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摘要：结合《机械控制工程基础》课程的性质特点，针对分层教学下弱班生在学习过程中存在的问题，提出了将Matlab程序语言融入机械控制工程理论进行教学的方法，重点探讨了融入Matlab程序语言后的教学效果及在教学中的使用。结果表明在《机械控制工程基础》课程教学中融入Matlab程序语言后，能够在一定程度上调动弱班生学习该门课程的积极性，并激发出他们对学习的兴趣，从而可有效提高教学过程中的质量，培养出学生的创造性思维及解决问题的能力。
关键词：机械控制工程基础；Matlab程序语言；弱班生
本文引用格式：朱德馨等.分层教学下弱班生的《机械控制工程基础》课程教学探讨[J].教育现代化，2019，6（72）：67-69+100.
《机械控制工程基础》是机械工程类及自动化等专业的重要专业课程之一[1]。主要介绍经典控制理论中的基本理论与方法及控制理论在机械工程领域中的应用。通过学习使学生能够掌握机械控制工程的基础理论，培养学生的控制系统分析与设计能力，提高学生理论水平和知识运用能力[2]。但该课程的理论性强，概念抽象，数学基础要求高，因此，如何给学生上好这门课程，在较短的时间内提高教学质量，调动学生学习兴趣，是任课教师所必须考虑的一个重要问题。
本文结合以往在《机械控制工程基础》课程教学过程中存在的现象，充分利用Matlab程序语言强大的数值、符号运算及图形处理等能力，针对我校对该课程采取的分层次教学方式，探讨了因数学基础较差而被划分为B层学生（即弱班生）的教学改革方法。
一 课程教学过程中存在的现象
《机械控制工程基础》因具有较强的抽象性，学生难以理解，致使学生学习兴趣不高，教学质量无法得到保证。而且该门课程数学计算与推导较多，绘图量大，习题又多，难度偏大，而课时又不断压缩[3]，因此，对于以应用型人才培养为目标的工科院校来说，学生对该门课程的学习普遍感到力不从心。而我校又是一个民族类院校，大部分学生来自偏远的少数民族地区，学生学习基础大部分不是很好，因此，在该课程的教学过程中存在的问题就更多。针对我校学生学习基础不是很好的问题，在该门课程的教学上，我校也进行了相应的改革，即按照学生之前学期的数学类课程成绩进行分层教学，成绩好的划分为A层，成绩差的划分为B层，分别制定出不同的教学大纲。经过这样的教学改革之后，A层的教学效果明显得变好，但B层的学生效果并不是很显著，在教学过程中主要存在的现象如下：
①缺少必备的基础知识。B层学生虽说是由数学基础较差的学生组成的，但经过调查发现，这些学生一般不仅数学基础差，在其它重要的课程上（如对本门课程比较重要的《理论力学》和《电工学》等课程），掌握的也并不是很好，致使学生在学习过程中无法跟上教学思路，更不用说去计算和推导了；
②缺乏学习的动力引领。经过分层划分后，学习好的、有积极性和主动性的学生基本上都被分到了A层，因此剩余的B层学生中，没有了学习的榜样和带头作用，存在混日子的现象也就比较严重了，上课不认真听讲，提问也是一言不发，完全是一种破罐子破摔的表现。
③具备充沛的实践兴趣。虽然B层的学生在理论知识的掌握上不是很好，但经过后期的发现，大部分同学的动手实践能力还是比较强的。他们更多的是喜欢实践操作，厌倦于繁杂的公式推导与计算，而且这些学生中绝大部分对计算机编程都是非常感兴趣的。
对于以上存在的现象，在分层教学下，要想提高弱班生的学习效果，对该课程的教学改革是当务之急的。
二 融入Matlab程序语言的《机械控制工程基础》教学研究
Matlab程序语言具有易学、适用范围广、功能强大等特点。经过不断地研究与完善，目前Matlab已广泛地被应用于数值计算、图形处理及自动控制理论、动态仿真等多个领域[4]。因此，借助Matlab程序语言的强大的数值计算、图形界面及工具箱等功能，将Matlab程序语言融入到《机械控制工程基础》的教学中，可大大简化以往教学中繁琐的公式推导、计算及绘图过程，不仅能有效地提高课堂的利用率，也能加深学生的印象，激起学生学习的兴趣。
①提高课堂教学质量
在传统的教学过程中，由于《机械控制工程基础》这门课程中的定理公式比较多，在有限的课时内，教师讲授的重点基本上消耗在了推导长篇的数学公式上，使得对例题的讲解和分析时间得不到有效保障。
从教师的角度来看，这样做是为了让学生更透彻地理解公式的来龙去脉，这对学习基础较好的学生来说，的确没太大问题，但对于由数学基础较差的学生组成的弱班生来说，知识的欠缺使他们根本就跟不上讲解的进度，也因此而增加了学生的厌学情绪，更不用说整个教学效果如何了。但在经过尝试融入Matlab程序语言后的近两个学期的教学实施中，发现学生对融入Matlab后的课程内容会立即感兴趣起来。因此，Matlab程序语言的融入不仅使教师板书推导的时间有所大大减少，同时也为调动学生学习的积极性提供了可能。
例如在时域分析的讲授中，以往的教学方式是直接利用数学推导先对Co(s)=G(s)·R(s)进行部分分式展开，然后再进行拉普拉斯（Laplace）逆变换，计算出系统的瞬态响应c(t)，再通过列表描点的方式绘制出系统的响应曲线。这种方法当然是最基本也是最实用的方法，但整个过程计算量大、过程繁琐，绘制出的响应曲线精度更是得不到保证，有时甚至会偏离实际。这样的教学方式对弱班生来说显然是没任何作用的，只会使学生感到厌倦乏味。然而，在利用MATLAB程序语言提供的人机对话界面后，以往的教学方式可以大大地得到简化，使课堂教学效果也变得比较生动、直观，从而也更容易激起学生学习的兴趣和积极性。
如在讲单位阶跃信号输入下阻尼比对二阶系统响应的影响时，可以适时的在MATLAB软件下打开已编写好的人机对话界面文件，然后在界面窗口中输入相应的阻尼比，即可及时的展现出相应的系统响应曲线（如图1所示），直观地判断出阻尼比对系统性能的影响情况。显然，通过融入Matlab程序语言，能够更简洁、快速并精确地完成教学内容，从而有效地提高课堂利用率。
不仅对于时域分析，在频域分析中，Bode图和Nyquist图的绘制也同样可以通过人机对话的界面来简单地完成，以及系统的稳定性分析也可以由图形直观的判断出来，无需学生再去通过列劳斯（Routh）表或赫尔维兹（Hurwits）的计算方式来判断了，从而大大降低了学生对大量计算的厌倦情绪，提高了他们学习的兴趣，也为提高教学质量提供了必要的保障。
因此，融入MATLAB程序语言后，不仅对于各种稳定性的判据，以及系统中各参数对系统性能的影响等的讲解都起到了事半功倍的作用。在整个讲解过程中，使得教学思路更清晰明了，学生也易于理解和接受，同时也提高了课堂效率，降低了以往过多的浪费在计算推导上的时间。
②简化抽象理论知识
由于《机械控制工程基础》这门课程的理论性强，概念也比较抽象，要想让弱班生对这些概念和理论产生兴趣，基本是不可能的。因此，在讲解这些基本概念和原理时，就可以利用Matlab程序语言的表现能力将这些抽象问题具体化，给学生以更直观的描述，以简化抽象的理论想象。《机械控制工程基础》课程中常用到各种图形进行分析，但这些图形的获取一般又很困难，而融入MATLAB程序语言后这项工作就变得容易多了，不需要学生再担心该如何去实现这些工作了。
经过近两个学期的教学实践证明，在融入了MATLAB程序语言后的课堂中，不但为学生提供了实践应用的场合，也调动了他们要主动去学习的兴趣，认识到课程的重要性，从而帮助学生树立起正确的专业认同感，同时也使学生对控制系统的概念及系统的性能分析有了更为感性的认识。
例如在讲超前校正时，可让学生试着利用Bode图设计一个系统的开环传递函数为的超前校正装置，设计指标要求为：静态速度误差系数Kp≥10，相角裕度γ≥45°。
根据上述系统要求，可先利用理论知识计算出校正装置传递函数，然后利用MATLAB编写程序，绘制出校正前和校正后的Bode图，如图2所示。通过图像的对比及图形标注，可清楚地看到校正后系统的相角裕度（Phase Margin）由18°增加到49.6°，截止频率（At frequency）也由3.08增加为4.43。同时在图3中更是直观地给出了系统在时域内校正前后的单位阶跃响应曲线。通过以上图形的比较，学生可以很轻松地判断出，所添加的校正装置是否符合设计指标要求。
③增强自主设计能力
由于《机械控制工程基础》这门课程在我校被安排在第五学期，学生此时已经学过了《C语言程序设计》《高等数学》《理论力学》和《Matlab基础及工程应用》等课程知识，已具有相应的理论知识，并熟悉了Matlab程序语言的编程和操作，因此可从前述的Matlab语言基本操作和控制理论验证上，过渡到控制模型的建立和计算机辅助设计上。
例如在讲控制系统的分析和校正设计中，可让学生利用Matlab在SIMULINK环境下进行控制系统仿真，设计系统校正环节的控制参数，观察对比系统的时域响应曲线（如图4、图5所示），得出校正后的实际控制系统模型，以此指导实际问题。借助Matlab程序语言，学生不需要反复的去计算，就能根据实际输出直观地得到满意的控制系统模型，从而既简化了学生的工作量，又增加了学生去自主尝试的兴趣。
三 结论
在传统教学过程中，大部分学生对机械控制课程的学习均会感到力不从心，更不用说数学基础较差的弱班生了，将MATLAB程序语言融入《机械控制工程基础》课程的教学中，解决了传统的机械控制理论教学中单纯依靠数学计算进行分析的弊端，大大缓减了学生数学基础较差带来的教学困难、也丰富了课堂教学的内容，激发出了学生学习的兴趣，增强了学生学习的积极性和主动性，从而为提高整体教学质量提供了必要的支撑。当然，要想完全保证教学质量，今后还应投入更多精力，不断积累经验，将MATLAB程序语言更有效地融入《机械控制工程基础》教学中，同时在实践教学环节中也应尽量多地设计出具有针对性的仿真实验[5]，以供不同学生选择。
参考文献
[1]周保森.关于《机械控制工程基础》专业课程教学的研究[J].江西化工,2018(02):160-163.
[2]周振华,陈耿彪,曹太山.工程教育专业认证背景下机械类“机械控制工程基础”课程教学改革研究[J].教书育人(高教论坛),2017(15):82-83.
[3]戴晓春,王宏祥,尚锐,何勍.MATLAB在机械控制工程基础课教学中的应用[J].辽宁工业大学学报(社会科学版),2013,15(04):134-136.
[4]卜王辉，陈茂林，李梦如.MATLAB基础与机械工程应用[M].北京：科学出版社，2016.
[5]尚锐,王宏祥,戴晓春.基于MATLAB的机械控制工程基础实验研究[J].实验室科学,2018,21(02):84-87.
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