機械專業“自動控制系統”教學體系改革研究

盧曉紅　王殿龍　陳星　任宗金

摘要：面向機械專業學生開設的《自動控制系統》課程，應該有別于面向自動化和電氣專業的《電力拖動自動控制系統》或《自動控制原理》，應該是控制工程、機械測試技術等課程的出口，為后繼的畢業設計提供必要的理論基礎，使學生掌握分析解決工程問題的能力。在調研國內外高校開設的自動控制相關課程基礎上，通過改革課程知識體系，改良教學內容，初步形成了課程知識體系及教學內容建設方案；推行案例教學及Seminar教學模式；采用閉卷考試、seminar成績評定及平時成績考核相結合的課程考核方式。最終實現培養學生自動控制創新思維和實踐能力的目標。

關鍵詞：自動控制系統；機械專業；Seminar教學；考核

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）03-0084-02

在美國，很多知名大學機械工程系都開設自動控制相關課程。具體如下：普渡大學開設《自動控制系統》（Automatic Control Systems）和《制造過程的計算機控制》（Computer Control of Manufacturing Processes）課程；普林斯頓大學開設《微處理器測量/控制》（Microprocessors for Measurement/Control）和《現代控制》（Modern Control）課程；康奈爾大學開設《反饋控制》（Feedback Controls）和《多變量控制理論》（Multivariable Control Theory）課程；伊利諾伊大學開設《工業控制系統》（Industrial Control Systems）和《機械系統計算機控制》（Computer Cntrl of Mech Systems）課程；佐治亞理工大學開設《制造系統的微機控制》（Microprocessor Control of Manufacturing Systems）課程；密歇根大學安娜堡分校開設《自動控制》（Automatic Control）；加州伯克利大學開設《反饋控制系統》（Feedback Control Systems）和《現代控制系統》（Advanced Control Systems）；加州理工大學開設《閉環控制》（Closed Loop Flow Control）和《反饋及控制電路》（Feedback and Control Circuits）；斯坦福大學開設《反饋控制設計》（Feedback Control Design）和《控制設計技術介紹》（Introduction to Control Design Techniques）。在國內有100多所大專院校都面向機械專業本科生開設自動控制、微機控制相關課程，其中清華大學精密儀器系面向本科生開設《數字控制技術》；浙江大學面向機械電子工程專業開設《微機控制技術》。通過上述分析可以看出，面向機械專業學生開設的《自動控制系統》課程，應該有別于面向自動化和電氣專業的《電力拖動自動控制系統》[1][2]或《自動控制原理》[3][4]，應該是控制工程、機械測試技術等課程的出口，為后繼的畢業設計提供必要的理論和實踐基礎，使學生掌握分析解決工程問題的能力。我校是教育部批準實施“卓越工程師教育培養計劃”的高校，機械專業是首批進入該計劃的專業之一。為貫徹學校對本科生實施精英教育及培養精英人才的整體定位，落實“卓越計劃”培養高素質創新型人才的指導思想，我們對現有機械專業的課程體系進行了梳理和調整，以適應工程能力素質培養為主線的“卓越工程師”人才培養模式。其中，《自動控制系統》是機械專業的主干課程之一，其教學效果關系本專業“卓越工程師”的預期能力培養，因此該課程教學體系改革具有重要意義。

一、課程知識體系及教學內容建設

《自動控制系統》課程應結合工業自動化實踐，融合控制技術、計算機技術和通信技術，涵蓋經典和現代控制理論（“控制工程”中已講解的經典控制理論只需簡單回顧），以工控機為工具，相應的硬件技術和軟件技術結合為手段，系統的工程實現為目的，從而實現理論、技術與實際應用相結合。在保證課程基本內容完整性的前提下，根據專業需要確定課程內容，建立完善的、有層次的課程體系。根據課程建設的需要，結合我校專業特點和需要，在總結多年教學經驗的基礎上，借鑒其他高校自動控制相關課程多媒體教學的經驗，增加實際工程案例視頻，進一步完善和豐富本課程的教學課件。搜索當前國際上與教學內容相關的先進科研成果與工程實例，將最新的科研成果不斷地引進到教學體系中，將課堂教學與科研緊密結合，豐富學生的工程實踐知識，提高其知識應用能力。在上課過程中，通過機器人及其控制系統，汽車里的自動控制技術，數控機床，樓宇自動控制系統等視頻案例，直觀地讓學生了解自動控制系統的實用性和先進性。讓學生對于自動控制系統中的檢測、反饋及控制環節有直觀的認識；在學生頭腦中形成一種穩固的自動控制理念，培養學生對自動控制知識的應用和創造的能力。在教學過程中重點講述基本概念、基本原理和基本方法。尤其隨著計算機控制系統的發展，在課程中側重于離散化控制系統的講授，通過典型示例，強化自動控制系統的工程實際應用，使學生看到的不僅是一個個抽象的傳遞函數、枯燥的各種變換，更是看到抽象的公式和變換背后的物理系統和工程意義。讓學生體會到應用自動控制知識解決具體工程術問題的樂趣，進而激發學生的學習興趣。

二、案例教學及Seminar教學模式

自動控制系統是工程性極強的一門課程，圖例較多，如系統的結構框圖、系統動態過程的響應波形、基本單元的控制電路等。通過實驗教學可以使學生的知識、能力和素質得到綜合培養。但目前自動控制系統實驗學時有限、實驗設施有限，要改進自動控制系統綜合實驗系統的建設，需要較大的人力物力投入。由于目前人員資金方面的原因，我們擬增加利用Matlab、Simulink和LabVIEW對控制系統進行分析和設計的內容，制作拓寬性演示實驗，建立可視化演示平臺，介紹工程實例。不但可以增加教學信息量，而且對插圖和課程中的重點和難點反復地進行指點和回顧，便于學生理解和掌握課程內容。另外，學生可在計算機上進行仿真實驗，觀察控制效果，有利于提高課程的教學質量，讓學生多方位、立體式接觸新知識，開闊學生的知識視野。使學生深刻理解所學知識，培養工程觀念，樹立工程意識，為學生后續的專業課學習及參加的工程工作奠定基礎。此外，還也能節省實驗設備的投資。嘗試在授課過程中加入3節Seminar課程，Seminar意譯為研討課[5]。這種教學模式在歐美較多采用，但在我國，還處于探索階段。可以將學生分成幾個小組，授課教師給定題目范圍，讓學生提出控制方案，從傳感器的選擇，到控制器的設計，都由學生通過運用所教內容和提供的參考書目自主完成。也可以由學生根據興趣自由選題，鼓勵學生自己查閱文獻及網上資源，以達到充分挖掘學生的學習潛能，促進學生解決工程實際問題的能力，為培養研究型人才及工程應用人才奠定基礎。

三、課程考核方式及內容的研究

由于閉卷考試的方式評分比較客觀、公證，而且期未閉卷考試會促進學生對整個課程內容進行系統深入的復習，閉卷考試的方式仍然在考核中占重要比例，初步確定為60%。與此同時，考慮seminar課程的成績評定，比例初步確定為30%。seminar評價標準綜合考慮學生的查閱資料能力、總結能力、課堂表現能力、語言表達能力、團隊合作能力及獨立完成科研任務的能力等上面。和助教一起按照各分項打分。此外，平時成績占10%，考量依據來源于平時的出勤及作業質量。

通過機械專業“自動控制系統”教學體系改革研究，初步形成了課程知識體系及教學內容建設方案；積極推行案例教學及Seminar教學模式；采用閉卷考試、seminar成績評定及平時成績考核的課程綜合考核方式。《自動控制系統》課程學習過程中，結合國家需求及技術發展趨勢激發學生的創造熱情；結合科研項目及工程實踐進行教學，保證授課內容充實、生動；以任務為導向，對學生進行積極、有效引導。使學生具有廣闊的發揮聰明才智的空間，達到培養學生創新思維和實踐能力的目的。

參考文獻：

[1]王曉琳電力拖動控制系統教學中的探索與實踐[J].科技信息，2007，（3）：9-10.

[2]張敬南.“電力拖動自動控制系統”中的仿真教學[J].電氣電子教學學報，2010，32（4）：110-112.

[3]周武能，石紅瑞.自動控制原理教學改革與實踐[J].教學研究，2010，33（1）63-66.

[4]孫昌躍，歐青立《自動控制原理》課程教學設計與實踐[J].當代教育理論與實踐，2014，6（11）：44-46.

[5]林培錦.Seminar在大學本科教學中的價值及應用[J].寧波大學學報（教育科學版），2010，32（1）：32-36.