淺論高職自動控制原理課程的改革實踐

王紅琰　安英會　黎　賓

[摘要]應用SIMULINK仿真，采用“任務驅動”項目教學法對高職火電廠生產過程自動化專業的自動控制原理課程的教學內容、教學方法、教學過程的組織實施以及考核方式進行改革，可使該課程更具有專業針對性和學生參與性，有效提高教學效果。

[關鍵詞]SIMULINK仿真“任務驅動”課程改革

自動控制原理課程是自動化相關專業的核心課程之一。自動化技術已應用于現代工業的各個領域，針對不同工業領域，其自動化理論又各有不同，例如電力工程自動化偏重于頻域分析，而電廠生產過程的自動化則偏重于時域分析，幾乎不涉及頻域的問題。對于高職教育來說，為了使理論更貼近生產實際，使自動控制原理課程在不同專業更具有針對性，就應打破以往的教學習慣，采用更有專業針對性，更符合高職教育特色的教學方法。

“任務驅動”的項目教學法是建構主義理論中的一種教學模式，是將所要學習的新知識隱含在一個或幾個任務之中，學生通過對所提的任務進行分析、討論，明確它大體涉及哪些知識，在老師的指導、幫助下找出解決問題的方法，最后通過任務的完成而實現對所學知識的意義建構。它是真正實現“職業教育”這一高職教育目標的教學方法。把“任務驅動”的項目教學法應用于高職自動控制原理的教學中去。必將使以往枯燥的理論教學變得形象生動，收到良好的教學效果。本文著重介紹高職電廠生產過程自動化專業的自動控制原理課程改革實踐，探索適合高職教育特色、體現專業特點的自動控制原理課程教學方法。

一、課程改革的內容

熱動專業的生產過程自動控制理論分析主要采用自動控制理論中的時域分析法，而自動控制理論中較為復雜的頻域分析在該領域很少涉及。鑒于高職生的接受能力以及學生的專業特點，該課程的改革將首先在教學內容上進行改革；然后在教學手段上采用SIMULINK仿真的實訓環節增加整個教學過程的實踐性，以提高學生理論學習的積極性；在教學過程的組織實施上，采用分階段的“任務驅動”的項目教學使教學內容更具層次性，并且更系統化；最后在考核方式上加入對實訓環節的考核，實現對學生的綜合素質的考核。

(一)教學內容的改革

改革后的教學內容分為四大部分：控制系統數學模型、時域分析法、工業控制器、自動控制系統設計實例。其中，控制系統數學模型、時域分析法作為重點，而頻域分析作為了解性內容，只要求學生知道有此種方法同樣可以對控制系統進行各種特性的分析；控制系統的校正則重點講解工業控制器的控制規律。前三部分是自動控制的基礎理論，最后一部分是自動控制原理的應用，應用方面則會選擇電廠中的汽包水位控制系統為例，進行系統設計和分析。

改革后的自動控制原理課程最終將服務于熱工自動控制系統。在自動控制原理課程中適當滲透一些熱工自動控制系統的內容，將使學生在后續課程的學習中得到啟發，更符合于一體化課程體系的教學要求。

(二)教學方法的改革

目前，自動控制原理課程的教學方法主要有以下幾種：一是傳統的教學方法，即“粉筆+黑板”。繁瑣的公式推導、系統分析等均是建立在人算基礎上。該種方法對老師的教、學生的學兩方面都有很高的要求，一般少數本科教學中仍在采用。二是“理論+實訓”。隨著科學技術的發展，自動控制理論也可以借助現代化的手段豐富教學，不少院校開始嘗試應用MATLAB編程的手段對自動控制理論進行仿真，極大地提高了學生的學習興趣，但應用MATLAB軟件主要是應用編程語言來實現仿真，對于沒有任何編程基礎的學生來說，勢必增加了編程方面的難度，除了自動控制基本理論外，繁瑣的編程語言成為學生學習的另一障礙。

自動控制原理課程改革將繼續汲取第二種教學方法的優點，采用“理論+實訓”的教學方法，但是仿真手段全部采用SIMULINK仿真，充分發掘SIMULINK的仿真功能。基于圖形化的仿真，不需編程，只需拖動圖形化模塊，設定初始條件就可進行仿真。實訓的目的是為了加深理論學習，采用簡單易學的工具，可使學生把盡可能多的精力應用到自動控制理論的認識學習中，而不是投入到軟件的使用上，這樣更符合教學目標。

(三)教學過程的組織實施

采用“任務驅動”的項目教學法，其實質是把整個教學過程分成若干個任務，知識點蘊含其中，任務的順利完成就代表著知識的掌握；針對學生的專業特點——熱電廠的生產過程自動化，可將教學過程分為幾個階段，每個階段完成相應的任務。

階段一：認識自動控制的基本理論。包括典型輸入信號、典型環節、一階二階系統的時域分析，穩定性分析和誤差分析等，通過此階段可讓學生從自動控制的角度去理解現場的自動控制系統。這些基本理論應先作理論講解，然后SIMULINK仿真，通過仿真驗證各種結論。

階段二：認識并掌握工業常用PID控制器的控制規律和參數整定方法。這是自動控制原理學習中新增的關鍵環節。對于電廠自動控制系統來說，幾乎所有的控制系統都采用了PID控制器。控制器是工業控制的核心，它的控制原理和參數整定至關重要，學習自動控制原理的目的就是掌握控制器，因此，本階段的任務就是使學生掌握PID控制器的控制規律和參數整定。本階段的教學主要通過仿真實訓來完成，應用SIMULINK構建PID控制器模型，對PID控制器的控制規律和參數整定進行仿真。

階段三：設計汽包鍋爐的水位自動控制系統。該門課程的最終目標是學生能夠自己設計和調試一個實際的生產過程自動控制系統，汽包鍋爐的給水控制系統是電廠中典型的自動控制系統，讓學生設計汽包水位的自動控制系統并調試運行。一方面可使學生對自動控制原理中的基本理論進行綜合運用；另一方面，實現理論與實踐的完美結合?？杉ぐl學生的學習興趣。這一階段的任務是仿真設計和調試汽包水位控制系統。電廠中通常采用單級單沖量和串級三沖量兩種控制方式相結合的策略，學生通過該系統的仿真設計和運行結果分析，可深刻理解兩種控制方式的異同及各自的控制特點。采用SIMULINK仿真后，抽象的控制指標可以清晰地反映在仿真曲線上，以往枯燥的理論學習變得生動有趣，由此極大提高了學生的學習積極性，并全面鞏固了學生對自動控制原理的基本理論。

(四)考核方式的改革

改革傳統的考核方法。在考試方式上，以往考核都是憑借期末考試一張試卷來評價學生的學習情況。面對素質教育的要求以及社會對培養高素質創新型人才的需求，學校必須改革應試教育的模式，強調和加強學生綜合能力的培養。將考試成績分為“平時成績+考試成績+實踐成績”。平時成績占20％，主要包括學習態度、課堂出勤率、答疑情況、學習的主動性、完成作業情況等；實驗成績占20％；包括做實驗、上機、實驗報告完成情況及運用所學專業知識解決問題的能力等；考試成績占60％，為了客觀評價教學效果，命題采用A、B卷的形式，多種題型，增加覆蓋面。教學實踐表明，改革后的考核辦法對教師和學生都具有促進作用，有利于教學水平和教學效果的提高。

二、教學效果

自動控制原理課程是高等院校自動化及相關專業的一門重要的專業基礎課，教學內容抽象，學生不易掌握。因此，實驗教學效果的好壞對學生掌握基礎理論知識，提高學生學習興趣，以至提高整個課程的教學質量都起著非常重要的作用。

通過采用SIMULINK仿真技術進行模擬仿真實驗教學，能夠把控制系統的抽象概念、動態過程形象地表現出來，便于學生理解掌握。在實踐教學中，充分發揮模擬仿真技術的優勢，正確處理模擬仿真技術在實踐教學中的地位，既加強學生基本功的訓練，又提高了學生的學習興趣，加深了基本理論知識的掌握，取得了良好的教學效果。

通過SIMULINK仿真實驗，學生掌握了運用計算機進行系統分析設計的基本方法。計算機對結果顯示的直觀性、準確性和形象化，對學生更深刻準確地理解、掌握和運用課程內容起到了積極的作用，提高了教學效果，受到學生的歡迎。

綜上所述，自動控制原理課程是自動化相關專業的專業基礎課，不同專業自動控制理論應用不同。對于電廠生產過程自動化專業來說，需要自動控制原理課程的教學內容更具針對性，教學方法更豐富，教學組織上更系統化。在教學改革中，對教學內容、教學方法、教學過程三個方面進行改革，適當增加SIMULINK仿真的實訓環節，采用“任務驅動”項目教學法對教學內容進行組織實施，可大大提高學生的學習興趣，改善學習效果。對老師而言。也使其從以往的理論推導中解脫出來，用仿真來驗證結論，激發了學生的學習主動性。有效提高了教學效果。使高職自動控制原理課程的教學更貼近生產實際，符合高職教育的培養目標。

(責編黎原)