基于應用型人才培養的機械類專業自動控制原理特色教學模式探討

王憲磊 王 偉 裴玖玲 范修文 胡 燦 鄒夢麗

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

基于應用型人才培養的機械類專業自動控制原理特色教學模式探討

王憲磊 王 偉 裴玖玲 范修文 胡 燦 鄒夢麗

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

結合機械類各專業的應用型人才培養目標，進行了自動控制原理課程的教學內容、教學方法和教學手段的改革，使該課程的理論與機械工程實際緊密結合，通過機械工程實例的講解，為學生樹立了機械工程意識，提高了學生利用課本知識解決實際問題的能力，提高了該課程的教學質量，培養應用型的合格人才。

機械類；自動控制原理；課程；應用型；教學

1 引言

《自動控制原理》是塔里木大學機械類各專業的一門重要的理論基礎課，是專業控制類課程的核心，也是后續課程和以后研究生課程的基礎。該課程工程實踐性強，知識面廣，理論知識和實際聯系緊密，若單純講解理論，學生學習興趣不足，如果把理論與工程實際聯系起來進行授課，容易引起學生學習的額積極性和主動性。但是現有的自動控制原理教材大部分是基于電類專業背景，缺少與機械類專業的工程實例相結合，且課程教學多為理論分析與推導，與機械類專業所學知識結合困難，因此該課程需要圍繞機械類各專業應用型人才培養目標，推行面向機械類專業特色的自動控制原理課程模式，在該課程中培養學生的工程實踐意識，培養學生利用自動控制的基本理論去解決機械工程中的實際問題，建立與機械類專業應用型人才培養目標相適應的專業核心課程。

機械類各專業的應用型人才培養目標主要是使學生畢業后側重面向生產一線，能解決工程實際中的問題，就要要求學生在大學學習期間，就要具備這種能力，自動控制原理課程作為一門技術科學，必須與當地生產一線的機電設備聯系起來，要在教學中面向實際工程問題，因此通過該課程的教學模板探討，實現理論與工程實踐相結合，提高學生的實踐認知能力，培養應用型人才，更好的服務地方經濟發展。

2 教學內容的改革與創新

自動控制原理所研究的對象包括線性系統和非線性系統。主要課程內容包括經典控制理論和現代控制理論。根據學校機械類各專業現狀，主要講解經典控制理論，重點講解自動控制的概述、系統建模、時域分析法、根軌跡法、頻域分析法、穩定性分析，對于系統的校正和設計僅做一簡單介紹。對于非線性系統，由于學時關系，不做介紹，讓學生自學。

該課程中，經典控制理論部分的數學基礎是拉普拉斯變換和拉普拉斯反變換，因此在教學過程中要適當給學生復習一些數學基礎知識，便于和該課程很好的銜接。系統的數學模型對分析系統的性能至關重要，在整個課程中大部分是數學模型和系統分析，在教學過程中重點要講好數學建模，因為對系統性能分析的準確程度與所建立的數學模型有很大關系，教學中對學生建模思想的講解至關重要。課程的重點內容是反饋控制系統，在介紹系統的多種類型后，引入反饋控制系統，重點講授反饋控制系統的概念、特性、工作性能，進一步學習討論反饋控制系統穩定性的問題。自動控制原理課程的基本原理就是反饋原理，實際上教學活動也要用到反饋概念，教師要在平時的課堂教學中注意觀察學生的聽課反應，還應當充分利用課間休息時間對學生答疑解惑，要多加強和學生的交流，及時收集學生對該課程的反饋信息，對反饋信息及時消化處理，認真對教學進行優化調整，不斷提高教學效果和質量。

時域分析法、根軌跡法、頻域分析法是分析系統性能的常用方法，時域分析法是控制系統分析中最為直觀、易于理解，是最常用的分析方法，主要內容是一、二階系統和高階系統的時域分析，涉及到時域分析的各項指標，使學生對時域分析法達到深入的認識并且會分析具體的系統模型。對于高階系統的分析要重點介紹高階系統的降階處理方法，僅做一簡單的分析思路，不做具體分析，對高階系統的分析，可以通過MATLAB軟件，利用計算機來解決復雜問題的分析，這對學生解決實際間題是很有用的。根軌跡法，主要講授用圖解法來分析系統的性能，重點是給學生講清楚開環極點與閉環極點的關系，從圖上直觀的講解系統參數變化對系統性能的影響，結合實際問題，通過舉大量實例，利用圖解法，分析系統參數變化過程中，系統性能的不同變化，使學生達到深入的理解和處理能力。頻域分析法也是在頻率特性的圖形表示法上，重點是介紹奈奎斯特圖和伯德圖，學會用頻域特性的圖形分析系統的性能，并能利用圖解法校正系統和設計系統，這對學生以后的工程解決問題能力是非常必要的。

要重視對學生系統設計能力的培養，平時教學內容中，要給學生布置系統設計任務，確定系統設計任務和性能指標，要求學生自行選擇設計方法、確定設計方案和思路，設計出符合要求的實際系統。給學生重點介紹MATLAB軟件，要求學生初步學會該軟件的操作，會利用該軟件幫助進行系統設計。

3 教學方法和手段的改革與實踐

3.1 精心準備，講授好緒論

作為課程開端的緒論對整個課程的講解至關重要，學生首次接觸和了解課程的全部都是通過緒論入手，作為控制論基礎的自動控制原理課程，必須讓學生在首次接觸課程的同時，有更廣闊的視野，不能讓學生認為該課程就是簡略的公式推導和作圖分析，要充分利用現代的教學手段為學生展示一個異常開闊的視野，以此來激發學生的學習興趣和激情。要列舉大量的實際鮮活控制系統實例，重點要例舉機械工程中的實例，以便更好的與專業相結合，引起學生的興趣，最好能有深情并茂的圖片和具體的視頻展示，讓學生理解自動控制原理課程的重要性，要摒棄傳統的簡單羅列講解，要借助多媒體教學，讓理論知識與工程實踐緊密結合，樹立學生理論與實踐相結合的思想。在緒論講解中要循序漸進，舉例要從簡單的日常生活中的實例，如介紹全自動洗衣機的控制、爐溫的自動控制、農產品加工和檢測中的控制等，這樣的例子學生易懂，再到復雜的高科技領域的例子，比如農業自動滴灌系統的控制、自動導航播種的控制、機器人的控制、人造衛星的控制等，使學生充分明白自動控制的廣泛應用。同時，授課中教師可以舉例某一個控制系統，讓學生自行分析系統結構、組成、控制過程、工作情況等，使得學生用所學的知識分析實際系統，激發學生學習該課程的濃厚興趣。

3.2 加強對學生數學知識的復習

自動控制原理課程的另外一個難點是涉及到大量的數學知識，對學生的數學基礎要求較高。大部分學生厭煩數學理論推導，要學好自動控制原理知識，必須具備一定的數學基礎。在自動控制原理中，要用到線性定常微分方程的求解、拉普拉斯變換、傅里葉變換、復數的幅值和幅角的計算等數學知識。大量的數學基礎知識常常令學生感到頭疼，以至于讓學生分不清楚到底是在學自動控制理論還是在學數學，甚至錯誤地認為控制理論就是數學，特別是對于數學基礎不太好的學生更是顧慮重重，沒有一點自信心，剛開始學習就被失敗的陰影籠罩著，這些學生在學習控制理論的過程中，要不斷翻閱數學書籍，不斷補充數學知識，在學習過程中時時充滿了挫敗感，致使有的學生在學習中途放棄學習。所以，在教學過程中，教師要適當地加強對學生數學基礎知識的復習指導，在思想上要弱化數學在控制理論課程中的地位，不要給學生加重學習的負擔，不要因為數學知識不好使學生放棄課程的學習，應當根據課程的進度，結合講授內容，有計劃地安排好相關數學知識的提前復習，讓學生提前補充必備的數學知識，化整為零，給學生創造一個相對輕松的心理環境。對于特別重要的部分，要以應用為原則，適當簡化地穿插到課堂教學中。

3.3 以系統分析為主線，以數學模型為基礎

整個自動控制原理課程中，數學模型和系統分析的內容占到 80%左右，其中又以系統分析的內容居多，而數學模型的建立是系統分析和系統綜合的關鍵，對系統性能分析的準確性與所建立的數學模型有很大的關系，如果沒有了這個數學模型基礎，系統分析就成了擺設，為此教師應重點做好數學建模的講授。同時教師還要注意在教學過程中，應當遵循系統分析這條主線，結合一定的機械工程實例，進行分析訓練，重點培養學生的系統分析能力，鍛煉學生能用課本知識解決實際的機械工程控制問題。在系統分析能力的培養過程中，通過反復的工程實踐分析訓練，學生的系統綜合能力也會自然而然地提高。

3.4 改善教學手段，利用好多媒體教學

由于自動控制原理課程理論內容多，圖形多，信息量大，采用傳統的板書教學方式不足以在有限的課程學時內很好的講授知識，要充分利用計算機輔助教學方式即多媒體教學，進一步提高課堂教學的信息量，利用圖片、聲音、視頻等更直觀的輔助講授課程內容，開闊學生視野，提高學生學習興趣和積極性。但是由于該課程與數學知識緊密聯系，不能單純采用多媒體教學，要結合課程教學內容，對某些結論的推導過程需要用數學分析方法，這時就要借助于黑板板書，不能用多媒體直接展示，這樣才能引起學生重視，可以幫助學生更好地整理數學分析前后的思路，做到思維連貫，使學生加深對內容的理解。因此，在課程教學方式上應該采用黑板教學和多媒體教學相結合的方式，不能太單一，要充分發揮各自的優勢，這樣才能取得更好的教學效果。

3.5 精選案例，強化學生的機械工程專業背景

以培養機械類專業應用型人才目標出發，該課程的教學中，必須重視案例教學，精選機械工程控制實例，充分體現該課程在機械工程領域的重要性。必須從當地的生產、加工、科研中提取機械工程實例來充實課程教學。如，在講解自動控制系統分類的時候，講到程序控制系統，就可以選取機械工程領域中非常重要的加工設備，即數控機床來進行分析，給學生簡單介紹數控機床的工程流程，并繪制其控制框圖，同時假設數控機床處于開環控制和閉環控制兩種情況，分別加以分析優缺點，使學生直觀的理解閉環控制的優越性，也明白了自動控制在數控機床中的重要性。也可以舉例機械手的控制、工業過程控制、溫室大棚溫濕度的控制、農產品加工自動化機械、農業自動收貨機械、石油化工生產過程控制、造紙、工業窯爐、煤炭開采、道路交通、飛機自動駕駛儀系統等，通過大量的機械工程實例，使學生在學習課程的同時，也強化了學生的機械工程專業背景，體現了該課程在機械類專業應用型人才培養中的重要地位。

3.6 針對機械類不同專業，制作精美課件

由于塔里木大學機械類不同專業的人才培養目標有差異，所以自動控制原理課程學時數各專業也不一致，具體來說機電專業學時數多一些，機制專業學時數次之，農機專業學時數最少。因此，必須根據不同專業，不同學時數，要提煉教學素材，擴展知識信息，制作精美課件。針對不同專業，例舉的機械工程實例，也要與專業相結合，在課件中也要體現出來，教師要制作適合自己教學，體現自己風格的課件，不能直接使用網上下載或出版社提供的課件，應該把課件再加工，加入了自己準備的教學素材和案例，體現出教師的教學準備，通過圖文并茂的課件，豐富了教學信息，提高了教學效果。

4 結束語

結合機械類不同專業的應用型人才培養目標，進行了自動控制原理課程的教學模式探討，提出了在課程教學內容、教學方法和教學手段上的一些改進措施，為學生樹立了機械工程意識，提高了學生應用課本理論知識分析實際機械系統的能力，提高了課程的教學質量和人才培養。隨著自動控制原理的研究不斷深入，控制內容不斷更新發展，在教學過程中要不斷更新教學內容，擴展新知識，探索新方法，力求使學生的知識水平和實踐能力都不斷提高和進步，不斷提高教學質量，培養出合格的工程應用型人才。

［1］ 梁雙翼，尹輝俊，宋世柳.面向實踐能力培養的《機械工程控制基礎》教學探索［J］.裝備制造技術，2012，（3）：195-196.

［2］ 宋強，鮑雅萍.機械專業“控制工程基礎”課程的教學改革與探索［J］.中國電力教育，2010，（10）：60-61.

［3］ 陳延明.自動控制理論課程教學方法探討［J］.廣西大學學報（哲學社會科學版），2006，（10）：91-92.

［4］ 孟令雅.自動控制理論教學漫談［J］.電氣電子教學學報，2006，（1）：48-50.

［5］ 程淑紅.自動控制理論教學改革的思路與實踐［J］.教學研究，2006，（5）：433-436.

Discussion on the teaching mode of automatic control principle of mechanical specialty based on applied talents training

Combined with the application type talents of various kinds of machinery professional training target， the automatic control principle course teaching content， teaching method and teaching means reform， make the curriculum theory and mechanical engineering actual close union， through mechanical engineering examples to explain， for students to establish mechanical engineering consciousness， to improve the ability of students to use the textbook knowledge to solve practical problems， improves the teaching quality of the course， the application of training of qualified personnel.

Machinery； principle of automatic control； course； application type； teaching

G642

A

1008-1151（2016）01-0092-03

2015-12-11

塔里木大學高教研究項目（TDGJ1534）。

王憲磊（1983-），男，陜西子洲人，塔里木大學機械電氣化工程學院講師，碩士，從事電氣類課程教學工作以及電力系統及其自動化方面的研究。

王偉（1979-），男，遼寧沈陽人，塔里木大學機械電氣化工程學院副教授，碩士，研究方向為現代農業機械裝備設計理論及關鍵技術。