机械工程控制基础课程教学研究思维导图

山东农业工程学院机械电子工程专业，选择杨叔子院士所编《机械工程控制基础》作为本课程的教材[1]，课程总学时数32，其中理论24课时，实验8课时。理论课时主要讲授线性定常系统的数学模型、系统传递函数、时间响应分析、频率特性分析和稳定性判断与系统校正，实验课时主要指导学生使用MATLAB软件建立系统数学模型，对系统进行时域、频域和稳定性分析，并实现简单的系统校正，辅助解决机械工程控制相关问题。授课过程以讲授知识点和数学推导为主，其中数学推导对于我校应用型本科的学生具有较大的难度，教师在课堂上进行的数学推导往往成为教师的"独角戏"，学生很难参与进来，表现出听课疲劳和厌学的状态。琐碎繁多的知识点又让学生抓不住课程关键，教学效果普遍不理想，甚至出现期末考试大面积不及格的情况。

结构主义教学理论诞生于20世纪50年代末，代表人物是美国心理学家、教育家布鲁纳。在《教育过程》[2]一书中，布鲁纳集中表述了自己的结构主义教学理论。所谓结构主义教学理论，主要包括以下几个方面：（1）认为结构具有普遍性。"任何学科中的知识都可引出结构"，"在天平的例子中，结构便是儿童头脑中所想的许多依次排列的砝码"。布鲁纳认为"一门学科的课程应该决定于对能达到的、给那门学科以结构的根本原理的最基本的理解"，即一门课程的课程目标应该是让学生对本学科基本原理有基本的理解。（2）认为学科的基本结构包括该学科基本概念、原理、知识及其内在联系，和学生的学习态度、方法。"掌握某一领域的基本观念，不但包括掌握一般原理，而且还包括培养对待学习和调查研究、对待推测和预感、对待独立解决难题的可能性的态度"。（3）认为学科的基本结构在学科教学中有重要意义。布鲁纳认为，学科结构是"教学的中心"，"无论我们选教什么学科，务必使学生理解该学科的基本结构"；学生"懂得基本原理可以使得学科更容易理解"，有利于学生理解和掌握整个学科；学生"学习普遍的或基本的原理的目的，就在于保证记忆的丧失不是全部丧失，而遗留下来的东西使我们在需要的时候得以把一件件事情重新构思起来"，有利于学生对整个学科的记忆；学生"领会最基本的原理和观念，看来是通向适当的‘训练迁移’的大道"，有利于学生的学习迁移。针对"机械工程控制基础"课程存在的问题，决定在教学中采用结构主义教学，使教师和学生在教学过程中专注于构建课程的理论框架，通过该框架汇总课程学习过程中的知识，使该框架在教学中起到提纲挈领的作用，便于学生对课程内容的整体把握，提高教学质量；针对课程中数学公式多，计算推导难度大的问题，指导学生使用MATLAB软件进行处理，降低计算难度，提高学生学习兴趣，学习主动性和创造性。

"机械工程控制基础"课程的教学目标，是让学生学会运用工程控制论的基本理论和方法，分析研究机械工程控制领域中有关信息传递、反馈和系统控制性能问题，培养学生判别系统稳定性、变更系统参数，以改善系统性能的分析综合能力[3]。课程教学内容，从理论上分为系统数学模型建立，系统时域、频域性能分析，和系统校正三个部分，各部分包括的基本概念、理论、知识点较多，且分布零散。学生听课、作业和课堂测试过程中，容易出现学习疲劳，注意力分散，学习兴趣降低，消极懒惰，课堂测试成绩不理想等现象。通过研究总结，为降低本课程的教学困难，笔者提出了在课程教学过程中进行以教师引导，学生参与，搭建课程内容结构框架为主的结构主义互动教学，教学过程具体分为三步：（1）教师在课堂上搭建课程框架结构，以框架统领知识点在教学过程中，借助教材，搭建了图1所示的课程知识框架。以学科的研究对象，系统为起点，借助数学工具建立系统数学模型，再通过拉普拉斯变换得到系统传递函数，传递函数能够有效地描述系统的固有特性，并且具有形式简单，便于操作的特点；再对传递函数进行时间响应分析和频率特性分析，分析系统性能，进而通过对传递函数和频率特性使用Routh判据、Nyquist判据和Bode判据，分析系统的稳定性；如经分析发现系统不稳定，则需在系统中加入校正环节，重新建立系统的传递函数，分析其特性，判断其稳定性，通过这种判断机制，获得稳定性较好的系统。其中频率特性和稳定性分析是本课程重要内容，同时也是教学重点难点，关系到整门课程的教学，教师需熟练掌握该部分内容涉及到的数学工具，选择合适的教学策略进行教学。通过搭建以上结构框架，"机械工程控制基础"课程的各教学模块、知识点，化零为整，在课程中的地位一目了然，能保证教师和学生在有限的学时中，分清主次，帮助学生把握课程内容，避免学生听课过程中出现惰性、疲劳和注意力分散等现象，进行有效的教学学习。有利于提升学生对学科的全面认知，从较高的视角认知把握课程，不再拘泥于琐碎的学科知识和数学推导，能对学科和相关工程问题进行深入探讨。（2）学生通过作业总结课程框架，理解、细化、巩固、贯通课堂知识在第一步中，教师在课堂上引导学生总结学科知识的基本结构框架，并对其进行衔接，但因为课堂时间限制，不可能在课堂深入展开。因此，教师通过布置作业的形式，要求学生总结学习内容，在课堂总结的内容架构的基础上，根据自己的思维习惯和对课程知识的掌握程度，细化知识基本结构框架。学生可以在总结过程，对课堂和教材上的知识进行回忆，理解，加深对课程知识点的理解，并养成自己动脑进行探索的习惯，形成架构学科知识框架的能力，这对其以后的学习工作，都具有重要的意义。真正做到，如布鲁纳所说，在教学中，使学生"掌握某一领域的基本观念，不但包括掌握一般原理，而且还包括培养对待学习和调查研究、对待推测和预感、对待独立解决难题的可能性的态度。"（3）教师依据工程案例构造习题，锻炼学生解决问题的能力习题：图2为一液压驱动系统，已知负载的质量m=8kg，负载受到的阻尼c=0.1，流量增益为Kq=1.5m3/s*m，活塞横截面积为A=0.03m2，流量-压力系数为Kc，试计算系统的传递函数；用Routh稳定判据判断系统的稳定性，确定系统稳定时Kc的取值范围；从取值范围内选择任意Kc值，运用Nyquist判据和Bode判据，判断系统的稳定性。该习题结合工程实际问题，以计算题的形式，将课程各知识点串联起来。学生在解题过程中，回顾、提取了课程知识框架中的知识点，对各种概念有了更深入的了解，纠正了一些理解偏差，进一步巩固了学科知识，提高了对学科的认知，锻炼了解决实际工程问题的能力，树立起解决问题的信心。由于Nyquist图和Bode图手工绘制较为困难，在解题过程中，指导学生使用MATLAB软件绘制，完成闭环稳定性判断，和稳定裕度计算。MATLAB的使用简化了计算，把学生从复杂的数学计算中解放出来，使其有更多精力关注题目的解题思路，解题路径，在提高学生解决问题能力，增加学习兴趣的同时，使学生掌握MATLAB软件的基本功能，为其以后的科研工作打下良好的基础。

图3为采用结构主义教学的班级学生的期末考试卷面成绩分布情况，图4为对照班级的期末考试卷面成绩分布情况。可以发现在同样的学习时间里，采用结构主义教学的实验班级大量学生的期末成绩处于中等阶段（70-80），在良好（80-90）和优秀（90-100）阶段也有一定的分布，与对照组比较，不及格率显著降低，表明实验组学生对学科知识有了较好的掌握。实践证明，结构主义教学理论确实能提高"机械工程控制基础"课程的教学效果。

结构主义教学，注重在教学过程中通过归纳总结知识点，搭建课程的知识框架，使学生能在较短的时间，理解课程的核心知识及其逻辑关系，把握课程知识体系，深入理解各知识点在解决问题时的使用方法，提高学生解决问题能力。通过教学实践，结构主义教学使学生对课程的学习和复习难度有所降低，运用课程知识解决问题的能力有明显的提示。当前的高等教育为了给学生更多可自由支配的时间，以参加更多课外实践活动，发展兴趣爱好，往往存在课程知识量大，课时少的问题。结构主义教学能够在较短的时间内，使学生对课程有深入的理解和把握，为提高高等教育教学质量，教师可以将结构主义教学应用到高等教育课程教学中。

参考文献：