机械控制中案例教学改革

1、机械控制中案例教学改革机械控制工程是机械类专业的重要技术基础课，重点研究控制论在机械工程中的应用，具有理论性强、知识点多、内容抽象等特点，学生经常感到枯燥、乏味。如何通过课程教学改革来激发学生学习兴趣，进而改善教学效果，是近年来一线教师所不断探索的内容。目前机械控制工程教改内容主要有13:(1)通过制定新教学大纲来整合教学内容，优化教学体系;(2)采用现代教育技术来提高教学效率;(3)采用启发式教学来激发学生学习兴趣;(4)建立科学合理的考核体系等。一系列改革在提高学生学习兴趣、发挥学生学习主动性等方面起到了促进作用，但学生的系统设计能力提高并不明显。针对控制工程课程特点及教学现状，课题组深入

2、开展了该课程的教学改革，重点研究了基于工程案例驱动的教学方法。教学实践表明，课程改革有效地改善了教学效果，提高了学生知识掌握和应用能力。 一机械控制工程课程改革思路 机械控制工程课程具有较强的工程应用背景，而学生自身往往缺乏工程实战经验，如何上好这门核心专业基础课，课题组深入开展了课程改革，并从以下四个方面进行了探索和实践。 (一)教学内容改革 在掌握控制论基本原理的基础上，进一步整合和精简教学内容，优化教学体系。课题组精选了“十一五”国家级规划教材控制工程基础4作为教学教材，将控制系统基本概念、数学模型、时域分析、频域分析和PID控制及其应用作为课程的主要教学内容。值得一提的是，在PID控制

3、部分，在新教学大纲里，课题组完全从应用角度出发，将以往偏理论的控制系统设计和校正内容，改为讲授PID控制器含义、模拟PID、位置式和增量式数字PID、PID各环节作用以及PID整定。从课堂反映来看，学生能比较清晰地掌握PID控制器知识点;从后期实践来看，学生也能熟练运用PID去设计系统，达到了教学改革的目的。 (二)教学方式改革 课题组根据实际情况，采用了分层次教学。即对于不打算考研，以学以致用为主的学生，在阐述清楚控制理论基本知识基础上，将重点放在了知识点的应用。而对于想继续深造的同学，则以讲座形式进行内容补充，比如开设了根轨迹、非线性系统分析等，这样既不影响前者，又满足了后者的考研需求。

4、(三)教学手段改革 课题组基于现代教育技术来提高教学效果。首先将多媒体图文并茂、音像丰富、信息量大的优点，与板书条理清楚、重点突出优点有机结合;其次利用中国数字大学城平台，建设了自动控制基础精品课程网站，完善了答疑、讨论和交流模块，方便了学生课后复习以及与主讲教师的交流等。针对控制工程课程中数学含量多，公式推导麻烦的问题，课题组还利用Matlab软件，针对数学模型、时域分析、频域分析和PID控制等内容开发了相应的计算机辅助教学系统，将抽象理论更加具体化和直观化。 (四)教学方法改革 教学方法直接关系到课程最终的教学效果，教学手段再先进，方法不得当也不能激发学生学习兴趣，提高学生学习主动性。为此

5、课题组从知识结构以及应用角度出发，将教学与工程背景相结合，根据不同的教学内容设计不同的工程案例，提出了基于工程案例驱动的教学模式。 二工程案例驱动的教学模式 课题组所提出的案例驱动教学，其本质上是将理论教学与工程实践相结合，通过工程案例来激发学生的学习兴趣，发挥学生主体性，让其主动去学，同时又借助工程案例来加强学生的创新和实践能力的培养。为此，根据教学要求，课题组设计了若干工程案例，并将其划分为三种类型:启发型、认知型和设计型。 (一)启发型案例教学模式 启发型案例主要是针对课程或章节，采用一些综合性工程案例让学生了解课程或章节的重要性，进而激发学生对后续知识点的学习兴趣。在课程开篇之际，为了

6、激发学生学习兴趣，并了解控制本质。课题组提供了一段学院学生获奖的“飞思卡尔”智能车比赛视频，先将学生思绪引入到赛车的速度激情中去，然后引出思考:如何在高速下让赛车(如图1)沿着黑线走但不冲出赛道?进而过渡到系统的控制本质:检测光电传感器中心点与黑线的距离偏差，并纠正偏差。通过比赛视频，学生们在掌握系统控制本质同时，也纷纷表示要加入到学院智能机器人实验室，从而给控制工程教学开了一个好头。除课程开篇之际，我们在其它章节也同样引入了工程案例，比如在讲述时域分析时，引入了高等级公路动态称重系统，在讲述频域分析时引入了上世纪沙俄部队齐步振跨桥梁的案例。 (二)认知型案例教学模式 认知型案例主要是针对教学

7、中的重点和难点，利用一些小型或局部性工程案例来诠释知识点。控制工程知识点多而抽象，难以理解，为此课题组针对知识点设计了认知型案例。比如:在系统组成知识点上，设计了温箱自动控制系统案例来诠释系统组成及其作用。在比例环节知识点上设计了齿轮传动副等等。认知型案例让抽象的知识点直观化，从而帮助学生消化和掌握知识点。 (三)设计型案例教学模式 设计型案例主要是通过提供可供操作的工程项目，让学生将所学的理论知识实现工程应用，进而培养学生的实践动手能力和创新能力，实现实践向创新型和研究型转变。为此，课题组从以下三个方面进行了探索和实践。 (1)实验项目。由于实验学时少，目前机械控制工程所开设实验，主要按图索

8、骥地搭建电路图来模拟典型环节，或测试二阶系统的时域响应和频率响应等。所有参数都参考实验指导书，大大弱化了学生的主动性。为了改变这种状况，课题组在实验前先提供一些机械平移系统和电气系统等，让学生先运用课堂知识建立微分方程，获得系统数学模型，然后再借助实验设备来模拟或测试系统时域响应和频率响应，这样在强化实验同时也融合了课堂知识。此外，针对志在考研的同学，课题组也根据补充讲座内容设置了12学分课外开放实验项目，满足他们以及其他感兴趣的同学。 (2)大学生本科创新。为了培养大学生的创新精神和实践能力，鼓励和支持大学生尽早地参与科学研究和技术开发等创新活动，同时更好地体现课程改革中“工程驱动”的思想，

9、针对学校的大学生本科创新项目，课题组联合学有余力的同学积极申报了若干以控制为主的项目，比如校级重点本科创新项目:服务机器人导航运动控制系统设计，就是集合了控制工程中的数学建模、时域分析、PID控制等知识，通过该项目很好地将课程所学的知识点进行了前后贯通，从而培养了学生实践能力和创新能力。 (3)大学生竞赛。为了进一步加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，课题组每年还选拔一部分优秀学生，开发一些设计性项目去参加各类比赛。比如2010年设计了“四轴飞行器”参加了江苏省机械创新比赛，2010、2011年连续两年参加了全国“飞思卡尔”智能车比赛，这些项目无一例外都涉及到系统控制。学生在获得荣誉的同

10、时，都一致认为参加比赛不仅培养了创新能力和团队协作精神，也提高了分析问题和解决问题的能力。案例驱动式教学一方面可以较大程度地激发学生的学习兴趣，发挥他们主体性来主动学习、主动实践;另一方面也对教师的业务水平提出了更高的要求，不仅要求有比较深的理论知识，而且要求有工程实践经验，只有这样才能更好地完善教学。 三案例化教学设计及实践 为了进一步阐述如何进行案例化教学，本节以教学内容第五部分，即PID控制及其应用为例进行教学设计及实践。近年来，虽然智能控制等都得到了很大发展，但基于PID的工业现场控制仍占据主要地位。PID教学若直接从理论着手，学生很难理解和接受。为此课题组首先设计了一个启发型案例恒温

11、箱控制，让学生从主观上认识到是否增加PID控制策略、以及PID控制器参数的优劣对系统的影响。图2为某恒温箱系统的阶跃响应曲线5，其类似于带延迟的一阶惯性环节的响应曲线。为了体现出PID在恒温箱控制中的作用，以及控制器参数(kp、ki、kd)的影响。课题组首先将系统在无控制策略情况下的输出(图3)展现给学生，由图可以看出系统是发散的，不能实现恒温控制。然后对系统增加PID控制策略，从而获得图4的系统输出。对比图3和图4，让学生明白增加PID控制策略后，系统能基本上收敛于设定值35，由此看出给系统施加PID控制的重要性。接着进一步引导学生仔细观察图4，可以发现温度虽收敛但在设定值处出现振荡，这对于

12、系统的稳定性来说不是很好。为什么会造成这种情况呢?可以提出这个问题让学生思考，并最终给出解释那是因为PID控制器参数选择不当造成的。图4的控制器参数是通过常规的试凑法获得的，其值为:kp=20、ki=001、kd=90。最后给出经过遗传优化的结果(图5)。由图可以看出，系统响应速度更快、更平稳。此时的PID参数值分别为:kp=1023、ki=003、kd=795。通过该启发型案例，可以向学生传递两个信息:一是PID控制策略对系统的控制很重要;二是参数的整定对系统控制的精度和稳定性很重要。 四结语 针对机械控制工程课程特点，课题组开展了一系列旨在提高教学质量的教学改革，并将基于工程中项目驱动的教

13、学方法作为研究重点。案例化教学实施至今已接近两年，期间课题组组织学生成功申报近10项与控制相关的各类本科创新项目，其中2项为江苏省大学生实践创新训练计划，与学生合作发表论文6篇，申请发明专利1项，“四轴飞行器”在2010年江苏省机械创新大赛中荣获二等奖，“飞思卡尔”智能车在2010年荣获华东赛区光电组一等奖、全国二等奖，在2011年荣获华东赛区光电组和摄像头组两个二等奖，电磁组三等奖。教学实践表明课题组的教学改革是有效的，而基于项目案例驱动的教学模式，对激发学生的学习兴趣，培养学生的创新能力、团队协作精神，提高分析问题、解决问题的能力起到了极其重要的作用。6 1、最灵梦想是一个天真的词，实现梦

14、想是个残酷的词。21.2.52.5.202110:0610:06:192月-2110:062、只有收获，才能检验耕耘的好处；只有贡献，方可衡量人生的价值。二二一二二一年二月五日2021年2月5日星期五3、不要放弃，你要配的上自己的野心，也不要辜负了所受的苦难。10:062.5.202110:062.5.202110:0610:06:192.5.202110:062.5.20214、找一个理由，否认忧伤，笑容就会灿烂到无所不在。2.5.20212.5.202110:0610:0610:06:1910:06:195、成功与不成功之间有时距离很短只要后者再向前几步。二月 21星期五, 二月 5, 2

15、0212/5/20216、只要努力抬起你的双脚，胜利将属于你。10时6分10时6分5-2月-212.5.20217、青春如此华美，却在烟火在散场。21.2.521.2.521.2.5。2021年2月5日星期五二二一二二一年二月五日8、真正没有资格谈明天的人，是那个不懂得珍惜今日的人。10:0610:06:192.5.2021星期五, 二月 5, 20211、你始终不属于我，属于我的只是我自己。21.2.52.5.202110:0610:06:192月-2110:062、一份信心，一份努力，一份成功；十分信心，十分努力，十分成功。二二一二二一年二月五日2021年2月5日星期五3、你是唯一的，你是

16、十分独特的，你就是你生命中的第一名。10:062.5.202110:062.5.202110:0610:06:192.5.202110:062.5.20214、要跟成功者有同样的结果，就必须采取同样的行动。2.5.20212.5.202110:0610:0610:06:1910:06:195、我们的生命，就是以不断出发的姿势得到重生。二月 21星期五, 二月 5, 20212/5/20216、只要站起来的次数比倒下去的次数多，那就是成功。10时6分10时6分5-2月-212.5.20217、自知之明是最难得的知识。21.2.521.2.521.2.5。2021年2月5日星期五二二一二二一年二月五日8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。10:0610:06:192.5.2021星期五, 二月 5, 20211、最灵繁的人也看不见自己的背脊。21.2.52.5.202110:0610:06:192月-2110:062、最困难的事情就是认识自己。二二一二二一年二月五日2021年2月5日星期五3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。10:062.5.202110:062.5.202110:0610:06:192.5.202110:062.5.20214、与