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關(guān)于工科專業(yè)偏理科課程教學(xué)方法探討論文
幾乎每個(gè)工科本科專業(yè)都有幾門這樣的課程，學(xué)生覺(jué)得難學(xué)，教師也教得費(fèi)力。對(duì)機(jī)械工程專業(yè)而言，《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》就是這樣的一門課。與本專業(yè)其它課程相比較，它是一門偏理科的課程，具有高度抽象、高度概括、涉及范圍廣等特點(diǎn)。若用理科專業(yè)的教學(xué)方式，或是要求學(xué)生采用數(shù)學(xué)的思維方式學(xué)習(xí)，這對(duì)機(jī)械專業(yè)多數(shù)學(xué)生實(shí)是免為其難。容易造成工科教育理科化的趨勢(shì)，本文針對(duì)《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程的工科化教學(xué)，認(rèn)為偏理科課程的教學(xué)可以采用如下方法:
1理清課程結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合理的課程教學(xué)主線
每個(gè)教學(xué)模塊及知識(shí)點(diǎn)在整個(gè)課程中的地位一目了然。在有限的學(xué)時(shí)中，應(yīng)該分清主次，并根據(jù)各知識(shí)點(diǎn)的重要性合理安排教學(xué)進(jìn)度。頻率特性和穩(wěn)定性分析是本課程的主要內(nèi)容，是教學(xué)的重點(diǎn)。但這些內(nèi)容又恰好是本課程的難點(diǎn)，理論性強(qiáng)，抽象，和其它模塊具有千絲萬(wàn)縷的交織關(guān)系卻又似斷似連。可以說(shuō)攻下頻率特性和穩(wěn)定性分析這兩大“城池”就等于拿下這門課程。這就需要對(duì)課程數(shù)學(xué)工具的熟練掌握，并輔以好的教學(xué)策略，對(duì)各模塊內(nèi)容取舍合理。
2強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)工具的基石作用
拉氏變換是一種函數(shù)映射變換，即把時(shí)域函數(shù)映射為一個(gè)復(fù)數(shù)域函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了把系統(tǒng)時(shí)域的微分方程分析轉(zhuǎn)化為復(fù)數(shù)域的代數(shù)分析。所以以拉氏變換為基礎(chǔ)的理論是解決本課程問(wèn)題的數(shù)學(xué)工具，用復(fù)變函數(shù)描述各種概念則是本課程的基本方法。對(duì)復(fù)變函數(shù)這一數(shù)學(xué)工具的掌握和熟練程度就決定了對(duì)各教學(xué)模塊學(xué)習(xí)掌握的易難程度。
相比于信息類、數(shù)學(xué)類等專業(yè)，普通機(jī)械類專業(yè)學(xué)生通常較少進(jìn)行過(guò)數(shù)學(xué)思維能力的訓(xùn)練，即使學(xué)過(guò)相關(guān)課程，也缺乏數(shù)學(xué)概念和方法的實(shí)際應(yīng)用能力。筆者經(jīng)過(guò)教學(xué)工作觀察，認(rèn)為應(yīng)將拉氏變換及相應(yīng)的復(fù)變函數(shù)這部分?jǐn)?shù)學(xué)工具的內(nèi)容放在突出重要的位置上，在有限的學(xué)時(shí)中，寧可減少其它模塊的學(xué)時(shí)數(shù)也要增加該模塊學(xué)時(shí)數(shù)，在學(xué)生熟練甚至游刃有余掌握這部分內(nèi)容后再進(jìn)入其它模塊的教學(xué)，取得了事半功倍的效果:其它模塊得以順利展開(kāi)，實(shí)際所用學(xué)時(shí)雖被減少，學(xué)生學(xué)習(xí)效果反而更好，提高了效率。本文在《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》理論基礎(chǔ)工科化教學(xué)中的具體方法總結(jié)為幾個(gè)觀念和技巧。
3用新觀念和口語(yǔ)化圖形化思維代替數(shù)學(xué)思維
3.1建立信號(hào)與系統(tǒng)的觀念
所謂系統(tǒng)是指時(shí)域中用(線性)微分方程、復(fù)域中則用傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，描述了系統(tǒng)(機(jī)床)兩個(gè)物理量之間的關(guān)系。與信息論不同，本課程把函數(shù)稱為信號(hào)，即用一些典型函數(shù)作為輸入，通過(guò)分析輸入與輸出的特點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)內(nèi)在的穩(wěn)準(zhǔn)快性能，如果在這些函數(shù)作用下取得好的性能，則可認(rèn)為系統(tǒng)在實(shí)際的隨機(jī)信號(hào)作用下也具有好的性能，這是經(jīng)典控制理論的研究方法。
3.2用數(shù)學(xué)式表示系統(tǒng)構(gòu)造的觀念
系統(tǒng)都可視為幾種基本環(huán)節(jié)構(gòu)造而成，構(gòu)造方式有串、并聯(lián)和反饋三種。傳遞函數(shù)是本課程的最基本概念，是系統(tǒng)高度抽象的數(shù)學(xué)模型，可理解為兩個(gè)(復(fù)式)信號(hào)間的代數(shù)比或換算關(guān)系。傳遞函數(shù)可按代數(shù)法則寫為三種:一般式、串聯(lián)式和并聯(lián)式，應(yīng)熟練掌握這三種表達(dá)式間的轉(zhuǎn)化方法。
3.3時(shí)復(fù)域相統(tǒng)一的觀念
概念上，時(shí)域與復(fù)域函數(shù)對(duì)是一種原/像函數(shù)對(duì)關(guān)系。既然時(shí)域函數(shù)稱為信號(hào)，相應(yīng)復(fù)域函數(shù)也稱為同名信號(hào)，這樣可以簡(jiǎn)化對(duì)信號(hào)的理解和記憶。
本課程涉及的函數(shù)頗多，給學(xué)生記憶及熟練掌握帶來(lái)負(fù)擔(dān)。
標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)只需分為兩類:標(biāo)準(zhǔn)冪函數(shù)包括單位脈沖、單位階躍到一般形式的n次冪函數(shù)tn/n!，復(fù)數(shù)域則表示為sn+1。各相鄰次冪函數(shù)之間在時(shí)域存在導(dǎo)數(shù)/積分、復(fù)數(shù)域則為乘上微(積)分算子s(s-1)關(guān)系。根據(jù)該規(guī)則及微分算子功能，可以對(duì)單位脈沖信號(hào)取各階導(dǎo)數(shù)得到一個(gè)序列:0階脈沖信號(hào)1、1階脈沖信號(hào)s、…、n階脈沖信號(hào)sn。所以冪函數(shù)序列形如sk，k=-n，…-1，0，1，…n。
三角函數(shù)為正、余弦函數(shù)兩種，其復(fù)域式的分母均為二次多項(xiàng)式。
3.4時(shí)復(fù)域運(yùn)算相對(duì)應(yīng)的觀念
時(shí)域信號(hào)進(jìn)行的是微積分運(yùn)算，而復(fù)域進(jìn)行的是相應(yīng)的代數(shù)運(yùn)算，這正是拉氏變換的價(jià)值。幾種規(guī)則:疊加———復(fù)域加減，時(shí)域亦加減;微積分算子———復(fù)域信號(hào)乘除s，時(shí)域信號(hào)微積分;更一般地，兩個(gè)復(fù)域有理式(信號(hào)與傳遞函數(shù))的乘對(duì)應(yīng)時(shí)域卷積。
3.5用口訣或助記圖記憶拉氏變換公式。
1)位移定理:將形如ex的指數(shù)函數(shù)稱為調(diào)制信號(hào)，則位移定理口訣為:時(shí)域平移復(fù)域調(diào)制，即f(t-τ)躤-τsF(s)，反之復(fù)域平移時(shí)域反調(diào)制，即eatf(t)蹻(s-a);
根據(jù)這個(gè)觀念，極點(diǎn)是復(fù)域位移量，對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)域指數(shù)衰減或遞增的調(diào)制信號(hào)，所以很容易理解極點(diǎn)位置對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。
2)微積分定理:微分定理表達(dá)式
L[fn(t)]=snF(s)-sn-1f(0+)-…-sf(n-2)(0+)-f(n-1)(0+)=[1，s，…，sn-1，sn][-f(n-1)(0+)，…，-f(0+)，F(xiàn)(s)]T，可用圖2a作助記圖。類似地，積分定理表達(dá)式=[s-1，…，s-n，s-n][f(-n)(0+)，f(-n+1)(0+)，…，f(-1)(0+)，F(xiàn)(s)]T，助記圖為圖2b。圖2中將sk做為傳遞函數(shù)而將微積分初始條件等作為階躍信號(hào)，亦可將sk理解為冪函數(shù)信號(hào)而初始條件為比例環(huán)節(jié)，則也得到相應(yīng)的助記圖。
3)微積分對(duì)稱定理，即t·f(t)和f(t)/t的拉氏變換。s為復(fù)域微積分算子，則t對(duì)應(yīng)時(shí)域負(fù)微分正積分算子，也可用助記圖。
4)相似定理口訣:擠脹———時(shí)域橫擠，復(fù)域橫脹:af(at)蹻(s/a)，或者復(fù)域橫擠，時(shí)域橫脹aF(as)躥(t/a);
3.6適時(shí)介紹課本以外的簡(jiǎn)便方法，激發(fā)學(xué)生興趣
以脈沖輸入法求復(fù)雜框圖傳遞函數(shù)的技巧為例:當(dāng)輸入為1(即單位脈沖信號(hào))，輸出信號(hào)剛好與傳遞函數(shù)相同。以下圖求出前向通道的傳遞函數(shù)為例:以1為輸入，求輸出端X。標(biāo)注各關(guān)鍵點(diǎn)的信號(hào)值，在第三個(gè)相加點(diǎn)處建立方程
G1-XG1/(G3H1)-X/H2=X/(G3G2)，
得X即為局部傳遞函數(shù)，最后用反饋公式求得整個(gè)框圖的傳遞函數(shù)。這個(gè)方法既加深了學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解，也可鼓勵(lì)學(xué)生自己去探索新的方法。
4偏理科課程工科化教學(xué)對(duì)教師的要求
4.1要對(duì)課程內(nèi)容從整體上把握其架構(gòu)
對(duì)內(nèi)容進(jìn)行宏觀規(guī)劃，理清脈絡(luò)，必要時(shí)進(jìn)行合理裁剪，分清主次，但無(wú)論如何都要把理論基礎(chǔ)放在突出重要的位置。若出現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)困難的狀況，可依次考察學(xué)生理論基礎(chǔ)是否牢固?還是某個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容有斷裂?這樣可容易地進(jìn)行問(wèn)題溯源，避免陷入學(xué)生未糊師先糊的境地;細(xì)節(jié)上要能深刻理解、非常熟悉具體知識(shí)點(diǎn)，能得心應(yīng)手地運(yùn)用，并具備本課程相關(guān)學(xué)科的豐富知識(shí)，以學(xué)生能夠接受的方式用相近學(xué)科的知識(shí)解答問(wèn)題。例如在本課程的頻率特性分析中，學(xué)生可能會(huì)產(chǎn)生這樣的疑惑:頻域響應(yīng)特性如何影響系統(tǒng)性能如快速性?此時(shí)可以用信號(hào)頻譜特性來(lái)解釋:信號(hào)時(shí)域越陡峭，則頻譜越寬。所以系統(tǒng)帶寬越寬，則輸出信號(hào)的頻譜也越寬，意味著時(shí)域越陡峭，上升越快，即快速性能越好。
4.2了解學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和思維方式，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力
理科和工科專業(yè)的思維方式是不同的，機(jī)械專業(yè)的學(xué)生比較易于接受對(duì)圖形化、結(jié)構(gòu)化的方法，能接受用文字語(yǔ)言描述的原理、少量環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)推理。但不擅長(zhǎng)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言的思維模式，尤其是純粹的、多環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)描述、推導(dǎo)。即使學(xué)過(guò)相關(guān)的數(shù)學(xué)課程，他們也難學(xué)以致用。因此要注重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。從教學(xué)而非實(shí)驗(yàn)角度看，可以從如下方面著手:1)需用工科教學(xué)方式把抽象理論專業(yè)化，以本專業(yè)的具體對(duì)象為例子闡述理論命題，即案例教學(xué)。用少量固定的對(duì)象的不同方面闡述不同的理論命題，舉一反三以使學(xué)生了解自己專業(yè)的問(wèn)題，掌握解決問(wèn)題的方法;2)熟悉本專業(yè)常用元件、設(shè)備的傳遞函數(shù)及其信號(hào)傳遞關(guān)系，并形成專業(yè)常識(shí)。例如微積分環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)輸入輸出的微積分運(yùn)算，如電容、電感元件的電流電壓關(guān)系;力學(xué)范疇的位移、速度、加速度間互為微積分運(yùn)算;掌握其信號(hào)框圖、Bode圖、奈氏圖等系統(tǒng)描述方法;3)掌握一種仿真工具如Matlab對(duì)問(wèn)題進(jìn)行仿真分析。
4.3需要一定的創(chuàng)造性思維
教學(xué)創(chuàng)新是大學(xué)教育永恒的主題和活力源泉，但沒(méi)有固定的模式和方法。本文認(rèn)為偏理課程工科化教學(xué)創(chuàng)新可以從建立新觀念、擴(kuò)展原概念、采用新方法等方面入手，對(duì)相關(guān)知識(shí)總結(jié)、提煉、創(chuàng)新;應(yīng)結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，突破教材的限制。建立新觀念是指用非理科的觀念去理解、應(yīng)用課本知識(shí)。這些新觀念可以把抽象(如系統(tǒng)、信號(hào))轉(zhuǎn)化為具體(機(jī)床及其各種物理量);或反過(guò)來(lái)把具體提升為理論抽象，以適應(yīng)工科式思維方式;概念擴(kuò)展既可以把原有概念范疇擴(kuò)大，例如本課程把復(fù)域函數(shù)也視為信號(hào)并更進(jìn)一步把sn視為高階脈沖信號(hào)，也可以把抽象概念范疇縮小到某個(gè)具體的專業(yè)對(duì)象;采用新方法包括用口訣式或圖形化方法描述數(shù)學(xué)概念、公式，或者用新方法解決某個(gè)問(wèn)題。
5結(jié)語(yǔ)
《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》常采用工科化的教學(xué)方法，導(dǎo)致課程難學(xué)難教。需要采用理科化的教學(xué)方法:合理安排教學(xué)內(nèi)容，充分重視理論工具;教學(xué)中需建立新觀念、擴(kuò)展原概念、采用口訣化、圖形化等方法學(xué)習(xí)、理解課程內(nèi)容;教師除了規(guī)劃好課程內(nèi)容，還應(yīng)了解學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)、思維方式，結(jié)合專業(yè)對(duì)象實(shí)施教學(xué)，并對(duì)教學(xué)內(nèi)容、方法進(jìn)行創(chuàng)新。
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