基于案例教学法的控制工程基础课程教学研究
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摘 要 文章先分析控制工程基础课程在教学中存在的问题，然后将5个具体案例穿插在各个章节，将课程知识点串起来系统地讲述控制系统的建模、分析与设计校正的过程。并在课程理论与实践教学中引入Matlab，使教学与仿真实验紧密相结合，能更好地激发学生学习控制工程的积极性，同时还提高了学生综合应用计算机进行系统设计、仿真实验和解决实际工程问题的能力具有良好的效果。
关键词 控制工程基础 案例 控制系统中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.04.043
Abstract The article first analyzes the problems existing in the teaching of the basic course of control engineering， and then intersperses five specific cases into the chapters， and links the course knowledge points to describe the process of modeling， analysis and design correction of the control system. In addition， Matlab is introduced into the course theory and practice teaching， so that teaching and simulation experiment are closely combined， which can better stimulate students' enthusiasm in learning control engineering， and also improve students' ability to comprehensively apply computer to conduct system design， simulation experiment and solve practical engineering problems.
Keywords control engineering foundation; case; control system
“控制工程基礎”是机械大类专业学生一门非常重要的专业基础课程，在机械工程学科课程建设中起着承上启下，是工程数学理论与实践相结合的作用。课程在机械控制系统中以现代经典控制理论为基础，对系统的建模、分析、设计与校正的相关理论知识进行阐述，解决实际工程技术问题的一门课程。同时，该课程对提高学生创新性思维和分析解决工程问题的实际应用能力具有十分重要的意义。由于“控制工程基础”课程的理论性强，同时还涉及高等数学、大学物理、电工学、机械设计等其他学科的知识，是一门具有一定难度和深度的专业基础课程，理论知识理解起来十分抽象，因此要求学生具有扎实的学业功底和较强的抽象思维能力。对学生的知识储备要求较高，且学起来有一定的难度性。在课程教学中根据学校定位和专业人才培养目标的实际情况采用案例教学法是应用广泛且有效的教学手段，在授课中可以加深学生理解掌握课程相关理论知识和提高解决工程实践实际问题的能力。
1 控制工程基础课程教学中存在的问题
1.1 “控制工程基础”课程中理论与实践相结合不够紧密
由于控制工程基础课程是以经典控制理论为基础侧重于理论研究，故其理论性与系统性较强，概念内容较抽象，涉及知识面广，公式比较多等特点，因此要求学生掌握的相关知识基础较高。而在整个课程教学内容里除了在数学模型的章节中，涉及到一些简单的工程系统以外，在其它章节中很少有与实际的工程系统在实践中控制理论发展相结合的内容，且内容也比较陈旧。而由于课程理论知识的抽象性，授课中学生也没有实际操作，学生会对学习该课程的目的、用途及如何应用知识解决实际工程实践问题产生疑问。为此，教师在授课中要选择合适的教材以外，还可以根据所教专业的特点结合一定量的实际控制系统案例进行讲解，能让学生从感官上意识到对学习课程的重要性和实用性，从而提高学生学习该课程的兴趣与积极性。
1.2 “控制工程基础”课程教学模式较单一
教师在控制工程基础课程教学手段普遍是板书传统教学或者多媒体教学。而作为理论性较强的控制工程基础课程，这两种教学手段难以发挥出各自的优势，“板书”教学对容易使课堂变成对数学公式的推导，教学变得枯燥无味，学生注意力也不易高度集中，而多媒体教学容易使部分学生的思维跟不上教学进度，课堂知识也较难以消化。同时，学生可以从互联网资源中获取该课程大量的学习资料，如果教师在教学过程中只是照本宣科，公式推导，就会使学生的学习热情不高，课堂教学变得乏味。而对问题的求解授课教师多是增加例题的形式来吸引学生的注意力，加深对该理论知识的认识。
1.3 学生学习该课程积极性不高
控制工程基础课程具有理论严谨、系统性强、概念抽象、涉及数学知识面广泛、学科交叉明显等特点。对课程的重要性学生在学习出普遍能意识到，学习该课程的热情与积极性也较高。可随着课程的推进，理论公式推导较多，各学科知识之间交叉明显，而对相关的课程基础知识掌握学生往往不牢固，从而导致学生在学习时困难重重，学习热情与积极性下降。另外还有相当一部分学生对“控制工程基础”课程在认识上存在误区，认为自己将来就业及深造与该课程的关系不大，也会导致学生在学习该课程时积极性不高。
2 教学改革的思路
2.1 结合工程实际应用，使理论与实践相结合
学生学习改课程教学的最终目的是用所学的控制理论知识来解决机械工程实际问题的能力。而在教学中适当增加工程实际案例的应用，做到理论与实践相结合，教师可以鼓励和指导学生参加机械类相关的学科竞赛活动（如机械创新设计大赛，工程训练大赛，飞思卡尔智能车大赛，机器人大赛等），也可以让部分学生参与到该领域相关的科研项目中，培养学生对科学研究的兴趣和利用所学知识解决实际问题能力，达到理论与实践相结合。同时为适应专业的发展，可以聘请本学科领域的专家举办科研讲座，让学生对控制领域的最新研究成果能更好地了解，丰富完善学生的实践内容和知识体系。 2.2 改进教学模式，提高课堂教学质量
控制工程基础课程在授课过程中要改变以往教师在课堂上满堂灌，学生在下面听的填鸭式教学方式，合理多利用多媒体和网络教学等手段，使新媒体与传统教学手段更好地结合。
并在授课中每章最后进行简要介绍MATLAB软件在该章节的应用，这样可以使教学内容更生动直观，学生对相关理论知识更容易理解和掌握，并且可以给学生布置与之相关的课后作业通过MATLAB软件来完成，从而提高学生学习使用MATLAB仿真软件，充分调动学生学习的主动性和积极性。同时通过融合新媒体教学手段，将控制工程学科最新的研究成果和内容相对应地补充到教学内容中去，提高学生对该课程学习的热情与兴趣，达到提高教学质量的目的。
3 教学改革的具体内容
在案例选取时教师要根据授课学生的专业，并且需要选择教师熟悉的相关工程系统，最好是专业教师在教学中自己研发的工程实例。在授课时对这些工程中的控制问题进行简要介绍并提供相对应的解决思路，这样可以达到很好的教学效果，否则将直接影响到课堂的教学效果。在教学环节中，教师讲授时以控制系统数学建模、分析、设计与综合校正为主线，在以时域分析、稳定性分析、根轨迹分析和频域分析作为辅助来开展。并在理论与实践教学中引入MATLAB软件仿真，可以简化公式推导，降低控制理论的抽象性。在这个过程中理论知识与工程实际应用紧密相连和贯通，能加深学生对理论知识的理解与掌握，更能有效的提高学生对知识的综合运用能力。
本研究建立了控制工程基础案例库，第二章选取的案例是汽车半主动悬架模型，是汽车在凹凸不平路上行驶时承载系统的简化力学模型，可抽象成质量—弹簧—阻尼系统的力学模型。把路面的高低变化形成激励源作为输入位移，造成汽车的振动和轮胎受力。汽车车体可以作为一个弹簧阻尼系统，轮胎的垂直受力可看作为一个弹簧。
第三章控制系统的时域分析，以火星漫游车驱动系统和哈勃太空望远镜驱动系统两个实例作为案例。先用结构框图和信号流图梅逊公式等效方法进行建模，之后用劳斯稳定判据判断系统的稳定性，对其总输出与误差函数用结构图等效变换方法求解，最后，利用MATLAB软件仿真，求出其控制系统的性能指标和相关误差参数。
第四章根轨迹分析法，选X-Y绘图仪控制系统作为案例，利用MATLAB软件仿真，通过调整系统偏差信号的增益和速度信号增益，使系统的阶跃响应的超调量、调整时间和稳态误差满足设计要求。
第五章频域分析法和第六章控制系统的综合与校正，都是选激光操纵控制系统作为案例，利用频域分析法对控制系统的闭环频域响应特性可以根据系统的开环频域特性图形来求解，同时对控制系统的性能影响的相关参数及环节进行判别，从而修改控制系统使之满足系统所要求的性能指标。
通过这些实例把控制工程基礎的各方面知识进行形象化展示与讲解，既可以提高学生学习的兴趣与积极性，又可以为学生的自主学习提供方便，从而提高解决实际工程实践能力，达到理论与实践相结合。
4 结束语
综上所述，通过案例教学法在控制工程基础课程中的实践，学生对课程中的抽象内容更容易理解和掌握，激发学生学习兴趣。课堂的教学内容与理论知识联系紧密，改善了教学效果，提高学生听课效率和对知识的综合实际应用能力，促进学校教学水平的提高。另外教师在授课授课时引入MATLAB提高学习兴趣，进而培养出具有扎实专业技术基础、综合工程系统能力和良好团队协作能力的当代应用型人才，为学生后续课程学习和科研打下基础。
巢湖学院校级特色专业项目“机械设计制造及其自动化”（项目编号：ch17tszy01）
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