自動控制原理教學改革初探

黎萍　王連圭

[摘 要]圍繞自動控制原理的教學改革，從涉及面、理論性和方法論等方面分析自動控制原理的特點，針對教學中存在的問題，探討理論教學、實踐教學和考核方式三方面的具體改革措施，合理安排教學內容，注重內容的系統性。教學實踐表明，這些改革措施提高了學生的學習積極性，提升了學生分析問題和解決問題的能力，培養了學生的創新能力，為后續課程和畢業后的工作奠定了良好的基礎。

[關鍵詞]自動控制原理 教學改革 教學方法 實踐教學

[中圖分類號] TP13-4；G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）14-0124-02

一、引言

自動控制原理是控制類及電子信息類專業的一門重要的專業基礎課程[1]，在控制科學與工程學科中占有重要地位。該課程對工程技術有重要的指導作用，而且對培養學生的辯證思維能力、綜合分析問題的能力以及建立理論聯系實際的科學觀點都具有重要的作用。本文結合自動控制原理的課程特點及教學中存在的問題，對自動控制原理課程的理論教學、實踐教學和考核方式三方面進行改革的具體措施進行探討。

二、課程特點及教學中存在的問題

自動控制原理課程有以下特點：第一，涉及面廣，綜合性強。控制理論的應用面廣，實際的控制系統可能涉及力學、電學、光學和熱學等學科的知識以及電路、電力電子、電機等技術。系統控制模型的建立不僅需要有較強的建模能力，還要求有靈活運用知識解決實際問題的能力。課程的學習要求扎實的數學功底，微積分、復變函數理論、矩陣論等知識的應用貫穿全課程。第二，內容豐富，概念抽象。課程內容主要包含經典控制理論。經典控制理論研究的主要對象是線性定常系統、單輸入單輸出系統的分析與設計，它以傳遞函數為數學模型來討論問題，采用多個評價指標對系統的穩定性、快速性、準確性進行分析，內容較抽象，原理概念較難理解且一環套一環。第三，它是一門方法論的課程。[2]課程內容隱含從定性的物理系統轉化為定量的數學分析的解決問題的途徑和“利用誤差消除誤差”的核心控制思想，以及體現了信息論、系統論、控制論的一套方法。這種方法論思想的建立對學習該課程的同學尤為重要。

課程內容豐富，但學時有限，我院“自動控制原理”教學計劃是64課時，同時開設16課時的自動控制原理實驗。目前選用的教材里增加了Matlab輔助設計，因而學時少，信息量大的矛盾更顯突出，不利于學生對教學內容進行有效消化，教學效果受到影響，但由于學生考研的需要，難以在課程內容上進行取舍。

課程理論性強且涉及面廣，但理論與實踐結合不密切。除了在數學模型的建立部分有實際系統的抽象簡化外，整個內容并沒有真正觸及實際系統。另外課程的理論分析與實際情況存在一定的差距，自動控制原理的主要研究對象是線性系統，而任何實際系統都不可能是真正線性的。受理論框架的限制，實驗課也難以把理論和實踐之間的差距暴露出來[4]，學生知道理論是實踐的抽象，但實際應用中碰到簡化過度、實際與理論不符的情況時，難以找到辦法對分析、綜合結果進行修正，這就造成理論與實踐的脫節。[3]

三、理論教學改革

（一）合理安排教學內容，注重內容的系統性

授課內容以系統建模、系統分析、系統設計為重點，突出系統分析和設計中公共的規律和基本方法，在保證內容系統性的前提下，淡化繁復的推導過程，強調推導思路，重點解釋結論的內涵和物理意義，力求簡練卻不失嚴謹、直觀易懂。系統建模是系統分析和設計的基礎，系統分析準確與否又直接影響系統設計[2]，因此在每個環節的講授過程中，不僅要講清各個知識點的原理，還要注重知識點之間的聯系和過渡。例如講解根軌跡分析方法前先給出一個高階系統，并采用先學的時域分析方法進行分析，當沒有辦法用時域法解決問題時，引出根軌跡分析方法，這不僅能讓學生弄清楚這兩種分析方法的區別與各自的優勢，而且能引導學生思考如何利用各種方法分析問題，有助于提高學生分析問題的能力。

（二）靈活應用教學方法，提高教學質量

在教學過程中，應充分尊重學生在教學中的主體地位，采用各種教學方法激發學生的學習興趣和積極性，加強創造能力的培養。通過對比教學方法，加深學生的印象，例如在講頻率特性時，將極坐標圖和對數坐標圖進行對比，找出聯系與區別，使學生更好地掌握兩種圖的應用。通過啟發式教學方法，適當地設置一些小問題，讓學生帶著問題去學，促進學生積極思考，不僅可以提高學生的學習興趣，而且可以培養他們發現問題的意識，提高他們自主探索解決問題的方法的能力。比如在講系統性能分析時，讓學生考慮閉環零、極點對系統性能有何影響，可以讓他們利用所學知識來分析問題，同時也是對已學知識的溫習和鞏固，并提高他們的綜合分析、解決問題的能力。

（三）多樣化的教學方式，提高教學效率

傳統的采用板書和講解結合的教學方式，學生邊聽邊做筆記，這種方式在自動控制原理中多數方程式和傳遞函數的推導時應用效果不錯，便于師生交流。[5]但這種方式常常讓學生感到內容抽象，不知道所學理論知識在工程中的實踐應用，而且在根軌跡和頻率特性等圖較多的章節時，采用純板書需要花費大量時間。與傳統教學方式相比，多媒體動畫、語音、圖形、圖像直觀新穎，能有效激發學生的學習興趣，為課堂提供活力，提高課堂效率，使有意識的學習和無意識的學習相結合。此外，由于自動控制原理課程的復雜性，引入具有先進的視覺化功能、計算功能和仿真能力的Matlab軟件可以方便地完成系統模型的建立、分析和設計中各種復雜的運算，實現控制系統的仿真。[5] [6]雖然后續將開設“Matlab語言與控制系統仿真”，但在自動控制原理講授時引入Matlab仿真軟件，可以輕松繪制各種曲線，且能動態演示曲線的生成，便于理解和掌握，也可以引導學生在Matlab平臺上驗證自己的分析結果，激發學習積極性，且可以教會學生利用這個工具進行系統的分析與設計，為后續的學習和工作做好準備。

四、實踐教學的改革

為了提高實踐教學質量，結合本課程的特點，在基礎實驗的基礎上，綜合課程重點和難點，增加一些綜合性實驗。基礎實驗主要加強學生對理論知識點的理解，使學生把課堂教學中的理論模型所描述的系統與實際控制系統聯系起來；綜合性實驗以典型控制系統為實驗對象，要求學生運用已有的知識分析系統結構，建立系統的數學模型，觀察并記錄系統的運行特性，對系統各性能指標進行全面的分析、綜合。

在與理論課時匹配的16課時實驗課中，主要利用自動控制原理實驗箱，結合課堂教學知識展開實驗，加深對概念的理解和方法的掌握，要求學生有一定的動手能力。例如在頻率特性實驗中，要求學生能夠利用實驗箱提供的模擬電路單元和信號發生器，設計并搭建好模擬電路，利用示波器觀察系統的性能，完成一階系統和二階系統的開、閉環頻率特性測量。而學生對各種控制系統的認知在后續課程中將得到更好的拓展，例如在計算機控制系統的學習中，學生可以對模擬工業現場的過程控制裝置進行現場調試與控制，將學過的控制系統分析、設計和調試方法應用于實踐，為畢業后的實際工作打下良好的基礎。

五、考核方式的改革

由于自動控制原理課程題目計算量大，難以憑兩個小時考試的結果考查學生對相關概念的理解和對控制系統分析、設計方法的掌握，我們在考核方式上進行了一些必要的改革。考核分為平時成績和考試成績，平時成績占總分的30%，主要包括課堂考勤、課前預習情況、課堂參與情況及作業成績，考試采用閉卷考試，由任課教師出題，按學校規定進行考試，重點考核系統分析、設計方法的應用和基本概念的理解，占總成績的70%。將自動控制原理實驗獨立出來作為一門課程，其考核同樣包括平時成績和考試成績，平時成績占50%，根據實驗考勤、動手能力、創新能力和實驗報告綜合評定。這樣要取得好的成績就需要在平時的學習過程中下功夫，僅靠考試前的突擊不再可行。

六、結語

自動控制原理是自動化專業及相關專業的一門基于實踐的理論基礎課[3]，只有在教學過程中不斷學習教育理論、積極研究教學方法、靈活運用多種教學方式，不斷提升自身素質，在理論與實踐結合的原則下，以培養學生解決實際問題的能力為基準，才能深化自動控制原理教學改革，進一步提高教學質量。

[ 注 釋 ]

[1] 胥布工主編.自動控制原理[M].北京：電子工業出版社，2011.

[2] 鄭長勇.自動控制原理課程教學改革探索與實踐[J].內蒙古農業大學學報（社會科學版），2009（4）.

[3] 段納，高慶爭.自動控制原理教學中的問題及對策探討[J].曲阜師范大學學報（自然科學版），2011（2）.

[4] 田思慶，吳桂云.“自動控制原理”課程的教學研究與實踐[J].電氣電子教學學報，2008（1）.

[5] 周武能，石紅瑞.自動控制原理教學改革與實踐[J].教學研究，2010（1）.

[6] 李振龍，喬俊飛，孫亮等.自動控制原理課程體系結構和教學方法探討[J].教學研究，2009（2）.

[責任編輯：鐘 嵐]