考试整体情况,编写试卷分析报告,为今后的教学完善提供参考意见.同时,开展学生对课程的整体评教活动.让学生评价教师的教学效果和质量,从而让一大批深受学生欢迎的一线教师脱颖而出,为学校的整体教学质量提高创造良好的教学气氛.
五、总结
“机械工程控制基础”课程教学改革在我院的五个专业教学内容、教学方法、实践环节和考核制度四个方面进行了初步尝试,取得了良好的教学效果：学生的日常学习兴趣和学习积极性日益浓厚；完善了实践环节,学生的计算机编程和动手能力逐步增强；完善了考核制度,学生的考核更加合理,教师的教学质量和教学水平也在稳步提高.