“能源與動力工程”專業自動控制課程實踐教學探討

強彥　徐曉冬　魏列江

[摘 要]“能源與動力工程”專業自動控制課程的實踐教學內容和教學方法在實踐中不斷改革。對于這種交叉學科的實踐教學，應做到實踐課程與理論課程緊密融合;結合“能源與動力工程”專業特色，實踐課程中應設計與專業相關的實踐內容;整合專業內課程資源，進行課程深度拓展。

[關鍵詞]能源與動力工程 自動控制 實踐教學 探討

[中圖分類號] G423[文獻標識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）12-0157-02

2012年教育部新版高校本科專業目錄中將“熱能與動力工程”調整為“能源與動力工程”。“能源與動力工程”致力于傳統能源的利用及新能源的開發，以及如何更高效地利用能源。“能源與動力工程”專業主要培養在能源轉換與利用和熱力環境保護領域具有扎實的理論基礎，較強的實踐、適應和創新能力，較高的道德素質和文化素質的高級人才，以滿足社會對該能源動力學科領域的科研、設計、教學、工程技術、經營管理等各方面的人才需求。“能源與動力工程”專業的學生應具備寬廣的自然科學、人文和社會科學知識，熱學、力學、電學、機械、自動控制、系統工程等寬厚理論基礎，以及熱能動力工程專業知識和實踐能力，并掌握計算機應用與自動控制技術方面的知識。

“能源與動力工程”專業中無論是傳統專業方向（如水利水電動力工程方向）還是新興專業方向（如新能源開發和研究方向），都對自動控制技術和實踐能力要求頗高。因此，如何針對“能源與動力工程”專業特點改革自動控制類實踐課程的教學方法、教學內容和教學模式，對學生掌握自動控制技術基本理論和提高學生專業實踐能力具有重要的指導意義，并能達到一舉兩得、融會貫通的教學效果。

在辦學過程中，多家就業單位提出需要具有測控基礎的能源與動力工程人才，社會需求提示我們，依托國家級特色專業和能源動力工程的行業背景，針對能源動力工程領域的不同測控對象，應該改革自動控制實踐課程的內容，使自動控制實踐課程成為一門有針對性的務實課程，其中的改革方法和改革經驗也會為其他的交叉學科的實踐教學提供重要的借鑒意義。

一、實踐教學與理論教學相結合——自動控制實踐課程要與自動控制理論課程緊密融合

大多數高校的能源與動力工程專業均開設自動控制原理課程，根據專業方向要求不同在學時內容上也稍有差別。如該課程分別可設置為64學時和48學時，其課程內容主要以經典控制理論為主，重點講述線性系統的時域分析和頻域分析等內容。自動控制原理實踐課程是在理論課程的基礎上開設的，旨在使學生對經典控制理論有更直觀、更深刻的認識和理解，同時結合自己的專業課程背景將這門實用學科應用到自己的專業領域。

結合理論教學內容，實踐課程的其中一部分重要內容應是對理論教學內容的驗證、分析和再理解。根據自動控制的基本理論，實踐課程的基礎內容可以根據需要由以下一些內容組成：

1.在實驗室用電路元件搭建常用的典型控制環節——讓學生直觀認識理論課中講述的各種形式傳遞函數所對應的實物模型;

2.觀察典型系統的動態特性并測試穩定性，同時分析系統特征參數對系統性能的影響——讓學生利用示波器這種最常用的電子測量儀器，在時域中分析系統響應隨著時間的變化規律，并分析幾個重要的響應參數的物理意義，以及它們與理論計算公式之間的對應關系;

3.觀察系統零極點對系統性能的影響——與理論課程中的根軌跡內容相對應并加深理解;

4.對典型系統的頻率特性進行仿真——理論課程中，頻域分析方法是學生掌握起來感覺最為吃力的部分，通過實驗方法測量系統的幅頻和相頻曲線，能使學生對抽象的理論知識有更直接的了解;

5.對線性系統進行校正——系統校正是理論課程中非常重要的一部分，實驗中驗證不同校正方式對系統性能的影響，使學生對校正方法的掌握更加牢固;

6.引入被控對象構建簡單的控制系統，讓學生了解控制系統的工程應用、工作機理和調節方法等。

通過基礎理論的實踐教學，實現真正的理論課程指導實踐課程，實踐課程反饋理論課程的效果，使學生的知識體系形成一種雙向反饋的、理論與實踐緊密互動的認知模式。

二、針對專業特色——結合“能源與動力工程”專業特色，實踐課程中應設計與專業相關的實踐內容

能源與動力工程專業要求學生掌握現代能源科學技術，信息科學技術和管理技術，能夠從事熱能動力設備及系統的設計、運行、自動控制、信息處理、計算機應用、環境保護、制冷空調、能源高效清潔利用和新能源開發等工作。自動控制原理有別于“能源與動力工程”專業的其他基礎課程，如流體力學、工程熱力學等，是一門跨專業的基礎課程，但它是學生日后工作和繼續研究的必要科目之一。

如何根據專業方向特色在實踐課程中適當加入與專業內容密切相關的實驗內容，是使學生認識并學好這門跨專業基礎課程的關鍵，同時，這一實踐環節也能使學生將自動控制原理應用于自己的專業知識中，對不同專業課程的融合掌握具有一定的啟發作用。

根據“能源與動力工程”專業的不同方向，結合各專業方向中特有的被控對象，在實踐環節中增加對這些特殊被控對象的控制和調節作用。如對流體傳動與控制方向的學生，增加利用液壓閥作為執行元件的控制系統實驗，推導液壓閥的數學模型，觀察它的響應特性等;對流體機械及工程方向的學生，增加水輪機轉速調節的實驗，觀察控制器參數改變對系統性能的影響;對風能與動力工程方向的學生，增加風力機變槳控制實驗，使學生掌握通過測量風向變化控制風力機葉片方向改變的基本方法等。通過上述實驗，一方面讓學生復習了自動控制原理的理論知識，另一方面，使學生將控制理論直接運用到自己所學的專業知識當中，對基礎知識有了針對性的認識。

實踐課程的一個小變革，實際體現的是一種教學的新思路和新方法，實踐教學可以作為理論教學的點睛之筆，這種知識體系結構猶如一座金字塔，我們可以把它稱為“金三角體系”，整個構造的知識體系如圖1所示。雖然實踐課程在整個知識體系中所占的比重有限，但合理有效地設置實踐課程的形式和內容可以使學生的整個知識體系更加牢固。

圖1 ? “金三角體系”知識結構

三、實踐課程深度拓展——整合專業內課程資源，結合校內外豐富的實踐資源，鼓勵學生自我思考、自我創新

隨著學校的日益發展，學校實驗資源日益豐富，學生使用實驗資源的自由度逐步提高。現在很多高等學校實行實驗室開放制度，鼓勵學生在自我思考的基礎上開展開放性實驗。對于自動控制原理的實踐課程教學，也可以逐步對學生開放實驗室，鼓勵學生自我學習。

同時，國家對高校科研項目的支持逐年加大，很多國家項目（如“973計劃”、“國家自然科學基金”等）在項目實施的過程中都在國家基金的資助下建設了很多的實驗基地，如果能在項目完成后將這些實驗基地和實驗設備用于學校的教學環節，實際上是提高了這些實驗基地和實驗設備的利用率，同時也使國家的扶持投資資金得到了更大的回報。以我校的具體情況為例，2006年我校承擔了國家“973計劃”——大型風力機的空氣動力學基礎研究，并建立了風力機外場實驗基地。在自動控制的實踐教學中，針對“風能與動力工程”專業學生，我們利用該項目的實驗風力機進行拓展性實驗，學生可在外場環境中對風力機的偏航和變槳控制等有很直觀的認識，而且我們的控制程序是開放的，可以鼓勵學生自我創新，通過編程實現更好的控制策略。拓展性實驗不僅使學生將理論知識和自己的專業方向很好地結合在一起，同時也是增加學生學習興趣的一種很好的途徑。

另外，校外實習基地是學生參與實踐，實現創新的重要平臺。不只是對于自動控制原理這一門實踐課程，專業的大多數實踐課程內容都可以在實習過程中體現出來。加強特色實習基地建設，不僅能使學生加深對學校理論課程和實踐課程的認識，同時豐富學生的思維方式，對學生的自我創新具有推進作用。

綜上所述，如果能將自動控制原理實踐課程很好地結合自動控制原理理論課程，并有專業方向針對性地開展學科交叉實驗，同時在校內開放實驗和校外的實習過程中有所體現，就能夠使學生的知識結構形成網狀構造，有利于學生融會貫通，學以致用。通過對這一門跨專業實踐課程教學內容和教學方法的探討，其得到的具體教學效果和教學經驗也可應用于其他跨專業實踐課程的教學中，從而使實踐課程在整個本科教學過程中發揮最大的教學作用，并實現更好的教學效果。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 田思慶，吳桂云.“自動控制原理”課程的教學研究與實踐[J].電子電氣教學學報，2008（2）.

[2] 袁安富，張偉.《自動控制原理》課程教學改革與創新的探討[J].中國電力教育，2008（6）.

[3] 嚴利，熊朝坤，余波.熱能與動力工程專業自動控制原理課程教學探討[J].高等教育研究，2009（4）.

[4] 2012教育部新頒高校本科專業目錄[DB / OL].新浪教育，2012（10）.

[責任編輯：鐘 嵐]