基于“卓越計劃”的自動控制原理教學改革探索

摘要：立足“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的培養(yǎng)要求和“自動控制原理”課程的特點，結(jié)合授課經(jīng)驗，淺析了該門課程教學改革的一些看法。通過改革，學生能學懂、用好控制原理，也希望為卓越計劃下其他課程的教改拋磚引玉。

關鍵詞：卓越計劃；自動控制原理；數(shù)學模型

作者簡介：司徒瑩（1972-），女，廣東開平人，廣東石油化工學院計算機與電子信息學院，講師；劉美（1967-），女，廣東廉江人，廣東石油化工學院計算機與電子信息學院，教授。（廣東茂名525000）

基金項目：本文系廣東省高等教育教學改革工程項目（項目編號：BKZZ2011041）、廣東省高等教育教學成果獎培育項目（項目編號：201139277）的研究成果。

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）16-0037-01

“自動控制原理”是電力、電氣自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，是機械類、儀器儀表類、能源動力類、電氣信息類等許多專業(yè)的學科基礎課，也是許多工科專業(yè)非常重要的課程。該課程主要任務是通過對控制理論知識的學習，培養(yǎng)學生對控制系統(tǒng)的分析設計能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力。[1]該課程內(nèi)容涉及面廣，抽象難懂，理論性和工程實踐性均較強，并且更新發(fā)展較快，如何教好這門課一直是專業(yè)教師討論的熱點問題。當前正值卓越工程師培養(yǎng)計劃的改革試行階段，廣東石油化工學院（以下簡稱“我校”）已成為第二批“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”試點高校，“自控原理課程”教學改革迫在眉睫。根據(jù)該計劃的基本要求，結(jié)合筆者講授該課程的經(jīng)驗，提出本課程教學改革的一些看法。

一、“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”下的教學要求

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是教育部 2009 年推出的一項重大教育改革試點項目，它提出：面向工業(yè)界、面向世界、面向未來，創(chuàng)建具有中國特色的工程教育模式，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術人才，促進我國從工程教育大國走向工程教育強國。它具有三個特點：行業(yè)企業(yè)深度參與培養(yǎng)過程；學校按通用標準和行業(yè)標準培養(yǎng)工程人才；強化培養(yǎng)學生的工程能力和創(chuàng)新能力。

上述特點決定了高校課程教學應在加強教育和行業(yè)、學校和企業(yè)的密切合作的前提下，在有限的課堂教學課時中，注重理論知識的工程背景和應用，著重培養(yǎng)學生的工程意識、實踐能力和綜合素質(zhì)，努力為企業(yè)造就適應其發(fā)展及需要的優(yōu)秀工程師。[2]“自動控制原理”課程改革也應緊緊圍繞著這個要求來進行。

二、“自動控制原理”課程特點和目前教學存在的問題

“自動控制原理”課程的特點是：內(nèi)容豐富、理論性強、涉及知識面廣、信息量大、更新發(fā)展快，而且比較抽象，習題多、難度大，是具有一定深度和學習難度的課程，學生感到難學，教師也難教。

現(xiàn)有的教學方法多沿用傳統(tǒng)的“課堂講授+驗證性實驗”，呈現(xiàn)處以下弊端。

1.課程內(nèi)容不足

（1）跟不上工程實際。現(xiàn)有課程內(nèi)容建立在知識的系統(tǒng)性和完整性上，基于此構建的知識點往往過于注重深度，實際工程應用偏差較大，更新速度較慢，學生常常覺得在企業(yè)里看到的新儀表、新方法和課堂上學到的東西聯(lián)系不起來。這使得教學內(nèi)容與“卓越計劃”中的工程背景相悖。

（2）內(nèi)容講授上重理論輕實踐。課堂講授中只注重將理論知識講解清楚，但沒有和工程實際結(jié)合起來。

2.教學方法簡單

教師多利用課堂講授，一來大量理論內(nèi)容枯燥、乏味，缺乏自主學習的誘惑力；二來學生缺少實踐、動手的過程，課程所設置的實驗也多為驗證性實驗，不利于這門課程的學習；此外，教學手段的單一化也使課程的信息量和更新程度銳減。

3.學生學習積極性不高

學生學習目的不明確，普遍覺得不知道這門課能用在什么地方；課程中一些抽象的概念和大量數(shù)學推導使學生產(chǎn)生為難情緒，影響了他們學習的積極性。

三、課程教學改革

針對以上問題，對我校“自動控制原理”課程做以下改革。

1.教學內(nèi)容上的改革

依據(jù)“卓越計劃”，學生在校理論學習時間要縮短，以便有更多時間投入到企業(yè)去實習，因此如何在有限的時間利用有限的資源傳授最有用的理論知識，就成了改革的目標。

課堂教學中首先要講清課程的基本方法，即定性分析上升到定量分析的方法，和從直觀表現(xiàn)到深入刻畫的方法，這不單適用于本課程，也適用其他科學分析；其次要清楚課程三個模塊的基本點，并鼓勵學生自己將他們聯(lián)系起來并用于解決實際問題。

（1）數(shù)學模型。建立系統(tǒng)的數(shù)學模型是分析、解決問題的前提和條件。介紹的重點放在線性連續(xù)系統(tǒng)時域數(shù)學模型的建立和求解上，包括微分方程、結(jié)構圖和傳遞函數(shù)及其相互的轉(zhuǎn)換，針對不同專業(yè)背景的學生，聯(lián)系不同的實例進行切入講解，便于學生了解數(shù)學模型的物理意義，從而將抽象的數(shù)學概念和實際相聯(lián)系，加強數(shù)模的可理解性。而對于頻域或離散系統(tǒng)模型，則采用對比的方式帶過，由學生自己總結(jié)得到。

（2）系統(tǒng)分析。經(jīng)典控制理論的分析方法包括時域分析法、頻域分析法和根軌跡分析法，主要分析穩(wěn)定性、快速性和準確性三大性能，這是本課程的重點所在。筆者認為三種方法均應講清思想方法以及對應的圖形圖線和系統(tǒng)的聯(lián)系，而定量分析的計算公示推導因計算軟件發(fā)達，受學時限制應放在次要位置。頻域分析法著重介紹頻率特性的幾何表示法和頻率特性曲線上各段所代表的性能特征。根軌跡分析法則關鍵說明開環(huán)極點和閉環(huán)極點的關系和代數(shù)問題的幾何表示，而根軌跡上各點和對應性能指標的計算可以少講。

（3）系統(tǒng)的綜合校正。學生利用控制方法去設計系統(tǒng)，是本課程學習的最終目標，也是教學的難點所在，對學生的分析能力、綜合能力提出了較高的要求。這部分要介紹校正裝置的設計原則，更多的是結(jié)合實例講解實際系統(tǒng)的設計方法和常見問題。

2.教學手段和方法的改革

（1）聯(lián)系實驗裝置，貫徹聯(lián)系實際的重點。多數(shù)院校都會有過程控制實驗室，可以利用該實驗室中現(xiàn)有的系統(tǒng)，重新設計教案。從系統(tǒng)的構成、建模、分析、設計，逐步深入，結(jié)合實際系統(tǒng)和仿真軟件來講解，有條件的院校更可以為每位該專業(yè)學生準備一套自動控制元件，最終的考核也可結(jié)合該系統(tǒng)的設計和分析來完成。這樣學生學習的目的性會更加明確，也不會總糾結(jié)于“學無所用”了。

（2）沿用傳統(tǒng)的多媒體+板書形式。大部分用多媒體教案展示主要知識點，穿插先進控制實例的視頻、錄像，更吸引學生眼球。比如講系統(tǒng)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差分析時，結(jié)合挑戰(zhàn)者號在火星著陸的實例，同學們就非常感興趣。同時，多媒體教學中的動畫更形象地反應了系統(tǒng)響應曲線變化和實驗、仿真的過程。但個別難點內(nèi)容應當配合板書，使學生緊跟教師的思維。

（3）多樣化的教學方法。始終圍繞理論和實際相結(jié)合的原則，用大量工程實例去鋪滿理論講授過程；同時還要注意講授方法的多樣化，如可以采用虛擬模型教學、實際案例教學，鼓勵學生在老師點到主線后，在虛擬模型和相關案例中通過討論，自己得到結(jié)論和方法，并能清楚表達出來。這不單利于將知識點融入實際，還能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、思維模式、團隊合作能力以及表達能力，這種方法可以考慮多采用。

（4）充分利用網(wǎng)絡資源。網(wǎng)絡教學是課堂教學的延伸，充分利用網(wǎng)上資源和媒體材料，特別是國家精品課程網(wǎng)站，將其作為有利于課堂教學的輔助手段，也可以借此提高學生分析問題和解決問題的能力。

3.考試方式的改革

考試是教學工作的重要環(huán)節(jié)。首先，要確定科學、適當?shù)目荚u體系，以檢查學生對基本原理的掌握和綜合應用情況。改革后的考試應當是多種形式的，可以大致分兩部分進行，其一是傳統(tǒng)的筆試部分，以客觀題為主，主要考查基本概念、基本原理。其二是應用能力，有條件的院校可以給定具體對象或環(huán)節(jié)的實物，要求學生分組按要求進行設計、分析和校正，依據(jù)設計過程小組的表現(xiàn)和結(jié)果給予成績。這樣，既考查了基本概念，也讓實踐能力強的學生有了展現(xiàn)的機會，也更能提起同學們的學習興趣。

四、結(jié)語

“自動控制原理”作為一門理論性較強的工程學科，在工業(yè)、制造業(yè)、航空航天、機器人乃至國民經(jīng)濟建設中均有廣泛的應用。[3]

追尋控制領域的發(fā)展趨勢，根據(jù)“卓越工程師培養(yǎng)計劃”的要求，不斷尋求“自動控制原理”教學改革之路，提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和較高綜合素質(zhì)的工程人才，才能適應新時期的發(fā)展需要。而這個改革的過程，還有待教師在今后的教學過程中不斷摸索、完善。

參考文獻：

[1]袁新娣，黃曉軍，謝曉春.《自動控制原理》教學改革探索與實踐[J].江西教育學院學報(綜合)，2006，(6).

[2]陳東.基于卓越工程師計劃的鋼結(jié)構課程教學改革研究[J].重慶科技學院學報(社會科學版)，2011，(6).

[3]王艷.《自動控制原理》課程教學改革與創(chuàng)新實踐[J].江南大學學報(教育科學版)，2007，(4).

（責任編輯：宋秀麗）