“自動控制基礎”課程教學改革探析

徐華平　潘朝峰　劉炳霞

摘 要：文章從 “自動控制基礎”課程教學現狀與存在的問題出發，根據自動控制基礎課程的特點，結合江蘇科技大學能源與動力工程專業的偏船舶背景，基于課程內容優化、計算機輔助教學、教學方法改進、實踐教學、課程考核等方面提出了“自動控制基礎”課程的教學改革策略。

關鍵詞：自動控制基礎；教學改革；高等工科學校

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2015）04-0043-02

“自動控制基礎”是高等工科學校廣泛采用的一門重要的專業基礎課程。主要研究經典控制理論的基本內容，具有理論性強、系統性強、應用范圍廣等特點，而且是一門跨控制論與機械工程技術理論領域的邊緣學科。本課程將環節與系統相互貫通，著重加強環節和系統基本理論的介紹；遵循各環節的結構組成與動態特性相結合的教學體系。學生通過本門課程的學習，能夠加強用動態的概念分析問題的基本技能，了解自動控制原理的應用，掌握實驗的基本技能，為學習后續課程以及從事有關的工程技術工作和科學研究工作打下一定的基礎。本課程對培養學生的辯證思維能力，樹立理論聯系實際的科學觀點和提高學生分析問題、解決問題的能力有著重要的作用。在實際教學中存在內容多、學時緊（40學時）的矛盾，加之這門課程比較抽象，公式繁多，有一定的深度和難度，而且對于數學理論基礎較弱的非控制專業的工科學生來說，學習熱情更加不高，學生經常反映學習本門課程后不知如何系統應用。對于江蘇科技大學有船舶背景的能源與動力工程專業學生來說也是如此。針對這種情況，在逐年的教學過程中，不斷嘗試總結經驗，從理論講授、計算機輔助、實踐教學等方面進行了改革，形成了一套全方位的教學新體系。

一、優化課程內容，突出課程特點

“自動控制基礎”課程主要包括控制系統數學模型，控制系統的傳遞函數，控制系統的時域分析，控制系統的頻率響應及頻率指標，控制系統的穩定性分析（勞斯判據、奈奎斯特判據）及相對穩定性指標，控制系統的設計與校正，線性離散系統初步等。考慮到專業背景和學生的理解能力，在保持課程體系完整的前提下，理論教學中刪掉了根軌跡法和Z變換，在講解傳遞函數章節時插入兩課時的部分復變函數和積分變換內容。本門課程的特點是知識點多而繁雜，因此凝練教學主線是學生掌握理論知識并靈活運用的關鍵。數學模型是控制系統分析和設計的基礎，首先通過實例分析講解典型線性元件的數學模型建立方法，在此基礎上結合實際控制系統講解控制系統結構圖的繪制和閉環系統傳遞函數的求取方法。對于時域分析法和頻域分析法，突出時域分析法的直觀性，強調頻域分析法的工程應用。講課時從不同角度剖析教材中的重要定理、方法與公式等，讓學生充分認識教材內容的含義，對于難以理解的數學推導加以刪減和弱化，更注重數學推導結論的應用，使復雜問題簡單化，重點是強調基本概念的理解與吸收，突出控制理論的工程應用背景，強調控制理論的實踐性，注重培養學生的工程意識。以學生熟悉的控制系統為例來分析系統結構、建立系統模型、分析控制系統工作原理、分析系統性能等，可以使學生真正掌握控制理論的應用方法，提高學生分析問題和解決問題的能力。

二、改進教學方法

由于“自動控制基礎”課程比較抽象，不同于一般的專業課，在授課過程中，學生普遍反映學習比較吃力，不知道這些知識學了用在什么地方，某些學生有“自動控制基礎課程難學又沒用”的想法，大部分學生的學習目的不明確，上課的注意力很容易不集中，傳統教學方法嚴重影響學生的學習積極性。針對這種情況以及學生對應的偏船舶專業背景，在課堂教學中引入船舶中大量的控制系統應用的實例，如把船舶柴油機氣缸冷卻水溫度控制系統、船舶燃油黏度控制系統、船用輔鍋爐的水位自動控制系統、主機遙控系統和船舶火災監控系統自動控制等等，穿插到本門課程的教學中。這種教學方法通俗易懂，學生能很快接受，從“要我學”轉變為“我要學”，課下經常有學生請教實例中深層次的問題，學生普遍反映喜歡這種實例講解。同時在教學中注意采用多種教學手段與方法，上課并不是簡單地“念”多媒體課件，對于重要的數學推理以及公式，還是在黑板上進行推導，現代教學手段與傳統教學方法有機結合，可以使得課程教學更加科學[1]；課上多用啟發式提問，增加學生對知識點的感性認識，讓學生積極思考和分析，然后積極組織學生參與課堂討論，最后教師加以總結。師生之間形成良好的互動，課堂教學氛圍比較活躍，很大程度上調動了學生對學習的興趣。

三、注重Matlab軟件在教學中的應用

Matlab軟件在歐美國家早在20世紀90年代就正式引入教學中，如今Matlab已經成為線性代數、控制理論、數理統計和數字信號處理等課程的基本教學工具，成為歐美國家大學生必須掌握的基本技能。自動控制基礎課程理論復雜，公式也比較多，Matlab控制系統工具箱可以很好地處理以傳遞函數為主要特征的經典控制問題[2]。將Matlab引入課堂教學中，不但可以提高教學質量，也能吸引學生的學習興趣。例如時域分析中，系統對各種典型輸入信號的響應傳統上都是利用拉普拉斯變換法求解出系統輸出的拉普拉斯變換，然后拉普拉斯逆變換得到輸出的時間函數。由于江蘇科技大學能源與動力工程專業學生以前沒有學過復變函數與積分變換這類課程，加之過多的數學變換干擾了學生對時域分析的理解，特別是二階振蕩系統，得到的系統輸出方程比較復雜，學生難以理解。而且課堂教學中做出準確的曲線也比較困難。在Matlab環境下，可以很方便地輸入相應的參數，從而得到相應的響應曲線。再通過改變自然頻率和阻尼比的大小，可以很直觀地觀察到這兩個參數對時間響應曲線的影響。整個過程清晰明了，教學形象生動，復雜抽象理論的概念得以具體圖形化，學生對知識點易于掌握，對課程的興趣也得到提升。另外利用此軟件在頻率特性的Nyquist圖、Bode圖的繪制與分析以及系統的校正等傳統教學難點的教學中也收到了很好的教學效果。課下也鼓勵學生學習Matlab軟件，建議課后部分作業用Matlab來完成。

四、加強實驗教學

課程的實踐教學環節在江蘇科技大學是獨立授課實驗，授課教師與實驗教師的溝通尤為重要。一方面，目前實驗安排上盡量壓縮講解時間，減少演示性的實驗項目，相關的理論知識學完后緊跟實驗，增多設計性、綜合性的開放實驗內容， 強化學生對基礎知識的理解，培養學生的自主學習能力，確保學生不但能做出結果，還能知道為什么會有這樣的結果；另一方面在Matlab環境下開展計算機輔助虛擬教學實驗，“虛實”兩種手段有機結合。對于動手能力強的學生，利用實驗室現有的設備，引導學生自己設計實驗項目，能力非常突出的，吸收到學校相關本科生創新計劃的研究小組。充分發揮學生的學習主動性和創造性，為畢業后的工作或深造打下基礎。

五、改革考核方式

“自動控制基礎”課程為必修考查課，考核方式比較靈活，教師可以自由選擇。以前都是采用開卷考試或者是小論文的方式，實施下來發現效果非常差，學生對本課程的重視程度不高，上課不聽講、睡覺，甚至干脆逃課的現象很多。而且自動控制基礎的一些基本概念和理論必須掌握，所以考試是必要的[3]。但單純采用閉卷考試后，學生往往都在考試前突擊復習，相當一部分學生的成績都是勉強及格。后來改用平時成績加期末考試卷面成績綜合的形式，平時成績和期末考試卷面成績各占50%，平時成績由以下幾部分構成：1.課堂考勤；2.課后作業，事先聲明嚴禁抄襲，必須是自己獨立完成，對于交上來的作業教師認真批改并及時講解，作業有抄襲嫌疑的在課堂上向學生求證，幾次下來作業抄襲現象得到了很好的遏制；3.課題提問環節，每次隨機提問，而不是傳統的按照學號順序來，這樣每個學生都覺得自己會被問到，上課就會集中注意力，認真聽講，同時也能檢驗學生的學習效果，每位學生在整個課程的教學過程中至少要被提問三次；4.額外加分項，課堂練習中有把握的學生可以上黑板來完成和講解，效果良好的學生可以獲得若干額外加分，份額為1—5分，為了公平起見，每個學生這樣的機會是兩次。期末考試不設填空題和選擇題，一般為四到五道計算題，命題突出能力考核。

以上教改措施經過近幾屆學生的實施，取得了一定的成效，效果顯著，提高了教學質量，激發了學生的學習興趣，加深了學生對課程知識的掌握，這也為后續課程的學習打下了良好的基礎。但教學方面還有很多問題需要繼續探索與完善，教學方法必須不斷改進、不斷總結、不斷創新，達到進一步提高學生的學習主動性，增強學生的學習創新能力、實踐能力的培養目標。

參考文獻：

[1]王偉，申愛明.“控制工程基礎”課程教學改革研究與探索[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2007，（2）.

[2]王輝，張段芹，馬軍等.基于MATLAB的機械工程控制基礎教學與實踐[J].山西科技，2013，（6）.

[3]劉建群.“機械工程控制基礎”課程教學改革的思考與實踐[J].廣東工業大學學報：社會科學版，2006，（S1）.