CDIO模式下的《自動控制原理》教學改革實踐

禹柳飛

摘要：在CDIO工程教育理念的指導下，分析了多年《自動控制原理》課程教學中存在的問題，提出該課程教學改革的思路；在教學改革實施過程中采用了以工程實例為中心與問題式驅動教學的教學方法，實踐證明改進的教學方法激發了學生的學習積極性，提高了學生的分析與解決問題的能力，教學改革取得了較好的效果。

關鍵詞：CDIO；工程項目；自動控制原理；工程教育；仿真教學

中圖分類號：G642.0 ？搖文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）09-0037-02

2000年10月，美國麻省理工學院和瑞典皇家理工學院等4所大學組成的工程教育改革研究團隊提出了全新的CDIO（Con2ceiving-Designing-Implementing-Operation）工程教育理念即構思—設計—實現—運行。該理念強調以學生的能力培養為目標，并于2004年成立了CDIO國際合作組織，迄今已有幾十所世界著名大學加入了CDIO組織。通過國際合作的方式，多個國家、大學、專業可并行探索，大大加快了改革步伐。廣東石油化工學院自2008年開始在部分工科專業探索CDIO工程教育模式的改革，在取得了一定成效后，2010年電氣工程及其自動化專業申報了以CDIO工程教育改革為目標的廣東省特色專業建設點項目點并獲得立項，該專業由此開始全面實施CDIO工程教育模式的改革。《自動控制原理》課程是電氣工程及其自動化、自動化、測控技術與儀器等專業的主干專業基礎課，是《過程控制工程》、《運動控制系統》等專業課程的理論基礎，為學生學習后續課程和將來工作奠定了理論基礎。為提高教學質量和教學效果，該課程自2010年開始著手CDIO工程教育模式的改革。

一、以工程項目做引導，提高學生的學習積極性

《自動控制原理》課程主要是介紹如何應用數學方法來分析與設計自動控制系統，課程內容涉及大量的數學運算與推導，部分學生學了一段時間后覺得很枯燥，導致學習積極性嚴重受挫，按部就班采用傳統的教學方法，教學效果不理想；而開設《自動控制原理》課程是在第五學期，學生已經學習了二年的基礎課程，對專業知識、工程項目非常向往，而該課程是對自動控制系統進行分析與設計，本身具有堅實的工程基礎，基于此該課程的第一個教學改革實踐為第一堂課安排在過程控制工程實驗室教學，以真實的雙容水箱為對象，介紹自動控制中的基本概念，說明雙容水箱水位、壓力和流量自動控制系統的結構，提出如果讓學生自己來設計這些系統該如何著手，在教學過程中提出了《自動控制原理》課程要重點解決的問題，引導學生設計系統是不是應該先了解控制對象，性能達不到要求該如何解決，是不是該對系統進行全面的分析，通過這樣的引導，加深學生對控制理論基本概念的理解，進而說明要提高系統性能必須了解系統，就引導學生明白系統分析的重要性，而系統分析不是目的，進一步引導學生理解學習本課程的目的是系統的綜合與設計，這樣教師結合工程實例分析清楚了課程明晰的邏輯關系，為學生以后在學習和工作時分析與解決控制問題上提供了思路，從而無形之中提高了學生分析與解決問題的能力。

二、圍繞工程實例組織教學內容

《自動控制原理》課程內容主要包括自動控制基本概念的介紹、系統建模、時域分析、根軌跡分析、頻率分析、系統綜合與校正、離散系統分析等，在近三年的教學實踐中所有教學內容都緊緊圍繞過程控制工程實驗室的雙容水箱水位、壓力、流量控制系統進行，與學生一起測量了實驗室水箱的截面積、進水出水管道的口徑等參數，通過機理建模型方法推導出了單容（一階對象）、雙容水箱（二階對象）的數學模型，有了水箱的數學模型可以對其進行時域分析，了解一階系統、二階系統的時域性能，也可以對其進行根軌跡分析、頻域分析，實驗設備本身就是一套計算機控制系統，也為離散控制系統的分析提供了一個很好的實例；通過具體的教學說明，以工程實例組織教學，可以讓學生不再面對大量枯燥的數學公式，激發了學生的學習興趣，更加明確學習該課程的目的，為將來從事工程實踐提供了方法和思路。

三、引入仿真教學手段，幫助學生消化教學內容

MATLAB語言在控制系統分析與設計中得到了很好的應用，它帶有豐富的函數庫，只需要幾條指令就可以將系統的輸出、根軌跡、頻率特性用一條或幾條曲線表示出來；從圖上還可以看出系統參數變化時性能的變化情況；MATLAB軟件本身帶有電氣控制系統和過程控制系統的實例，通過運行DEMO實例，讓學生既掌握了系統的控制過程，又明確了改進系統性能的方法；仿真教學的應用有效地幫助了學生理解控制系統的基本概念，消化教學內容，也引導學生思考如何運用先進技術來分析現實問題，大大地激發學生的學習積極性。

四、合理設計實驗內容，提高學生自主學習能力

自動控制原理實驗設備由ACT-I實驗箱與計算機構成，為一個簡單的單回路計算機控制系統，模擬部分由運算放大器與RC電路組成，在開設該課程實驗前學生已做過電路實驗、模擬電路實驗，對用這樣的設備來做實驗興趣不大，合理設計實驗內容顯得尤為重要，為了培養學生初步的控制系統設計方法，要求學生自主結合實驗設備設計系統，這就促使學生考慮該如何去選取模擬模塊，如何去推導對象的數學模型，如何去設計PID控制器，實驗對系統的超調量、調節時間均有要求，系統的因阻尼比大于1系統響應速度較慢，為提高系統的響應速度，促使學生去改造對象，加入校正環節。通過合理設計實驗內容為學生以后從事工程實踐提供了思路，知道該如何應對系統性能達不到要求等問題。

五、回歸工程鞏固所學課程知識

在完成了該課程的全部教學內容后，安排二次回歸工程課，一次安排在過程控制實驗室進行，再提出本課程第一次課所學內容，通過演示實驗說明系統調節的過程，鞏固學生所學的基本概念，在演示過程中合理調整控制器PID參數，通過觀察輸出信號的響應曲線，說明控制器在系統中所起的作用，進而引導學生回憶所學的如何提高系統性能的課程內容；教學中承上啟下開始提出系統集成的概念，點出這才是專業的落腳點，說明要設計一個控制系統不是一件簡單的事情，需要學好檢測技術、控制儀表、控制原理及控制工程等課程的知識，培養學生學習專業知識的欲望；另一次安排參觀自來水廠的控制系統，自來水廠工藝簡單，控制系統并不復雜，學生可以從現實工程中了解所學知識，深化所學知識，提升學習專業知識的興趣和樂趣。

以CDIO教育理念對《自動控制原理》課程進行教學改革已歷經三屆學生，從學生對教學的反饋與學生學業成績來看取得了一定的成效，但還有待于進一步深入開展下去，還有待于與其他課程結合起來，以期取得更好的教學效果。

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