李小虎 王朝晖 郭艳婕 张进华

[摘 要] 针对“机械控制工程基础”课程理论内容多、与实际工程结合难等问题，尝试对该课程进行改革。首先确定“机械控制工程基础”的教学目标、思路和内容，其次提出理论知识与科研项目、工程实践相互印证的多元教学方法，最后建立以学生培养达成度为目标的机械控制工程教学评价体系，形成以提升学生综合能力为导向的课程拓展创新环节。通过该课程教学改革的初步尝试，培养了学生在实际机械工程中的系统分析与设计能力。

[关键词] 机械控制;教学改革;教学目标;教学评价

[基金项目] 2020年度西安交通大学名课程、思政课程建设项目，新工科研究与实践项目“智能制造对新型工程科技人才的培养需求及对策研究”;2017年度教育部产学合作育人项目“以产品研发工程链的机电类项目式实践教学方法研究”（201702008021）;2017年度科技部创新方法工作专项“多层次多模式的高校创新方法人才培养体系建设与示范”（2017IM030100）

[作者简介] 李小虎（1976—），男，江西萍乡人，博士，西安交通大学机械工程学院副教授，主要从事复杂机电系统优化控制研究。

[中图分类号] TH165   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）49-0052-04    [收稿日期] 2021-06-26

一、引言

2016年6月，我国正式加入华盛顿协议，标志着我国高等工程教育与国际接轨。协议规定了大学人才培养目标和毕业要求等多个环节，同时要求大学的课程架构、教学与评价要围绕这些规定的环节来开展[1，2]。“机械控制工程基础”是西安交通大学机械工程专业的必修核心课程之一，学生对课程中的系统、模型、反馈、控制等重要概念理解不深，与实际机电系统联系的思维缺乏，导致难以在今后的实际工作中将本课程的理论与实际应用相结合[3-8]。因此，本文拟从产学导向理念出发，结合理论与实际对“机械控制工程基础”课程教学改革进行阐述，构建实仿结合、机控一体的教学体系，旨在培养学生的机械工程思维、机械控制系统分析与设计能力等，满足智能制造对机械类学生素质和能力的要求。

二、课程目标及要求

本课程的主要任务是通过课堂教学、计算机软件模拟、实验教学等教学方式，使学生掌握实现机械系统自动控制的基本理论;学会典型机电系统的数学建模、运行性能分析和系统设计、校正与补偿等基本知识和基本技能;具有最基本的机电控制系统分析设计能力，以及对机械控制问题进行分析、求解和论证的能力。具体指标如图1所示。

三、教学思路及内容

（一）教学思路

为使学生能够将实践与仿真、机械与控制等知识结合理解，提出以下教学思路：

1.机、电结合。践行课程的教学目标，结合具体机电控制系统（如智能机器人系统、液压伺服控制系统、数控机床丝杠导轨系统等）进行讲解。

2.注重仿真与理论教学的同步，对教学内容中相关知识点辅以计算机分析和设计手段，选用MATLAB或LabVIEW等编程与分析。

3.紧密结合学科前沿知识，突出知识体系的系统性、完整性，增加现代数字控制和智能控制理论等的介绍。

4.重新规划课程实验内容，将实验教学面向机械领域的典型对象，并与课堂教学内容相对应。

（二）教学内容

“机械工程控制基础”课程教学内容包含理论教学、实验教学、仿真教学及课外拓展，具体教学内容如下。

1.理论教学内容。理论教学内容设置了40个学时，主要介绍机械控制工程的基本概念、机电系统数学模型的建立、机电控制系统的时域分析、机电控制系统的稳定性分析、根轨迹方法及校正、系统的频域分析和机电控制系统的设计和校正。

2.仿真教学内容。仿真课外操作教学设置了8学时，围绕各章教学重点内容，介绍Matlab计算机控制仿真分析软件，并指导学生上机操作。

3.实验教学内容。在实验内容方面，设置了16学时的课程实验，包括：（1）基于直流伺服电机的旋转运动控制与校正实验;（2）基于比例电磁铁的直线运动控制与校正实验;（3）基于直线伺服电机的倒立摆控制与校正实验;（4）基于直流伺服电机的球杆控制与校正实验;（5）基于倒立摆系统的控制与校正系统。以上5个综合实验，要求学生自由选择其中4个，通过开设的实验培养学生运用理论知识进行实验综合设计的能力，以及分析理论问题、解决复杂工程问题的能力。

4.课外实践拓展。采用CDIO等形式开展本课程的课外实践拓展活动，引导学生将理论知识用于实践，并开发相关作品。

四、教学方法

在教学方法方面，增加实际工程案例，将教师科研项目与成果不断地引进到教学体系中。同时，邀请从事机械控制领域相关的企业工程技术人员讲授企业案例。具体包括以下几方面。

第一，采用启发式教学，引导学生独立思考，结合讨论，增强学生的主动性，培养学生对实际工程问题的分析能力，从而使学生通过独立思考和讨论获得理论与工程实践相结合的知识。

第二，采用机械工程案例教学，系统讲授古典控制理论应用于经典机电系统案例（如工业机器人、无人机、数控机床等），初步介绍现代控制、智能控制理论的基本知识和方法。并邀请相关领域的企业技术人员开展讲座，深入了解控制技术在机械工程的应用情况。

第三，在教学过程中采用PPT与传统板书相结合的方式，同時辅以视频课件、动画课件等，提高课堂教学的生动性，提升教学质量和效果。

第四，理论教学紧密联系实验教学，强化计算机仿真教学，结合教师的机械控制类科研项目，引导学生理解其中的基本原理，采用相关的工具软件，进行机械控制系统的理论分析与设计、仿真计算与实验，培养学生解决机械控制工程实际问题的逻辑思维和实践应用能力。

第五，实验教学部分要求4～5名学生成立一个小组，每个综合实验设1名组长，由组长协调组员的分工。综合实验完成后需撰写实验报告，并就实验内容进行答辩，总结实验过程中得到的规律和发现的不足。答辩评委由任课教师与实验教师共同组成，根据实验报告和答辩情况给出最终成绩，着重培养每日一个学生的沟通交流和团队协作的能力。

第六，课程将结合机电系统实例，从理论层面对其原理进行剖析，并结合当前发展趋势进行拓展，找出目前国内研究和应用等层面上的差距，激发学生改变这种现状的激情，使学生的爱国情怀在实际工程中得到体现。

五、课程评价

（一）课程考核环节

“机械控制工程基础”课程考核的主要目的是考核学生能力培养目标的达成度，包括平时课堂作业（10分）、实验报告与答辩（30分）、期末考试（60分）三部分。

（二）课程目标达成度的评价方式

“机械控制工程基础”课程目标达成度的具体计算方法：

课程总目标达成度=

“机械控制工程基础”课程目标达成度评价值计算的具体说明如表1所示。

六、课程效果评价及问题分析

为清晰描述课程改革后的产出导向效果，选取某学年学生考核结果进行分析，包括考试试卷分析、实验考核分析和课程达成度分析。本文以课程达成度分析为基础，分析结果如图2所示。从课程考核结果综合来看，课程的总体达成度为0.883。课程目标1（毕业要求1.4）的达成度相对于课程目标2（毕业要求2.2）和课程目标3（毕业要求4.2）的达成度度略低，反映出学生对机械控制系统一般概念和原理的理解和掌握还有待提升。

通过对试卷、综合实验及课程进行整体分析，发现在后期教学过程中需提高学生在系统校正方面的能力。这主要是因为在上课过程中，教师过多地强调理论和名词解释，导致学生只是掌握了基本概念和组成原理，但是掌握机电系统的时域和频域分析设计校正方法的能力不足。

七、教学拓展实践

为加深学生对课程的理解，本课程紧密结合CDIO项目，鼓励学生在CDIO项目中实践机械控制工程理论知识，提升学生理论与实践的结合能力。学生形成4～6人的項目开发小组，通过市场调研和讨论，确定项目研发方向和方案，并通过翻转课堂论证方案的可行性。随后项目小组根据分工，完成各个功能模块设计，包括机械结构、电子电路及软件计等;随后完成项目模块的整合、调试和优化;最终项目小组提供功能样机，并进行经济性分析，形成研究报告和技术资料。图3给出了学生将机械控制工程基础知识应用于实际开发作品的情况。

八、结语

西安交通大学机械学院对“机械工程控制基础”的教学内容进行了优化配置，提出了理论与实践结合、仿真与实物结合、机械与控制结合的教学方法，将课程目标与毕业要求进行了对应，并通过2019年本课程的学生考试成绩、综合实验成绩及课程综合的达成度等多方面分析，为后续课程教学改进提供了参考和支撑。通过本课程的教学改革，在机械控制工程教学中增加相关实例教学和专案报告，培养学生运用机械控制工程基础理论，分析和解决机械控制实际问题的能力，培养了学生对机械控制工程的逻辑思维能力，提高了学生解决机械控制工程综合应用问题的能力。

参考文献

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[3]夏静萍.面向卓越工程师培养的自动控制原理实验教学改革[J].实验室研究与探索，2017，36（12）：188-191.

[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.

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[8]杨立娟，陈雪峰，张楠，等.基于工程活动链的智能盆栽养护平台的设计与制作[J].实验室研究与探索，2018，37

（4）：59-62+75.

Reform and Practice of “Mechanical Control Engineering Foundation” Course Teaching System Based on Output Orientation

LI Xiao-hu， WANG Chao-hui， GUO Yan-jie， ZHANG Jin-hua

（School of Mechanical Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an， Shaanxi 710049， China）

Abstract： Aiming at solving the problems caused by many theoretical contents and the difficulty to combine with practical engineering， reformation has been tried on the course “Mechanical Control Engineering Foundation”. Firstly， the teaching objectives， ideas and contents of “Mechanical Control Engineering Foundation” were determined. Secondly， the multiple teaching methods of mutual confirmation of theoretical knowledge， scientific research projects and engineering practice were proposed. Finally， a teaching evaluation system of mechanical control engineering aiming at assessing students training achievement degree was established to form an innovative curriculum expansion oriented toward improving students’ comprehensive ability. Students’ ability of system analysis and design in practical mechanical engineering was increased through the preliminary attempt of teaching reform of this course.

Key words： mechanical control; teaching reform; teaching objectives; teaching evaluation

3415501908216