機械控制中案例教學改革
時間:2022-07-28 09:04:31
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機械控制工程是機械類專業的重要技術基礎課,重點研究控制論在機械工程中的應用,具有理論性強、知識點多、內容抽象等特點,學生經常感到枯燥、乏味。如何通過課程教學改革來激發學生學習興趣,進而改善教學效果,是近年來一線教師所不斷探索的內容。目前機械控制工程教改內容主要有[1-3]:(1)通過制定新教學大綱來整合教學內容,優化教學體系;(2)采用現代教育技術來提高教學效率;(3)采用啟發式教學來激發學生學習興趣;(4)建立科學合理的考核體系等。一系列改革在提高學生學習興趣、發揮學生學習主動性等方面起到了促進作用,但學生的系統設計能力提高并不明顯。針對控制工程課程特點及教學現狀,課題組深入開展了該課程的教學改革,重點研究了基于工程案例驅動的教學方法。教學實踐表明,課程改革有效地改善了教學效果,提高了學生知識掌握和應用能力。
一機械控制工程課程改革思路
機械控制工程課程具有較強的工程應用背景,而學生自身往往缺乏工程實戰經驗,如何上好這門核心專業基礎課,課題組深入開展了課程改革,并從以下四個方面進行了探索和實踐。
(一)教學內容改革
在掌握控制論基本原理的基礎上,進一步整合和精簡教學內容,優化教學體系。課題組精選了“十一五”國家級規劃教材《控制工程基礎》[4]作為教學教材,將控制系統基本概念、數學模型、時域分析、頻域分析和PID控制及其應用作為課程的主要教學內容。值得一提的是,在PID控制部分,在新教學大綱里,課題組完全從應用角度出發,將以往偏理論的控制系統設計和校正內容,改為講授PID控制器含義、模擬PID、位置式和增量式數字PID、PID各環節作用以及PID整定。從課堂反映來看,學生能比較清晰地掌握PID控制器知識點;從后期實踐來看,學生也能熟練運用PID去設計系統,達到了教學改革的目的。
(二)教學方式改革
課題組根據實際情況,采用了分層次教學。即對于不打算考研,以學以致用為主的學生,在闡述清楚控制理論基本知識基礎上,將重點放在了知識點的應用。而對于想繼續深造的同學,則以講座形式進行內容補充,比如開設了根軌跡、非線性系統分析等,這樣既不影響前者,又滿足了后者的考研需求。
(三)教學手段改革
課題組基于現代教育技術來提高教學效果。首先將多媒體圖文并茂、音像豐富、信息量大的優點,與板書條理清楚、重點突出優點有機結合;其次利用中國數字大學城平臺,建設了《自動控制基礎》精品課程網站,完善了答疑、討論和交流模塊,方便了學生課后復習以及與主講教師的交流等。針對控制工程課程中數學含量多,公式推導麻煩的問題,課題組還利用Matlab軟件,針對數學模型、時域分析、頻域分析和PID控制等內容開發了相應的計算機輔助教學系統,將抽象理論更加具體化和直觀化。
(四)教學方法改革
教學方法直接關系到課程最終的教學效果,教學手段再先進,方法不得當也不能激發學生學習興趣,提高學生學習主動性。為此課題組從知識結構以及應用角度出發,將教學與工程背景相結合,根據不同的教學內容設計不同的工程案例,提出了基于工程案例驅動的教學模式。
二工程案例驅動的教學模式
課題組所提出的案例驅動教學,其本質上是將理論教學與工程實踐相結合,通過工程案例來激發學生的學習興趣,發揮學生主體性,讓其主動去學,同時又借助工程案例來加強學生的創新和實踐能力的培養。為此,根據教學要求,課題組設計了若干工程案例,并將其劃分為三種類型:啟發型、認知型和設計型。
(一)啟發型案例教學模式
啟發型案例主要是針對課程或章節,采用一些綜合性工程案例讓學生了解課程或章節的重要性,進而激發學生對后續知識點的學習興趣。在課程開篇之際,為了激發學生學習興趣,并了解控制本質。課題組提供了一段學院學生獲獎的“飛思卡爾”智能車比賽視頻,先將學生思緒引入到賽車的速度激情中去,然后引出思考:如何在高速下讓賽車(如圖1)沿著黑線走但不沖出賽道?進而過渡到系統的控制本質:檢測光電傳感器中心點與黑線的距離偏差,并糾正偏差。通過比賽視頻,學生們在掌握系統控制本質同時,也紛紛表示要加入到學院智能機器人實驗室,從而給控制工程教學開了一個好頭。除課程開篇之際,我們在其它章節也同樣引入了工程案例,比如在講述時域分析時,引入了高等級公路動態稱重系統,在講述頻域分析時引入了上世紀沙俄部隊齊步振跨橋梁的案例。
(二)認知型案例教學模式
認知型案例主要是針對教學中的重點和難點,利用一些小型或局部性工程案例來詮釋知識點??刂乒こ讨R點多而抽象,難以理解,為此課題組針對知識點設計了認知型案例。比如:在系統組成知識點上,設計了溫箱自動控制系統案例來詮釋系統組成及其作用。在比例環節知識點上設計了齒輪傳動副等等。認知型案例讓抽象的知識點直觀化,從而幫助學生消化和掌握知識點。
(三)設計型案例教學模式
設計型案例主要是通過提供可供操作的工程項目,讓學生將所學的理論知識實現工程應用,進而培養學生的實踐動手能力和創新能力,實現實踐向創新型和研究型轉變。為此,課題組從以下三個方面進行了探索和實踐。
(1)實驗項目。由于實驗學時少,目前機械控制工程所開設實驗,主要按圖索驥地搭建電路圖來模擬典型環節,或測試二階系統的時域響應和頻率響應等。所有參數都參考實驗指導書,大大弱化了學生的主動性。為了改變這種狀況,課題組在實驗前先提供一些機械平移系統和電氣系統等,讓學生先運用課堂知識建立微分方程,獲得系統數學模型,然后再借助實驗設備來模擬或測試系統時域響應和頻率響應,這樣在強化實驗同時也融合了課堂知識。此外,針對志在考研的同學,課題組也根據補充講座內容設置了1~2學分課外開放實驗項目,滿足他們以及其他感興趣的同學。
(2)大學生本科創新。為了培養大學生的創新精神和實踐能力,鼓勵和支持大學生盡早地參與科學研究和技術開發等創新活動,同時更好地體現課程改革中“工程驅動”的思想,針對學校的大學生本科創新項目,課題組聯合學有余力的同學積極申報了若干以控制為主的項目,比如校級重點本科創新項目:服務機器人導航運動控制系統設計,就是集合了控制工程中的數學建模、時域分析、PID控制等知識,通過該項目很好地將課程所學的知識點進行了前后貫通,從而培養了學生實踐能力和創新能力。
(3)大學生競賽。為了進一步加強大學生實踐、創新能力和團隊精神的培養,課題組每年還選拔一部分優秀學生,開發一些設計性項目去參加各類比賽。比如2010年設計了“四軸飛行器”參加了江蘇省機械創新比賽,2010、2011年連續兩年參加了全國“飛思卡爾”智能車比賽,這些項目無一例外都涉及到系統控制。學生在獲得榮譽的同時,都一致認為參加比賽不僅培養了創新能力和團隊協作精神,也提高了分析問題和解決問題的能力。案例驅動式教學一方面可以較大程度地激發學生的學習興趣,發揮他們主體性來主動學習、主動實踐;另一方面也對教師的業務水平提出了更高的要求,不僅要求有比較深的理論知識,而且要求有工程實踐經驗,只有這樣才能更好地完善教學。
三案例化教學設計及實踐
為了進一步闡述如何進行案例化教學,本節以教學內容第五部分,即PID控制及其應用為例進行教學設計及實踐。近年來,雖然智能控制等都得到了很大發展,但基于PID的工業現場控制仍占據主要地位。PID教學若直接從理論著手,學生很難理解和接受。為此課題組首先設計了一個啟發型案例———恒溫箱控制,讓學生從主觀上認識到是否增加PID控制策略、以及PID控制器參數的優劣對系統的影響。圖2為某恒溫箱系統的階躍響應曲線[5],其類似于帶延遲的一階慣性環節的響應曲線。為了體現出PID在恒溫箱控制中的作用,以及控制器參數(kp、ki、kd)的影響。課題組首先將系統在無控制策略情況下的輸出(圖3)展現給學生,由圖可以看出系統是發散的,不能實現恒溫控制。然后對系統增加PID控制策略,從而獲得圖4的系統輸出。對比圖3和圖4,讓學生明白增加PID控制策略后,系統能基本上收斂于設定值35℃,由此看出給系統施加PID控制的重要性。接著進一步引導學生仔細觀察圖4,可以發現溫度雖收斂但在設定值處出現振蕩,這對于系統的穩定性來說不是很好。為什么會造成這種情況呢?可以提出這個問題讓學生思考,并最終給出解釋———那是因為PID控制器參數選擇不當造成的。圖4的控制器參數是通過常規的試湊法獲得的,其值為:kp=20、ki=0.01、kd=90。最后給出經過遺傳優化的結果(圖5)。由圖可以看出,系統響應速度更快、更平穩。此時的PID參數值分別為:kp=10.23、ki=0.03、kd=7.95。通過該啟發型案例,可以向學生傳遞兩個信息:一是PID控制策略對系統的控制很重要;二是參數的整定對系統控制的精度和穩定性很重要。
四結語
針對機械控制工程課程特點,課題組開展了一系列旨在提高教學質量的教學改革,并將基于工程中項目驅動的教學方法作為研究重點。案例化教學實施至今已接近兩年,期間課題組組織學生成功申報近10項與控制相關的各類本科創新項目,其中2項為江蘇省大學生實踐創新訓練計劃,與學生合作6篇,申請發明專利1項,“四軸飛行器”在2010年江蘇省機械創新大賽中榮獲二等獎,“飛思卡爾”智能車在2010年榮獲華東賽區光電組一等獎、全國二等獎,在2011年榮獲華東賽區光電組和攝像頭組兩個二等獎,電磁組三等獎。教學實踐表明課題組的教學改革是有效的,而基于項目案例驅動的教學模式,對激發學生的學習興趣,培養學生的創新能力、團隊協作精神,提高分析問題、解決問題的能力起到了極其重要的作用。
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