“自動控制原理”工程化課堂教學探索

薛大為 楊春蘭

【摘要】針對自動控制原理課程傳統的課堂教學模式在工程應用型人才培養方面存在的不足。從教學內容、教學方法、教學手段等方面對自動控制原理課堂教學進行工程化教學模式探索和嘗試。通過對電氣工程及其自動化專業部分學生的實際教學表明，這些工程化教學改革提高了學生工程實踐能力，取得了較好的教學效果。

【關鍵詞】自動控制原理;工程化;課堂教學

一、引言

蚌埠學院是一所應用型本科院校，辦學定位為“地方性、應用型、工程化”。自動控制原理是我校電氣工程及其自動化專業的一門重要的專業基礎課程，也是電子信息工程、電子信息科學與技術以及機電工程類等專業的專業必修課程。由于該課程涉及的數學知識點多、內容比較抽象，是一門理論性較強的課程。同時，該課程也與工程實際聯系緊密，是一門實踐性很強的課程。傳統的課堂教學模式，偏重講解理論推導[1]，過度突出該課程的“理學”特性，而較少講解其工程應用，淡化該課程的 “工學”特性。 以至于出現教師以教 “數學”的方式教，而學生以學“數學”的方式學的現象[2]。導致很多的學生在學完自動控制原理課程之后，對于一些簡單的工程實際問題，都不會運用控制理論的知識去分析和解決。針對存在的問題，本文就如何改進自動控制原理課程工程化課堂教學，從教學內容、教學方法、教學手段等方面進行了探索。

二、優化教學內容，突出工程背景

自動控制原理課程涉及很多的數學知識，傳統的教學模式，教師過度強調公式推導，導致學生感到課程枯燥、乏味、實用性不強，甚至于失去學習興趣。為了激發學生的學習興趣，培養學生工程意識，突出該課程的工程實踐性，采用將教學內容融入工程實際中[3]，適當簡化數學推導過程，以工程為主線把所有的知識點都通過相應的工程背景來引出。

在具體實施過程中，選擇如圖1所示的典型的自動控制系統“直流電機調速系統”（簡稱“調速系統”）作為工程實例，并將其貫穿于課程教學內容的始終。例如，在講解系統的職能方框圖時，通過分析“調速系統”的工作原理及控制過程，引導學生將系統組成模塊進行職能劃分，而后組成整體;在講解系統數學模型時，引導學生利用前面分解的職能方框圖，對職能模塊利用數學方法進行描述;在講解后續時域分析、根軌跡分析、頻域分析就可以根據以前建立的數學模型引導學生對不同信號作用下以及系統參數變化時，系統時域、頻域性能指標進行一一分析;在講解系統校正時，以“調速系統”當出現性能不佳，指標不符合要求時，引導學生通過加入一些環節或裝置，使得系統性能得以改善。

圖1 直流電機調速系統

通過引入工程實例，將抽象理論與工程實際聯系起來，不但可以增強學生學習興趣，而且可以培養學生分析、解決實際問題的能力。當學生學習完整個課程后，就會對如何利用控制理論進行逐步解決工程實際問題有了整體的把握。

三、改革教學方法，突出工程能力

在自控控制原理課程的講授中，教師通常采用全程講解方法，教師作為主體，而學生只是被動的接受。導致學生的學習的自主性變差，解決實際問題的能力得不到有效的培養。針對這樣的問題，如何提高學生工程實踐能力，采用工程背景下的任務驅動式教學法[4]。在講授知識點之前，首先提出問題或任務，讓學生帶著任務去聽課，在聽的過程中尋找解決問題的方法。這樣大大提高了學生學習的主動性，在尋找解決辦法的過程中，鍛煉了解決實際問題的能力。

例如，在講授職能方框圖之前，提出按照職能“調速系統”可以劃分成哪些模塊;在講授數學模型前，提出“調速系統”各個職能模塊用數學方法如何表示;在講授時域分析法和頻域分析法前，提出當“調速系統”系統輸入為階躍信號或不同頻率正弦信號時系統輸出如何變化;在講授根軌跡法前提出，當改變“調速系統”增益，系統輸出如何變化;在講授系統校正前，提出要改變系統性能指標，應如何增加裝置及增加什么裝置等。

通過將系統分解為各種不同的小任務，讓學生由被動接受變為自主探索。通過解決問題來掌握知識，在解決問題的過程中鍛煉了工程實踐能力。

四、多樣化教學手段，突出工程認識

由于學生缺乏工程實踐經驗，對于控制系統缺少感性認識，因此對于控制理論中的很多概念感到很抽象，難以理解。針對這一問題，在教學過程中要充分利用flash動畫、Matlab軟件、多媒體課件等現代化的教學手段，形象化抽象的概念，改善教學效果。

例如，在講授自動控制系統概念及各組成結構功能時，可選擇一些工程實例，比如液位自動控制系統，通過flash動畫動態的展示其控制過程，如圖2所示，這種直觀的方式使得系統抽象的概念變得生動且容易理解。在講授自動控制技術的最近發展進程時，可以通過多媒體課件將一些前沿的控制理論成功應用實例采用幻燈片形式進行播放，不但可以激發學生的熱情，且可以拓展學生對控制原理工程應用范圍的認識。

圖2 液位自動控制系統

例如，在講解根軌跡分析法時，如果徒手繪制根軌跡不但費時且繪制不準確。利用Matlab仿真軟件強大的可視化圖形功能[5]，不但可以很快的繪制出根軌跡曲線，并且當系統零極點發生變化時能實時反映出根軌跡的變化。又如，在講解系統時域分析法時，利用Matlab軟件不僅可以直觀對不同典型輸入信號作用下的響應曲線變化進行比較，且可以動態展示系統參數發生變化時，系統響應的變化情況。二階系統當阻尼比變化時，單位階躍響應如圖3所示。這種圖文并茂的方式，不但可以使學生加深對概念的理解和記憶，而且可以使學生認識到Matlab軟件是一種解決工程實際問題的有效的輔助工具。

圖3 二階系統不同阻尼比單位階躍響應

五、結語

根據我校工程應用型人才的培養目標，自動控制原理傳統偏 “理”的課堂教學模式已經不能適應教學要求。針對存在的缺陷，從教學內容工程化、教學方法工程化以及教學手段工程化等方面對自動控制原理的課堂教學模式進行了探索。通過對我校2010級電氣工程及其自動化專業的部分學生進行嘗試，結果發現該部分學生在課程設計以及畢業設計方面表現出的分析問題、解決問題以及實踐能力明顯強于其他學生。驗證了工程化課堂教學改革的有效性。當然，教學改革是一項長期且艱巨的任務，隨著學科的發展、技術的進步，教學改革內容也必將隨之進行不斷的調整。

參考文獻

[1]陳兆嶺，劉國海，楊年法.“自動控制原理”課程全方位教學改革及實踐[J].中國電力教育，2013（5）：86-87.

[2]符強.《自動控制原理》課程的探究式教學研究[J].四川教育學院學報，2012，28（3）：65-66.

[3]趙肖宇，劉坤，梁清梅.一個工程實例貫穿“自動控制原理”教學過程[J].牡丹江大學學報，2012，21（2）：180-181.

[4]楊颯.“自動控制原理”課程的任務驅動教學模式探索[J].廣東第二師范學院學報，2013，33（3）：49-52.

[5]肖萍萍，李曉光.“自動控制原理”課程教學改革[J].電氣電子教學學報，2012，34（4）：34-35.

基金項目：蚌埠學院教學研究項目（JYLY1212）。

作者簡介：薛大為（1978—），男，安徽宿州人，碩士，講師，現供職于蚌埠學院，主要從事自動化方面的教學與研究工作。