“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)研究與實(shí)踐

摘 要： 針對(duì)“自動(dòng)控制原理”內(nèi)容多和理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，在進(jìn)一步明確本課程的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配的基礎(chǔ)上，本文從教學(xué)方法和教學(xué)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)進(jìn)行了研究和實(shí)踐，實(shí)踐表明通過(guò)對(duì)“自動(dòng)控制原理”課堂的教學(xué)改革，達(dá)到了很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： “自動(dòng)控制原理” 教學(xué)內(nèi)容 學(xué)時(shí)分配 教學(xué)方法 教學(xué)設(shè)計(jì)

“自動(dòng)控制原理”是電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。它側(cè)重于理論角度，系統(tǒng)闡述了自動(dòng)控制科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的基本概念和基本規(guī)律，介紹了自動(dòng)控制技術(shù)從建模分析到應(yīng)用設(shè)計(jì)的各種思想和方法，內(nèi)容十分豐富。通過(guò)自動(dòng)控制理論教學(xué)，學(xué)生全面系統(tǒng)地掌握自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域的基本概念、基本規(guī)律和基本分析與設(shè)計(jì)方法，以便將來(lái)勝任實(shí)際工作，具有從事相關(guān)工程和技術(shù)工作的基本素質(zhì)，同時(shí)具有一定的分析和解決有關(guān)自動(dòng)控制實(shí)際問(wèn)題的能力。

本課程是電子通信工程、機(jī)電一體化、包裝工程等工科和理科專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將初步掌握自動(dòng)控制的基礎(chǔ)理論，并具有對(duì)簡(jiǎn)單連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析、定量估算和初步設(shè)計(jì)的能力，進(jìn)而為專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和參加控制工程實(shí)踐打下必要基礎(chǔ)（方曉柯，2008）[1]。

1.教學(xué)內(nèi)容研究

本課程的教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)應(yīng)放在以下方面：

（1）自動(dòng)控制的概念、基本控制方式及特點(diǎn)和對(duì)控制系統(tǒng)性能的基本要求。

（2）典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖化簡(jiǎn)或梅森公式及控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立和表示方法、小偏差線性化方法和通過(guò)機(jī)理分析建立數(shù)學(xué)模型的方法。

（3）暫態(tài)性能指標(biāo)、勞思判據(jù)、穩(wěn)態(tài)誤差、終值定理、穩(wěn)定性的概念及利用這些概念對(duì)二階系統(tǒng)性能的分析、高階系統(tǒng)分析方法和主導(dǎo)極點(diǎn)的概念。

（4）根軌跡的概念和繪制法則，并能利用根軌跡對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析、偶極子的概念及添加零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

（5）頻率特性的概念、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)頻率特性Nyquist圖和Bode圖的畫法和奈氏判據(jù)。絕對(duì)穩(wěn)定系統(tǒng)、條件穩(wěn)定系統(tǒng)、最小相位系統(tǒng)、非最小相位系統(tǒng)、穩(wěn)定裕量、頻域性能指標(biāo)的概念和頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系。

（6）校正的基本概念、基本校正方式和反饋校正的作用、復(fù)合校正的概念和以串聯(lián)校正為主的頻率響應(yīng)綜合法、串聯(lián)校正為主的根軌跡綜合法和常用校正裝置及其作用。

為使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和掌握自動(dòng)控制原理這門課程，依據(jù)學(xué)校制定的教學(xué)大綱，結(jié)合自己在日常教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)和我校學(xué)生的基本情況，現(xiàn)將本課程的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)安排如下，見(jiàn)表1所示，學(xué)時(shí)共計(jì)72學(xué)時(shí)見(jiàn)下表。

表 “自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配

2.教學(xué)方法研究

“自動(dòng)控制原理”為我校物理與電子科學(xué)系應(yīng)用物理學(xué)和電氣工程及其自動(dòng)化這兩個(gè)本科專業(yè)的必修課程，目前校內(nèi)每年學(xué)習(xí)這門課程的學(xué)生人數(shù)在100人左右；在日常教學(xué)過(guò)程中，我們重視對(duì)學(xué)生的啟發(fā)與引導(dǎo)，鉆研教學(xué)教法，不斷改革與創(chuàng)新，采用多種行之有效的教學(xué)方法和手段，并取得良好的教學(xué)效果。

2.1啟發(fā)—引導(dǎo)式課堂教學(xué)

課堂教學(xué)的目的是啟發(fā)學(xué)生積極主動(dòng)地建構(gòu)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生分析、解決問(wèn)題（閻金鐸，2009）[3]。例如，在講解典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖化簡(jiǎn)時(shí)，可以先啟發(fā)學(xué)生根據(jù)自己的思路化簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)圖，求出傳遞函數(shù)，然后引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)書本上的規(guī)則進(jìn)行結(jié)構(gòu)圖化簡(jiǎn)。在啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)知識(shí)的過(guò)程中，教師必須對(duì)所教知識(shí)本身及其來(lái)龍去脈、認(rèn)識(shí)方法有清楚的認(rèn)識(shí)；必須研究學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，進(jìn)而使知識(shí)的傳授過(guò)程符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。這一教學(xué)模式分為以下幾步：

首先，要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的動(dòng)機(jī)。

其次，要引導(dǎo)學(xué)生獲得豐富的感性認(rèn)識(shí)，這是學(xué)生進(jìn)行下一步思維加工必不可少的基礎(chǔ)。

第三，要引導(dǎo)學(xué)生的思維加工過(guò)程，進(jìn)行分析、推理，然后表述認(rèn)識(shí)的結(jié)果，建立概念，總結(jié)規(guī)律。

第四，要讓學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用新知識(shí)解決問(wèn)題。

最后，要讓學(xué)生鞏固新知識(shí)，將新知識(shí)與已有知識(shí)建立聯(lián)系，納入自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)體系。

通過(guò)運(yùn)用這一教學(xué)模式，一方面教師要積極研究教學(xué)內(nèi)容，找出教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在邏輯，另一方面要分析、掌握學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律與心理活動(dòng)，進(jìn)而將二者有機(jī)結(jié)合。

2.2自學(xué)-討論式課堂教學(xué)

課堂教學(xué)的目的除了使學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)外，更重要的是使學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)。教師指導(dǎo)學(xué)生以知識(shí)為載體，搜集資料、閱讀理解、表達(dá)交流，從而深化對(duì)知識(shí)的理解（李振龍等，2009）[2]。例如，在講解根軌跡的概念和繪制法則時(shí)，可以讓學(xué)生先自學(xué)根軌跡的繪制法則，并給出例題讓學(xué)生自行繪制根軌跡，然后進(jìn)行課堂討論，根軌跡繪制究竟應(yīng)該怎么畫，要遵循怎樣的繪制原則，并且這些繪制原則之間的順序與關(guān)系是怎樣的，討論出結(jié)果之后，教師再根據(jù)這些原則畫出之前讓學(xué)生自行繪制的例題，讓學(xué)生與自己繪制的根軌跡作對(duì)比，然后發(fā)現(xiàn)自己哪里畫得不對(duì)，為什么不對(duì)，是漏掉或者弄錯(cuò)了哪條繪制原則。

使用自學(xué)—討論式課堂教學(xué)，主題的選取非常重要，在教學(xué)前教師就要進(jìn)行深入研究，選取適合學(xué)生自學(xué)的主題。自學(xué)之后每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成一個(gè)任務(wù)，之后就完成的任務(wù)進(jìn)行成果交流與討論，最后師生共同梳理自學(xué)的內(nèi)容，達(dá)成完整、準(zhǔn)確的共識(shí)，最后形成結(jié)論。

2.3探究式課堂教學(xué)

探究式課堂教學(xué)的目的是強(qiáng)調(diào)學(xué)生真實(shí)的研究經(jīng)歷，讓學(xué)生參與探究活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出猜想、交流論證，得出結(jié)論。例如，在講解校正的基本概念、基本校正方式時(shí)，可以讓學(xué)生先分析為什么需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，并且探究可以采用何種方式進(jìn)行校正，提出猜想或假設(shè)，然后設(shè)計(jì)校正方案，分析論證方案的正確性與可行性，最后得出結(jié)論。在實(shí)際的課堂實(shí)踐中，大部分的學(xué)生雖然沒(méi)有探究出合理的校正方法，但是通過(guò)這種教學(xué)方式不僅發(fā)散了學(xué)生的思維，而且使學(xué)生對(duì)正確的校正方式印象深刻。

3.教學(xué)設(shè)計(jì)研究

本課程的教學(xué)設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：

3.1制定教學(xué)目標(biāo)。

3.2分析教學(xué)內(nèi)容。

3.3分析學(xué)生和教學(xué)環(huán)境。對(duì)學(xué)生的分析包括以下方面：學(xué)生原有知識(shí)、技能，學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的了解，學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容和多媒體的態(tài)度，學(xué)生的興趣，學(xué)生對(duì)教師的態(tài)度，學(xué)生以前的學(xué)習(xí)成就和能力層次，學(xué)生的一般學(xué)習(xí)方式，學(xué)生的總體特征，等等。學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程是通過(guò)運(yùn)用已有知識(shí)解釋所學(xué)內(nèi)容進(jìn)而建構(gòu)新知識(shí)的過(guò)程。基于他們本身的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式會(huì)有一定看法，他們可能對(duì)教學(xué)內(nèi)容不感興趣或者不喜歡教學(xué)所使用的教學(xué)方式。只有提前了解他們對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的態(tài)度及對(duì)教學(xué)方式的期望，才能據(jù)此設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)方式和教學(xué)手段，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望。譬如，講解對(duì)控制系統(tǒng)性能的基本要求時(shí)，引用現(xiàn)實(shí)中電阻爐溫控制系統(tǒng)、飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)等作為實(shí)例，講清楚為什么控制系統(tǒng)的性能需要滿足穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求，達(dá)到良好的效果。

3.4選擇具體教學(xué)模式、方法和策略。

3.5利用教學(xué)資源。利用學(xué)校的多媒體資源，結(jié)合板書，進(jìn)行教學(xué)。并幫助學(xué)生安裝MATLAB仿真軟件進(jìn)行部分習(xí)題的仿真。

3.6制定測(cè)評(píng)方法。對(duì)每一章的作業(yè)進(jìn)行認(rèn)真的批改，每次批改完之后總結(jié)學(xué)生易錯(cuò)的題目是哪些，為什么學(xué)生在這些題目上出錯(cuò)，學(xué)生是哪一部分的內(nèi)容沒(méi)有掌握，以便復(fù)習(xí)的時(shí)候?qū)@部分內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)講解。

3.7教學(xué)反思和修改。在教學(xué)過(guò)程中不斷進(jìn)行反思，并根據(jù)學(xué)生的反饋信息不斷修改自己的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，以期實(shí)現(xiàn)教學(xué)系統(tǒng)的整體優(yōu)化。

4.結(jié)語(yǔ)

“自動(dòng)控制原理”是控制理論與控制工程專業(yè)的主干和必修課程，在我國(guó)的生產(chǎn)制造業(yè)中應(yīng)用比較廣泛，尤其在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用與推廣。本文在研究課程教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配的基礎(chǔ)上，從課堂教學(xué)方法、課堂教學(xué)設(shè)計(jì)方面對(duì)本課程的教學(xué)理論與實(shí)踐進(jìn)行了研究，實(shí)踐結(jié)果表明，本課程的教學(xué)內(nèi)容安排是合理的，教學(xué)方法和教學(xué)設(shè)計(jì)也取得了良好效果。“自動(dòng)控制原理”是一門理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的課，要想上好這門課，必須對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行更深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]方曉柯，王建輝，鄭艷，等.《自動(dòng)控制原理》教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].教育實(shí)踐研究，2008，（11）：101-102.

[2]李振龍，喬俊飛，孫亮，等.自動(dòng)控制原理課程體系結(jié)構(gòu)和教學(xué)方法探討[J].教學(xué)研究，2009，32（2）：66-68，72.

[3]閻金鐸，郭玉英.中學(xué)物理教學(xué)概論[M].北京：高等教育出版社，2009.

基金項(xiàng)目：貴州省教育廳高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新人才支持計(jì)劃項(xiàng)目，黔教合KY[2013]146。