機(jī)械控制工程案例化教育方式的革新

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機(jī)械控制工程是機(jī)械類專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課，重點(diǎn)研究控制論在機(jī)械工程中的應(yīng)用，具有理論性強(qiáng)、知識點(diǎn)多、內(nèi)容抽象等特點(diǎn)，學(xué)生經(jīng)常感到枯燥、乏味。如何通過課程教學(xué)改革來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而改善教學(xué)效果，是近年來一線教師所不斷探索的內(nèi)容。目前機(jī)械控制工程教改內(nèi)容主要有［1－3］:(1)通過制定新教學(xué)大綱來整合教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)體系;(2)采用現(xiàn)代教育技術(shù)來提高教學(xué)效率;(3)采用啟發(fā)式教學(xué)來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣;(4)建立科學(xué)合理的考核體系等。一系列改革在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)主動性等方面起到了促進(jìn)作用，但學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力提高并不明顯。針對控制工程課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀，課題組深入開展了該課程的教學(xué)改革，重點(diǎn)研究了基于工程案例驅(qū)動的教學(xué)方法。教學(xué)實(shí)踐表明，課程改革有效地改善了教學(xué)效果，提高了學(xué)生知識掌握和應(yīng)用能力。

一機(jī)械控制工程課程改革思路

機(jī)械控制工程課程具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，而學(xué)生自身往往缺乏工程實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，如何上好這門核心專業(yè)基礎(chǔ)課，課題組深入開展了課程改革，并從以下四個方面進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

(一)教學(xué)內(nèi)容改革

在掌握控制論基本原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步整合和精簡教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)體系。課題組精選了“十一五”國家級規(guī)劃教材《控制工程基礎(chǔ)》［4］作為教學(xué)教材，將控制系統(tǒng)基本概念、數(shù)學(xué)模型、時域分析、頻域分析和PID控制及其應(yīng)用作為課程的主要教學(xué)內(nèi)容。值得一提的是，在PID控制部分，在新教學(xué)大綱里，課題組完全從應(yīng)用角度出發(fā)，將以往偏理論的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和校正內(nèi)容，改為講授PID控制器含義、模擬PID、位置式和增量式數(shù)字PID、PID各環(huán)節(jié)作用以及PID整定。從課堂反映來看，學(xué)生能比較清晰地掌握PID控制器知識點(diǎn);從后期實(shí)踐來看，學(xué)生也能熟練運(yùn)用PID去設(shè)計(jì)系統(tǒng)，達(dá)到了教學(xué)改革的目的。

(二)教學(xué)方式改革

課題組根據(jù)實(shí)際情況，采用了分層次教學(xué)。即對于不打算考研，以學(xué)以致用為主的學(xué)生，在闡述清楚控制理論基本知識基礎(chǔ)上，將重點(diǎn)放在了知識點(diǎn)的應(yīng)用。而對于想繼續(xù)深造的同學(xué)，則以講座形式進(jìn)行內(nèi)容補(bǔ)充，比如開設(shè)了根軌跡、非線性系統(tǒng)分析等，這樣既不影響前者，又滿足了后者的考研需求。

(三)教學(xué)手段改革

課題組基于現(xiàn)代教育技術(shù)來提高教學(xué)效果。首先將多媒體圖文并茂、音像豐富、信息量大的優(yōu)點(diǎn)，與板書條理清楚、重點(diǎn)突出優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合;其次利用中國數(shù)字大學(xué)城平臺，建設(shè)了《自動控制基礎(chǔ)》精品課程網(wǎng)站，完善了答疑、討論和交流模塊，方便了學(xué)生課后復(fù)習(xí)以及與主講教師的交流等。針對控制工程課程中數(shù)學(xué)含量多，公式推導(dǎo)麻煩的問題，課題組還利用Matlab軟件，針對數(shù)學(xué)模型、時域分析、頻域分析和PID控制等內(nèi)容開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)，將抽象理論更加具體化和直觀化。

(四)教學(xué)方法改革

教學(xué)方法直接關(guān)系到課程最終的教學(xué)效果，教學(xué)手段再先進(jìn)，方法不得當(dāng)也不能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。為此課題組從知識結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用角度出發(fā)，將教學(xué)與工程背景相結(jié)合，根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)不同的工程案例，提出了基于工程案例驅(qū)動的教學(xué)模式。

二工程案例驅(qū)動的教學(xué)模式

課題組所提出的案例驅(qū)動教學(xué)，其本質(zhì)上是將理論教學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合，通過工程案例來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生主體性，讓其主動去學(xué)，同時又借助工程案例來加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為此，根據(jù)教學(xué)要求，課題組設(shè)計(jì)了若干工程案例，并將其劃分為三種類型:啟發(fā)型、認(rèn)知型和設(shè)計(jì)型。

(一)啟發(fā)型案例教學(xué)模式

啟發(fā)型案例主要是針對課程或章節(jié)，采用一些綜合性工程案例讓學(xué)生了解課程或章節(jié)的重要性，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對后續(xù)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)興趣。在課程開篇之際，為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，并了解控制本質(zhì)。課題組提供了一段學(xué)院學(xué)生獲獎的“飛思卡爾”智能車比賽視頻，先將學(xué)生思緒引入到賽車的速度激情中去，然后引出思考:如何在高速下讓賽車(如圖1)沿著黑線走但不沖出賽道?進(jìn)而過渡到系統(tǒng)的控制本質(zhì):檢測光電傳感器中心點(diǎn)與黑線的距離偏差，并糾正偏差。通過比賽視頻，學(xué)生們在掌握系統(tǒng)控制本質(zhì)同時，也紛紛表示要加入到學(xué)院智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，從而給控制工程教學(xué)開了一個好頭。除課程開篇之際，我們在其它章節(jié)也同樣引入了工程案例，比如在講述時域分析時，引入了高等級公路動態(tài)稱重系統(tǒng)，在講述頻域分析時引入了上世紀(jì)沙俄部隊(duì)齊步振跨橋梁的案例。

(二)認(rèn)知型案例教學(xué)模式

認(rèn)知型案例主要是針對教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，利用一些小型或局部性工程案例來詮釋知識點(diǎn)?？刂乒こ讨R點(diǎn)多而抽象，難以理解，為此課題組針對知識點(diǎn)設(shè)計(jì)了認(rèn)知型案例。比如:在系統(tǒng)組成知識點(diǎn)上，設(shè)計(jì)了溫箱自動控制系統(tǒng)案例來詮釋系統(tǒng)組成及其作用。在比例環(huán)節(jié)知識點(diǎn)上設(shè)計(jì)了齒輪傳動副等等。認(rèn)知型案例讓抽象的知識點(diǎn)直觀化，從而幫助學(xué)生消化和掌握知識點(diǎn)。

(三)設(shè)計(jì)型案例教學(xué)模式

設(shè)計(jì)型案例主要是通過提供可供操作的工程項(xiàng)目，讓學(xué)生將所學(xué)的理論知識實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力和創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐向創(chuàng)新型和研究型轉(zhuǎn)變。為此，課題組從以下三個方面進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

(1)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時少，目前機(jī)械控制工程所開設(shè)實(shí)驗(yàn)，主要按圖索驥地搭建電路圖來模擬典型環(huán)節(jié)，或測試二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)和頻率響應(yīng)等。所有參數(shù)都參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，大大弱化了學(xué)生的主動性。為了改變這種狀況，課題組在實(shí)驗(yàn)前先提供一些機(jī)械平移系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等，讓學(xué)生先運(yùn)用課堂知識建立微分方程，獲得系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，然后再借助實(shí)驗(yàn)設(shè)備來模擬或測試系統(tǒng)時域響應(yīng)和頻率響應(yīng)，這樣在強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)同時也融合了課堂知識。此外，針對志在考研的同學(xué)，課題組也根據(jù)補(bǔ)充講座內(nèi)容設(shè)置了1～2學(xué)分課外開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，滿足他們以及其他感興趣的同學(xué)。

(2)大學(xué)生本科創(chuàng)新。為了培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，鼓勵和支持大學(xué)生盡早地參與科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)等創(chuàng)新活動，同時更好地體現(xiàn)課程改革中“工程驅(qū)動”的思想，針對學(xué)校的大學(xué)生本科創(chuàng)新項(xiàng)目，課題組聯(lián)合學(xué)有余力的同學(xué)積極申報(bào)了若干以控制為主的項(xiàng)目，比如校級重點(diǎn)本科創(chuàng)新項(xiàng)目:服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就是集合了控制工程中的數(shù)學(xué)建模、時域分析、PID控制等知識，通過該項(xiàng)目很好地將課程所學(xué)的知識點(diǎn)進(jìn)行了前后貫通，從而培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

(3)大學(xué)生競賽。為了進(jìn)一步加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，課題組每年還選拔一部分優(yōu)秀學(xué)生，開發(fā)一些設(shè)計(jì)性項(xiàng)目去參加各類比賽。比如2010年設(shè)計(jì)了“四軸飛行器”參加了江蘇省機(jī)械創(chuàng)新比賽，2010、2011年連續(xù)兩年參加了全國“飛思卡爾”智能車比賽，這些項(xiàng)目無一例外都涉及到系統(tǒng)控制。學(xué)生在獲得榮譽(yù)的同時，都一致認(rèn)為參加比賽不僅培養(yǎng)了創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，也提高了分析問題和解決問題的能力。案例驅(qū)動式教學(xué)一方面可以較大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮他們主體性來主動學(xué)習(xí)、主動實(shí)踐;另一方面也對教師的業(yè)務(wù)水平提出了更高的要求，不僅要求有比較深的理論知識，而且要求有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，只有這樣才能更好地完善教學(xué)。

三案例化教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)踐

為了進(jìn)一步闡述如何進(jìn)行案例化教學(xué)，本節(jié)以教學(xué)內(nèi)容第五部分，即PID控制及其應(yīng)用為例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)踐。近年來，雖然智能控制等都得到了很大發(fā)展，但基于PID的工業(yè)現(xiàn)場控制仍占據(jù)主要地位。PID教學(xué)若直接從理論著手，學(xué)生很難理解和接受。為此課題組首先設(shè)計(jì)了一個啟發(fā)型案例———恒溫箱控制，讓學(xué)生從主觀上認(rèn)識到是否增加PID控制策略、以及PID控制器參數(shù)的優(yōu)劣對系統(tǒng)的影響。圖2為某恒溫箱系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線［5］，其類似于帶延遲的一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線。為了體現(xiàn)出PID在恒溫箱控制中的作用，以及控制器參數(shù)(kp、ki、kd)的影響。課題組首先將系統(tǒng)在無控制策略情況下的輸出(圖3)展現(xiàn)給學(xué)生，由圖可以看出系統(tǒng)是發(fā)散的，不能實(shí)現(xiàn)恒溫控制。然后對系統(tǒng)增加PID控制策略，從而獲得圖4的系統(tǒng)輸出。對比圖3和圖4，讓學(xué)生明白增加PID控制策略后，系統(tǒng)能基本上收斂于設(shè)定值35℃，由此看出給系統(tǒng)施加PID控制的重要性。接著進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察圖4，可以發(fā)現(xiàn)溫度雖收斂但在設(shè)定值處出現(xiàn)振蕩，這對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性來說不是很好。為什么會造成這種情況呢?可以提出這個問題讓學(xué)生思考，并最終給出解釋———那是因?yàn)镻ID控制器參數(shù)選擇不當(dāng)造成的。圖4的控制器參數(shù)是通過常規(guī)的試湊法獲得的，其值為:kp=20、ki=0．01、kd=90。最后給出經(jīng)過遺傳優(yōu)化的結(jié)果(圖5)。由圖可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)速度更快、更平穩(wěn)。此時的PID參數(shù)值分別為:kp=10．23、ki=0．03、kd=7．95。通過該啟發(fā)型案例，可以向?qū)W生傳遞兩個信息:一是PID控制策略對系統(tǒng)的控制很重要;二是參數(shù)的整定對系統(tǒng)控制的精度和穩(wěn)定性很重要。

四結(jié)語

針對機(jī)械控制工程課程特點(diǎn)，課題組開展了一系列旨在提高教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)改革，并將基于工程中項(xiàng)目驅(qū)動的教學(xué)方法作為研究重點(diǎn)。案例化教學(xué)實(shí)施至今已接近兩年，期間課題組組織學(xué)生成功申報(bào)近10項(xiàng)與控制相關(guān)的各類本科創(chuàng)新項(xiàng)目，其中2項(xiàng)為江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃，與學(xué)生合作6篇，申請發(fā)明專利1項(xiàng)，“四軸飛行器”在2010年江蘇省機(jī)械創(chuàng)新大賽中榮獲二等獎，“飛思卡爾”智能車在2010年榮獲華東賽區(qū)光電組一等獎、全國二等獎，在2011年榮獲華東賽區(qū)光電組和攝像頭組兩個二等獎，電磁組三等獎。教學(xué)實(shí)踐表明課題組的教學(xué)改革是有效的，而基于項(xiàng)目案例驅(qū)動的教學(xué)模式，對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，提高分析問題、解決問題的能力起到了極其重要的作用。