工科专业偏理科课程教学方法探讨以机械工程控制基础课程为例_机械工程是工科么

工科专业偏理科课程教学方法探讨以机械工程控制基础课程为例

容易造成工科教育理科化的趋势，本文针对《机械工程控制 基础》课程的工科化教学，认为偏理科课程的教学可以采用 如下方法：
1理清课程结构，设计合理的课程教学主线 本课程的主要内容的结构框架图如图1,每个教学模块 及知识点在整个课程中的地位一目了然。在有限的学时中， 应该分清主次，并根据各知识点的重要性合理安排教学进度。

频率特性和稳定性分析是本课程的主要内容，是教学的重点。

但这些内容又恰好是本课程的难点，理论性强，抽象，和其 它模块具有千丝万缕的交织关系却又似断似连。可以说攻下 频率特性和稳定性分析这两大“城池”就等于拿下这门课程。

这就需要对课程数学工具的熟练掌握，并辅以好的教学策略， 对各模块内容取舍合理。

2强调数学工具的基石作用 拉氏变换是一种函数映射变换，即把时域函数映射为一个复数域函数，实现了把系统时域的微分方程分析转化为复 数域的代数分析。所以以拉氏变换为基础的理论是解决本课 程问题的数学工具，用复变函数描述各种概念则是本课程的 基本方法。对复变函数这一数学工具的掌握和熟练程度就决 定了对各教学模块学习掌握的易难程度。

相比于信息类、数学类等专业，普通机械类专业学生通 常较少进行过数学思维能力的训练，即使学过相关课程，也 缺乏数学概念和方法的实际应用能力。笔者经过教学工作观 察，认为应将拉氏变换及相应的复变函数这部分数学工具的 内容放在突出重要的位置上，在有限的学时中，宁可减少其 它模块的学时数也要增加该模块学时数，在学生熟练甚至游 刃有余掌握这部分内容后再进入其它模块的教学，取得了事 半功倍的效果：其它模块得以顺利展开，实际所用学时虽被 减少，学生学习效果反而更好，提高了效率。本文在《机械 工程控制基础》理论基础工科化教学中的具体方法总结为几 个观念和技巧。

3用新观念和口语化图形化思维代替数学思维 3.1建立信号与系统的观念 所谓系统是指时域中用（线性）微分方程、复域中则用 传递函数为数学模型，描述了系统（机床）两个物理量之间 的关系。与信息论不同，本课程把函数称为信号，即用一些 典型函数作为输入，通过分析输入与输出的特点来评价系统 内在的稳准快性能，如果在这些函数作用下取得好的性能，则可认为系统在实际的随机信号作用下也具有好的性能，这 是经典控制理论的研究方法。

3.2用数学式表示系统构造的观念 系统都可视为几种基本环节构造而成，构造方式有串、 并联和反馈三种。传递函数是本课程的最基本概念，是系统 高度抽象的数学模型，可理解为两个（复式）信号间的代数 比或换算关系。传递函数可按代数法则写为三种：一般式、 串联式和并联式，应熟练掌握这三种表达式间的转化方法。

3.3时复域相统一的观念 概念上，时域与复域函数对是一种原/像函数对关系。

既然时域函数称为信号，相应复域函数也称为同名信号，这 样可以简化对信号的理解和记忆。

本课程涉及的函数颇多，给学生记忆及熟练掌握带来负 担。标准信号只需分为两类：
标准幂函数包括单位脉冲、单位阶跃到一般形式的n次 幂函数tn/n!，复数域则表示为sn+1。各相邻次幂函数之间 在时域存在导数/积分、复数域则为乘上微（积）分算子s （s-1）关系。根据该规则及微分算子功能，可以对单位脉 冲信号取各阶导数得到一个序列：0阶脉冲信号1、1阶脉冲 信号s、…、n阶脉冲信号sn。所以幂函数序列形如sk, k=-n, …-1,0,1,…n。

三角函数为正、余弦函数两种，其复域式的分母均为二 次多项式。3.4时复域运算相对应的观念 时域信号进行的是微积分运算，而复域进行的是相应的 代数运算，这正是拉氏变换的价值。几种规则：叠加——复 域加减，时域亦加减；
微积分算子——复域信号乘除s，时 域信号微积分；
更一般地，两个复域有理式（信号与传递函 数）的乘对应时域卷积。

3.5用口诀或助记图记忆拉氏变换公式。

1）位移定理：将形如ex的指数函数称为调制信号，则 位移定理口诀为：时域平移复域调制，即f(t-τ)  e-τ sF(s)，反之复域平移时域反调制，即eatf(t)  F(s-a)；

根据这个观念，极点是复域位移量，对应一个时域指数 衰减或递增的调制信号，所以很容易理解极点位置对系统响 应的影响。

2）微积分定理：微分定理表达式 3.6适时介绍课本以外的简便方法，激发学生兴趣 以脉冲输入法求复杂框图传递函数的技巧为例：当输入 为1（即单位脉冲信号），输出信号刚好与传递函数相同。

以下图求出前向通道的传递函数为例：以1为输入，求输出 端X。标注各关键点的信号值，在第三个相加点处建立方程 G1- X G1/(G3H1)- X/ H2= X/ (G3G2), 得X即为局部传递函数，最后用反馈公式求得整个框图 的传递函数。这个方法既加深了学生对相关内容的理解，也 可鼓励学生自己去探索新的方法。4偏理科课程工科化教学对教师的要求 4.1要对课程内容从整体上把握其架构 对内容进行宏观规划，理清脉络，必要时进行合理裁剪， 分清主次，但无论如何都要把理论基础放在突出重要的位置。

若出现学生学习困难的状况，可依次考察学生理论基础是否 牢固？还是某个重点内容有断裂？这样可容易地进行问题 溯源，避免陷入学生未糊师先糊的境地；
细节上要能深刻理 解、非常熟悉具体知识点，能得心应手地运用，并具备本课 程相关学科的丰富知识，以学生能够接受的方式用相近学科 的知识解答问题[1]。例如在本课程的频率特性分析中，学 生可能会产生这样的疑惑：频域响应特性如何影响系统性能 如快速性？此时可以用信号频谱特性来解释：信号时域越陡 峭，则频谱越宽。所以系统带宽越宽，则输出信号的频谱也 越宽，意味着时域越陡峭，上升越快，即快速性能越好。

4.2了解学生的知识结构和思维方式，培养学生运用理 论知识解决工程实际问题的能力 理科和工科专业的思维方式是不同的，机械专业的学生 比较易于接受对图形化、结构化的方法，能接受用文字语言 描述的原理、少量环节的数学推理。但不擅长用数学语言的 思维模式，尤其是纯粹的、多环节数学描述、推导。即使学 过相关的数学课程，他们也难学以致用。因此要注重培养学 生运用知识解决工程实际问题的能力。从教学而非实验角度 看，可以从如下方面着手：1）需用工科教学方式把抽象理论专业化[2]，以本专业的具体对象为例子阐述理论命题， 即案例教学。用少量固定的对象的不同方面阐述不同的理论 命题，举一反三以使学生了解自己专业的问题，掌握解决问 题的方法；
2）熟悉本专业常用元件、设备的传递函数及其 信号传递关系，并形成专业常识。例如微积分环节对应输入 输出的微积分运算，如电容、电感元件的电流电压关系；
力 学范畴的位移、速度、加速度间互为微积分运算；
掌握其信 号框图、Bode图、奈氏图等系统描述方法；
3)掌握一种仿真 工具如Matlab对问题进行仿真分析。

4.3需要一定的创造性思维 教学创新是大学教育永恒的主题和活力源泉[3]，但没 有固定的模式和方法。本文认为偏理课程工科化教学创新可 以从建立新观念、扩展原概念、采用新方法等方面入手，对 相关知识总结、提炼、创新；
应结合专业特点，突破教材的 限制。建立新观念是指用非理科的观念去理解、应用课本知 识。这些新观念可以把抽象（如系统、信号）转化为具体（机 床及其各种物理量）；
或反过来把具体提升为理论抽象，以 适应工科式思维方式；
概念扩展既可以把原有概念范畴扩大， 例如本课程把复域函数也视为信号并更进一步把sn视为高 阶脉冲信号，也可以把抽象概念范畴缩小到某个具体的专业 对象；
采用新方法包括用口诀式或图形化方法描述数学概念、 公式，或者用新方法解决某个问题。

5结语《机械工程控制基础》常采用工科化的教学方法，导致 课程难学难教。需要采用理科化的教学方法：合理安排教学 内容，充分重视理论工具；
教学中需建立新观念、扩展原概 念、采用口诀化、图形化等方法学习、理解课程内容；
教师 除了规划好课程内容，还应了解学生的知识结构、思维方式， 结合专业对象实施教学，并对教学内容、方法进行创新。

参考文献: [1] 罗辉.课堂教学中激发学生学习兴趣的方法探讨[J]. 西北成人教育学报，2010(2)：76-78. [2] 刘庆昌.论教学理解的专业化[J].教育科学研 究,2009(9):5-7. [3] 吴文秀.《机械工程控制基础》教学中创新思维培 养探讨[J].长江大学学报(自然科学版)，2007(2):52-55.