基于CDIO的《自動控制原理》教學改革與實踐

裴玖玲 孫少杰

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾843300）

《自動控制原理》是農業工程類學生的重要基礎課，也是一門理論性和工程實踐性均較強的專業基礎課。根據教學經驗和學生的反饋，傳統的教學存在教學內容和方式陳舊、落后；教學方法偏重填鴨式、缺乏啟發引導，學生對實際問題缺乏感性認識，很難將所學知識用于工程實踐理論和實踐脫節。鑒此，在總結傳統教學經驗和教訓的基礎上，遵循理論聯系實踐的原則，利用CDIO工程教育理念[1]，結合MATLAB在控制領域的潛在教學功能，對該門課程的理論教學內容、教學方法、教學手段和實踐教學幾個方面，進行了有益的實踐和探索。

1 CDIO工程教育理念和內涵

CDIO是由MIT和瑞典幾所大學，經過研究、探索和實踐，創立的工程教育模式。該教育模式是以產品、過程和系統的構思、設計、實施和運行全生命周期為背景的教育理念為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間具有有機聯系的方式學習，獲取工程能力。CDIO工程教學模采用現代教學手段、創新教學模式和新的學習環境，為學生提供接近工程實際的學習經驗，并為學生提供有助于理解和記憶這些抽象概念的實際應用機會。融入CDIO的《自動控制原理》課程改革，就是要貫徹CDIO，加強課程理論教學和實踐的結合，在實踐環節、課堂討論中注意著重培養學生的工程意識、實踐能力、團隊合作等綜合素質。

2 理論教學改革

2.1 教學內容的優化

教學內容的優化是教學改革的重要環節，是提高教學質量的核心[2]。根據傳統教學中存在的運用數學力度大，抽象性強，計算復雜，學生感到難學的問題，結合農業工程院校人才培養目標的需要，對原有的課程內容進行了更新、充實和調整。教學內容改革上，我們的宗旨是：對教學大綱中的重點內容，首先進行基本概念、基本原理、基本分析方法的講解，并且講深講透；而對一些定理只要知道正確性和滿足條件即可，不追求其證明過程；針對農業工程類學生選擇合適的教材內容，結合學生所熟悉的工程實例，使學生有比較容易的切入點，激發學生的學習興趣。

這樣，經過教學改革，我們最終確定的課程內容是：介紹自動控制系統的基本概念、工作原理和基本構成；自動控制系統的建模；自動控制系統時域、頻域分析及自動控制系統的設計(校正)；傳遞函數和頻率特性的求取方法；自動控制系統的時域、頻域性能指標的分析；利用頻率法進行自動控制系統的設計；非線性系統和離散線性系統的分析與設計等。

2.2 教學方法的改革

課堂教學是學生獲取知識的主要途徑和方式，授課質量的好壞直接影響著教學效果。為了在有限的學時內讓學生熟練掌握控制理論的基本原理，加強能力的培養，我們在講課當中結合生活實例，融合項目教學[3]，注重結合實際的工程背景，對系統進行分析與設計，從實際控制系統中了解系統的結構特征、工作原理。例如針對我校農業機械及其自動化專業的學生，我們以我校的溫室大鵬為例，通過建立它的微分方程、傳遞函數、結構框圖、信號流圖這幾種不同的數學模型來建立個模型的聯系，來加強學生對理論知識的理解。針對直流電機、異步交流電機在日常生活中的廣泛應用，我們課堂中先介紹直流、交流電動機的工作原理，然后根據電機調速系統，建立它的數學模型并進行系統分析，最后在實驗室通過實際安裝接線來驗證系統，分析系統。

通過項目教學，啟發引導學生思考：用什么樣的控制方式可以基本達到控制目的；用什么控制方式可以產生良好的控制效果；用什么控制方式可以達到最優的控制效果。若課堂上完不成，要求學生課后思考、查找資料，然后去尋求解答。老師在學生歸納的基礎上再做一總結。這樣，不僅極大地激發了學生探索學習的欲望，給學生以探索的空間，也培養了他們的創新能力。

2.3 教學手段的改革

現代化的多媒體教學手段具有直觀、形象、新穎、趣味等特點。除了采用常用的多媒體教學手段PPT外，我們還把MATLAB仿真軟件作為教學工具，通過仿真演示，使得抽象的理論、概念變得更加通俗易懂。例如我們可以利用MATLAB軟件編寫M程序仿真系統的輸出波形，系統的根軌跡、系統的伯德圖和奈奎斯特曲線等，使學生對理論知識有了更深刻的認識。而且，通過課堂上的實際演示，使學生能夠更好地掌握MATLAB軟件的使用方法，同時節省了手工繪圖的大量時間。又例如以往在講到非線性環節及其對系統結構的影響時,只能給出一些抽象的數學推導和理論分析,學生缺乏具體的認識。把MATLAB軟件引入到教學中后，針對一個具體系統,利用軟件中的SIMULINK建模，引入不同的非線性環節，通過改變參數,就可觀察仿真結果，對比系統性能,使學生能夠直觀地認識到非線性系統的性能及非線性環節對控制系統穩定性的影響,從而提出改善系統性能的方法。

另外，為了能夠給學生提供良好的學習環境，我們還建立了資源豐富的自動控制理論課程網站。網站不僅包含了授課課件、教學視頻錄像等內容，還提供了交互式的學習平臺，教師和學生可以通過網絡自由的討論和交流。

3 實踐教學改革

實踐是理論聯系實際的橋梁，是將將知識轉化為能力的重要步驟。我們將“自動控制原理”實踐教學分為四大模塊[5]：一是基于Matlab軟件的計算機仿真實驗；二是在實驗臺上完成的實驗；三是生產現場參觀和實習實踐；四是結合課程設計綜合設計。

利用MATLAB軟件，編寫M程序或畫Simulink仿真圖，能夠完成本課的大部分試驗，既可完成驗證性試驗，又可完成設計性和綜合性試驗。根據理論課堂上老師MATLAB的仿真演示和學生課余時間的自學，老師只需提供仿真題目，由學生在自己電腦上獨立完成，教師在課外輔導并檢查即可。這種MATLAB仿真實驗，既對硬件進行補充和完善，又可以完成硬件實驗不能完成的試驗，對知識的理解和掌握起到很好的作用。

本校試驗室可以完成教學大綱要求的硬件試驗。實驗內容包括驗證性實驗、綜合性實驗。驗證性主要強化學生對理論知識的理解和消化，內容有使用運算放大電路模擬典型環節，二階系統動態響應和穩定性分析，系統的開環頻率特性等。綜合性實驗是學生在了解和掌握了驗證性實驗的基礎上進行的，內容有PID調節器的設計、線性系統的串聯、并聯校正、直流電機調速等。以往實驗安排都是理論課堂全部結束，集中學時做實驗。因理論課與實驗課脫節，學生缺乏理論知識，也只是按照書中電路圖連連線，寫寫實驗報告，缺乏深入研究。為了改變傳統實踐教學弊端，我系特別進行了實驗安排改革。把課程的全部實驗融入到理論教學中來，理論教學一講完，立刻進行實踐教學，使學生對所學理論有強烈的感性認識。為了避免實驗安排與別的班級沖突，在學期的第一周系全部老師開會，統一安排實驗課表。

生產現場參觀和實習實踐部分，剛開始上課時，因要融合項目教學，可以帶領學生到本校植科院溫室大棚，動科院的飼料中心，周邊紅棗加工廠，食品加工廠、天山雪米農業有限責任公司等，熟悉農業生產中的自動控制工程實例，增加自動控制系統的感性認識，為課程學習做好準備。

課程設計是一項綜合性較強的工作，它要求學生在具備了一定的實驗能力的基礎上，把所學到的電子技術、控制元件、傳感器、自動控制原理、仿真方法、計算機等知識進行綜合，用科學的方法，技術來分析、解決實際問題。結合生活實例，指導老師可以提供設計題目，例如糧食倉庫的濕度控制系統設計、溫度控制系統設計，紅棗的自動清洗系統設計等，由學生分組完成，老師進行課外指導就行。這些具有創新性和設計性的課程設計，可以提高學生的工程實踐能力和團結協作能力。

4 結束語

把CDIO工程教育模式引入到《自動控制原理》課程的教學改革過程中,通過以上幾個方面的努力,對我校農業工程類學生做了三屆的教學實踐，取得了明顯的教學效果。希望在今后的教學改革之路上，能為我校農業工程類專業的教學質量的提高和較高綜合素質的工程人才的培養貢獻力量。

［1］王剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考[J].中國高教研究,(5)：86-87.

［2］齊燦,鄧維.CDIO模式下《計算機操作系統》課程教學改革與探索[J].2013(1).

［3］孔德彭,孔德輝.項目教學法在電氣控制及PLC中的應用[J].中國電力教育,2012,24：50-51.