電氣工程專業“自動控制原理”課程改革與實踐

摘要：“自動控制原理”是電氣工程及其自動化專業的重要專業基礎課程，課程具有系統的理論體系，同時又密切聯系實際工程。為適應電氣工程及其自動化專業人才培養目標的需求，從教學內容、教學方法、實踐教學等方面分析了該課程的教學特點，并提出相應的改革措施和方法。教學實踐表明，這些改革方法取得了良好的教學效果，并有助于培養學生的創新意識，提高工程實踐能力，為高素質電力工程技術人才培養提供了一套行之有效的教學模式。

關鍵詞：自動控制原理；電氣工程及其自動化；教學改革

作者簡介：趙鈺婷（1978-），女，吉林省吉林市人，東北電力大學電氣工程學院，講師；張虹（1973-），女，吉林省吉林市人，東北電力大學電氣工程學院，副教授。（吉林 吉林 132012）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）29-0038-02

“自動控制原理”為東北電力大學（以下簡稱“我校”）電氣工程及其自動化專業的重要專業基礎課程之一，該課程涉及的自動控制理論是電氣工程領域分析問題、解決問題的重要理論基礎，貫穿電氣工程領域的各個方面。[1]

我校電氣工程及其自動化專業培養目標為：培養能夠從事電氣工程及其自動化領域相關的工程設計、系統運行、研制開發、生產制造、試驗檢修、安裝調試、信息處理等工作，具有較扎實基礎理論和較寬的知識面，獲得工程實際應用的基本訓練，具有較強實踐能力、創新意識和創業精神（“一實兩創”）的高素質工程技術人才。隨著電氣學科的快速發展，原有教學內容和方法已不適應現代工程教育發展的需求，教學方法落后、教學模式單一等，也直接影響著教學質量和效果。如何結合電氣工程及其自動化專業特色，進行課程改革是亟待解決的問題。

我校電氣工程學院“自動控制原理”課程組在理論教學與實踐教學中不斷探索，面向電氣工程及其自動化專業的特點，提出本課程相應的改革措施和方法。從教學內容、教學方法、實踐教學等方面進行了深入的調研分析，并將之用于教學實踐，在教學質量和人才培養方面取得了顯著的效果。

一、優化教學內容

建立結構優化的課程體系是培養高素質工程技術人才的重要基礎。我校電氣工程及其自動化專業開設的“自動控制原理”、“電路原理”、“信號與系統”幾門專業基礎課程中，課程內容存在重復問題，在有限學時內應合理安排相關課程內容，避免重復，各有側重。

例如“拉普拉斯變換”和“Z變換”同時為“自動控制原理”和“信號與系統”兩門課程的教學內容，考慮到“自動控制原理”課程需突出控制理論的特色內容，因此本課程應重點講解基于拉氏變換和Z變換得到的傳遞函數、脈沖傳遞函數等兩種數學模型的定義及性質等；而把拉氏變換和Z變換的定義、性質及反變換等內容放在主要介紹信號變換方法的“信號與系統”課程中，從而避免了重復講解，達到節省學時、優化教學內容的目的。

又如，同為“二階系統的時域分析”的教學內容，在“電路原理”課程中以典型電路為例，側重于講解二階電路響應的求解方法及電氣參數對響應的影響，而在“自動控制原理”課程中則主要從閉環極點對響應的影響及系統的動態性能指標（上升時間、峰值時間、超調量、調整時間）進行分析。

由此可見，依據課程的授課目的，從不同側重點、不同角度去設置教學內容，對于不同課程間重疊內容的優化能夠起到關鍵作用。

二、突出專業特色

在講授電氣工程及其自動化的各門課程時，應以該專業的培養目標為引導，盡量結合本學科的理論和工程技術進行講解，突出專業特色。

“自動控制原理”為電氣工程及其自動化的專業基礎課，是該專業基礎課與專業課之間的橋梁，起著承上啟下的作用。與該課程緊密聯系的后續相關專業課程主要有“電力系統穩態分析”、“電力系統暫態分析”、“電力系統自動裝置原理”、“電力系統調度自動化”等，這些課程中涉及到的如電力系統頻率控制、電壓控制、同步發電機勵磁控制等內容都與自動控制理論密切相關。如果在“自動控制原理”的授課過程中，只講授基本的控制理論，而不去和后續課程聯系，不強調專業背景，就會使本課程與后續課程之間有一條不可逾越的鴻溝，學生也會認為學之無用。

為避免上述問題，注意到“自動控制原理”課程具有從數學、物理向工程實踐過渡的特點，在對基本概念、基本原理和基本分析方法的講解中，以電氣工程領域為背景，以電力系統中的問題為工程實例進行講解，強調工程方法的應用。讓學生認識到自動控制基本理論能解決電氣工程領域中的大量實際問題，理解其對電力系統的重要作用。加強應用實例分析，激發學生的學習興趣和熱情，掌握電氣工程科學技術發展的最前沿信息。

自動控制理論中的穩定性理論、根軌跡分析、頻域分析等內容為該課程的重要內容，授課過程中應結合電氣工程專業特色。例如介紹線性定常系統的穩定性理論時，在給出穩定性的定義之后，可啟發學生結合電力系統靜態穩定的概念，對比兩者之間的異同。又如，在介紹利用根軌跡分析控制系統性能時，可以“電力系統自動裝置原理”課程中同步發電機勵磁控制系統簡化模型為例，繪制其根軌跡，進行勵磁系統性能分析，在不滿足穩定性及動態性能要求的情況下，增加并聯校正微分負反饋網絡，從而引入勵磁系統空載穩定器的概念。使學生在掌握后續課程基礎理論的同時，又能夠了解電力系統典型的工程技術，激發對電氣工程領域的學習興趣。

三、探索教學方法

積極探索“啟發式”教學方法，即教師采用提出問題—解決問題的方式進行教學，啟發學生思考，進而培養學生獨立解決問題的能力。在授課內容上重點介紹基本理論和基本方法，留出部分內容讓學生通過自學的方式解決。在教學過程中選擇合適的內容組織討論課，不僅能活躍學生的學習氣氛，還可以鍛煉學生歸納問題和表達問題的能力，更重要的是調動了學生分析問題、探討問題的積極性。在課后布置不同層次的思考題，使處在不同程度的學生的潛能都得到發揮，從而取得較好的教學效果。根據學科發展的情況，適當調整授課內容，在原有學時基本不變的情況下，增加學科的前沿知識介紹，如智能控制、模糊控制、自適應控制等，激發學生的學習興趣。

同時，綜合運用多種現代化教學手段，采用理論概念分析和計算機輔助設計、數字仿真相結合的方法進行教學，進一步改善教學效果。開發研制計算機輔助教學課件并進行相關教學，完成多媒體教學軟件包的研制，并投入教學。通過現代化教學手段與傳統板書的結合，既可以節省板書的書寫時間，又豐富了信息量，教學效果得到明顯提升。

四、建立實踐培養體系

提高電力專業人才的實踐能力和工程素質是實現“一實兩創”特色人才培養的關鍵，實踐教學對于提高學生的綜合素質，培養學生的實踐能力、創新意識和創業精神具有特殊意義。電氣工程及其自動化專業人才培養能力定位為扎實掌握電氣工程領域的基本理論、方法，并能靈活分析問題和解決問題，具有突出的實踐能力和工程素質。做為本專業的重要專業基礎課程，“自動控制原理”課程應注重理論聯系實際，通過實踐鍛煉學生的能力，在課堂實驗、課程設計、課外培養等環節建立完善的實踐培養體系，構建“基礎理論-技術-工程”結構的新課程體系，[2]從而提高人才培養質量。

1.課堂實驗

注重學生實驗能力的培養，為學生提供豐富的實驗平臺，開出的實驗項目結合理論教學內容與現場實際。注重實驗室平臺的建設，基于試驗箱的模擬實驗與基于Matlab/Simulink的數字仿真實驗相結合。研制自動控制理論虛擬實驗平臺，可用于實際系統的分析、綜合與研究開發，使學生對科學研究產生濃厚的探索興趣，是對傳統模擬實驗的有益補充。[3]通過該平臺，將數字式實驗與模擬實驗相結合，學生既可以完成教學規定的實驗內容，還可以設計自己感興趣的綜合性實驗，為學生實踐能力的培養提供良好的環境條件，提升學生的實際動手能力。

2.課程設計

為解決“自動控制原理”課程教學中重分析、輕綜合的問題，增設以培養學生實踐能力和創新能力為目的的課程設計環節，進行工程化訓練。在課程設計中，結合專業特色，突出工程背景，指導學生進行綜合性設計，如以電力系統實際模型為例，進行同步發電機勵磁系統的設計與分析，利用控制理論中的根軌跡法、PID控制等基本理論，并增加利用Matlab軟件仿真在設計中的應用比例。

3.課外培養

課外培養是學生綜合素質協調發展和提高的重要途徑。“自動控制原理”教學的課外培養內容應當與課內教學計劃緊密配合、互相補充，體現循序漸進和因材施教的原則，構建完善的電力專業人才課外培養體系，為學生綜合素質的提高搭建平臺。具體方案如下：第一，鼓勵學生積極參與和自動控制理論相關的科研課題，學習本學科的前沿知識，如人工智能控制、模糊控制等，開闊視野，鍛煉實踐能力和創新能力。第二，鼓勵學生參加各種科技競賽和專業競賽，在競賽中運用自動控制的基本理論和方法，提高學生綜合應用所學專業知識的能力。第三，參觀火電廠、水電廠 ，使學生了解電能生產的自動化過程，了解自動控制理論在電氣工程專業領域的應用，激發學生的學習興趣。

五、結語

課程建設與改革是長期而艱巨的任務，隨著電氣工程相關學科的不斷發展，新理論、新技術將不斷出現，課程內容必須適應新形勢發展的需求。在本文上述教學措施及手段的推動下，我校電氣工程及其自動化專業“自動控制原理”課程的教學改革取得了較好的教學效果，學生的實踐能力、創新意識和創業精神得到了很好的提升。

參考文獻：

[1]陳青.電氣工程學科自動控制理論精品課程的建設與思考[A].第四屆全國高等學校電氣工程及其自動化專業教學改革研討會論文[C]，2007.

[2]李娟，朱罡，王秀云.電力系統及其自動化專業課程體系改革探討[J].中國電力教育，2008，（13）：107-109.

[3]徐穎秦，潘豐.自動控制原理立體化教學新體系的探索與實踐[J].電力系統及其自動化學報，2012，24（2）：152-155.

（責任編輯：王意琴）