“机械工程控制”教学新模式探讨与实践

肖成龙

摘 要：文章指出“机械工程控制”教学中采用以多媒体讲授为主的常规模式存在的不足，并提出以板书结合MATLAB仿真为主，多媒体讲授为辅的教学新模式。实践表明采用新的教学模式可极大地吸引学生们课堂上的注意力，增强学生与教师间的互动，活跃课堂氛围，提高教学效果。

“机械工程控制”是机械专业必修的一门专业基础课，以工程技术领域中的机械系统作为研究对象，研究其在外界作用下的动力学问题。具有理论性较强、教学内容丰富，但学时少、理论知识与机械工程实际问题的联系不紧密等特点。近几年笔者一直担任该课程的主讲教师，发现采用以多媒体讲授为主的常规模式使学生们在学习该课程时普遍产生兴趣缺乏等现象，导致了学生学习积极性差、教学效果不佳等问题。

为此，笔者对该门课程的教学方式进行改革，摒弃常规模式，采用板书结合MATLAB演示为主、多媒体讲授为辅的新模式，并在教学过程中进行了实践。结果表明这种新的教学模式较常规模式具有明显优越性，下面笔者就以“机械工程控制”中三部分典型的教学内容作为案例，阐述这种教学新模式的具体实施过程。

一、Laplace变换与逆变换

笔者在讲述该章节时，首先给学生们复习了复数和分步积分的相关知识。然后，基于Laplace变换的定义，采用板书形式导出了几种典型输入信号对应的Laplace变换函数，并证明了Laplace变换的一些基本性质；此外，还阐述了利用部分分式法求解有/无重极点复变函数Laplace逆变换的步骤。最后，笔者向学生们演示了如何利用MATLAB来实现时域信号的Laplace变换和复变函数的Laplace逆变换计算。

二、振荡环节的阶跃响应

笔者在讲述该章节时，以振荡环节的单位阶跃响应为例，定量地评估参数ωn和ζ对响应曲线的影响规律。为此，笔者首先针对ζ=0、0<ζ<1、ζ=1和ζ>1这四种情况采用板书的形式分析了对应的传递函数G（s）的零極点在复平面的分布情况，并分别导出了这四种情况对应的单位阶跃响应解析式；其次利用MATLAB软件对四种情况的单位阶跃响应进行仿真，观察参数ζ对响应曲线形状的影响规律，结合图形对结果产生的原因进行解释并建立曲线形状与零极点分布之间的逻辑联系；最后，笔者以欠阻尼情况为例，通过对ωn赋不同的数值探讨ωn对欠阻尼振荡环节单位阶跃响应曲线形状的影响。

三、频率特性对数坐标图的绘制

正确绘制系统频率特性对数坐标图是准确分析系统频率特性和判断系统是否稳定的前提。笔者在讲述该章节的内容时，首先采用板书的方式就典型环节的频率特性表达式进行了推导，演算各环节对应的幅频和相频表达式，并作出相应的频率特性对数坐标图。其次，结合实例针对复杂系统的频率特性对数坐标图的绘制步骤进行讲解。最后，笔者利用MATLAB软件演示了典型环节和复杂系统的频率特性对数坐标图的精确绘制方法，并与手工绘制的近似曲线进行对比分析。

笔者采用如上所述的教学模式进行了近两年的课堂实践，通过对比发现采用这种新教学模式可显著提高教学效果。其原因可能有：①打破了传统的以老师单纯地讲授枯燥乏味的理论知识为主导的上课模式，引入了边学习理论知识边在计算机上进行验证理论的实践环节，丰富了课堂内容；②课堂上交互式的人机界面操作和丰富多彩的动态仿真曲线极大地吸引了学生们的注意力和兴趣；③增强了学生与教师之间的互动与交流，活跃了课堂氛围的同时也拉近了学生与教师之间的距离，显著提高了学生学习的积极性和主动性。

本文提出了一种以板书结合MATLAB仿真为主、多媒体讲授为辅的“机械工程控制”教学新模式，并在实际的教学过程中进行了为期两年的实践。结果表明：与以多媒体讲授为主的常规教学模式相比，采用这种新教学模式丰富了课堂内容，极大地吸引了学生们兴趣，提高了学生学习的主动性，显著提高了教学效果。

参考文献：

[1]杨叔子，杨克冲，吴 波，等.机械工程控制基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[2]陈康宁.机械工程控制基础[M].西安：西安交通大学出版社，1997.