面向创新能力培养的自动控制原理教学方法研究*

◆刘海涛 赵娟 李伟洪

面向创新能力培养的自动控制原理教学方法研究*

◆刘海涛 赵娟 李伟洪

以实现卓越工程师创新思维能力的培养为目标，探讨机械类自动控制原理课程中进行创新能力培养的教学方法，在教学过程中以MATLAB—Simulink—SimMechanics为工具，把实际案例引入基本概念和基本理论的讲解过程中，将课程中的抽象问题具体化、理论性与实践性相结合，培养学生解决机械工程实践问题和创新设计的能力。经过多年的教学实践，课程教学效果明显得到改善。

自动控制原理；创新能力；卓越工程师；MATLAB

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.090

1 前言

机械类自动控制原理是机械类本科专业学生必修的一门重要专业基础课，课程的主要内容是根据控制论的理论基础，研究机械工程技术中广义系统的动力学问题。本课程的主要目的在于培养学生以系统、动态的观点研究分析一个机电系统，运用控制论中的基本概念和方法，解决机械工程领域中有关自动控制方面的问题［1-2］。广东海洋大学工程学院的机械类及热能动力类专业学生均采用的是由华中科技大学出版社出版的国家级精品课程教材。

教育部“卓越工程师教育培养计划”（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：

图2 弹簧—质量—阻尼系统等效实体模型

图3 二阶系统的阶跃响应

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。

图1 弹簧—质量—阻尼系统模型

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。■

［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.

G642.4

B

1671-489X（2015）24-0090-03

*项目来源：2014年广东海洋大学研究生创新计划项目“全日制专业学位研究生培养模式创新与实践研究”，2014年广东省研究生教育创新计划项目“机械工程全日制专业学位研究生的项目驱动式培养模式创新研究”。

作者：刘海涛、赵娟，广东海洋大学工程学院副教授；李伟洪，广东海洋大学工程学院实验师，研究方向为机器人技术及工程应用（524088）。