基于飛行員能力培養的《自動控制原理》課程建設與改革研究

楊曉紅 徐亮 趙丹丹 劉成旭

摘要：基于飛行員能力培養要求，探討如何提高《自動控制原理》平臺課程的教學水平，從課程建設的高度，在教材、教學內容、課題設計等方面進行探索和研究。教學改革實踐表明：達到了預期的教學目的，培養了學員的實戰能力、應用能力和創新能力[1]。

關鍵詞：自動控制原理；飛行員能力培養；課程建設；改革研究

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）39-0099-02

一、引言

隨著現代空戰環境的日趨惡化，對戰斗機的技戰術性能提出了更高的要求。飛行控制系統是決定飛機性能的核心技術，而飛行控制技術的基礎就是《自動控制原理》課程所講授的主要內容。

2015年以來，《自動控制原理》課程成為我校飛行學員共同開設的專業基礎平臺課，體現了該課程在飛行員能力培養中的地位和重要性。與原有課程相比，教學對象發生了變化，由地面工程學員變成空中飛行學員；教學學時也發生了變化，由50學時縮減為30學時，而對課程標準的要求卻更高了。如何在新形勢下，基于飛行員的專業核心能力培養，提高《自動控制原理》課程的教學水平，實現瞄準目標軍隊優質課程，極大地有賴于《自動控制原理》新課程體系的建設、完善和改革，這就給《自動控制原理》學科組提出了艱巨的任務。

二、優化課程結構，整合教學內容

作為我校專業平臺基礎課程的《自動控制原理》，不論從教學方法還是實驗內容和手段上都沿用幾十年前的方式。目前《自動控制原理》課程的建設成果，主要是基于地面工程學員的人才培養模式和相應課程標準。在教學內容上，大都以機械、電路控制系統及其元部件為分析對象，飛機自動控制系統所占比重不高，應逐步轉變實例分析對象，適應授課對象轉變需要[2]。

1.精選教材教學內容，理論聯系實際。結合飛行實例講解自動控制的原理、概念、應用、分析和綜合設計，適當弱化一些數學推導[3]。比如說，繪制根軌跡的8條法則，沒有必要逐條推導，注重于如何應用MATLAB繪制精確根軌跡，利用根軌跡分析系統的性能。對于飛行員來說，學會利用MATLAB編程語言解決飛行訓練中的實際問題顯得尤為重要，課程內容當中這部分內容強調不夠，只是結合實驗內容講述，新的課程教學內容應該主要關注于如何應用MATLAB進行時域、復域和頻域的曲線繪制和性能分析比較。有些章節內容沒有必要引入，比如非線性系統的線性化等。系統閉環傳遞函數這一節，沒有必要單獨列出，可以結合習題講解。原教材章節編排有一些重復的內容需要刪減，比如第一章“系統的性能分析”和第三章第一節“系統的時域性能指標”內容有交叉重復的地方，可以合并到第一章講解。原課程內容缺少一些必要的數學知識鋪墊，學員的數學水平和前導知識水平參差不齊，影響了學習效果，比如拉式變換、復變函數、航空電機學的相關知識需要適當補充。拉普拉斯變換的內容雖然有，但重難點不突出，沒有列寫如何應用拉式變換求解微分方程的方法和例題。書中內容對于這些數學方法的物理意義強調不夠，而這些通常是學員為什么學了這門課程之后還不知道怎么用的主要原因。原課程教學內容只注重對控制系統的分析，缺少控制系統的設計這部分內容，應該在第六章相應增加PID控制的內容。上課時重點強調飛行員為什么要開這門課程，飛行員通過這門課程的學習應該掌握什么內容？具備什么能力？解決飛行訓練中的什么問題？怎樣才能學好這門課程？等等。

2.以一個飛機自動控制系統實例貫穿《自動控制原理》授課的全過程。《自動控制原理》課程比較抽象，看不見摸不著實際的系統。上課過程中學員經常跟教員提到的一個問題就是這門課程難學、枯燥、單調，學這門課程有什么用？怎么用它解決實際問題？目前，學科組已經形成初步的想法，就是選擇一個合適的飛機自動控制系統貫穿始終，由設計指標層層遞進，從而自然而然地引出自動控制的基本概念和理論，方便學員領會和理解課程理念，培養學員的工程應用意識，強化實踐動手能力[4]。

飛行工程實例式教學法采用由淺入深的方式，提出問題、分析問題到最后解決問題的方法。舉一個適當的飛機自動控制系統實例，先根據控制系統性能要求，建立系統數學模型，分析控制方案，設計控制器，選取PID參數，性能指標計算，如果不符合系統設計要求，需要進行校正[4]。

實例式教學法的應用，重視自控問題的背景研究，培養學員的實踐思維習慣。教學過程層層推進，教學目標明晰。通過一個例子使學員明白什么是控制，怎么用控制方法解決實際問題，使學員可以活學活用知識，最終可以創造性的解決問題[4]。

應用實例式教學法，教學內容需要進行相應調整。依據原則是：主線工程，兩翼數理和軟件，目標活用，宗旨創新。對實踐中較少用到的內容進行刪減，對隨著時代出現的新知識及時增加，對現代分析輔助手段MATLAB強調其應用，對涉及到的數學推導不追求全面的細節，注重推導的思路，體驗數學的美。

3.加大對PID控制器的介紹與應用。PID控制比較成熟，目前飛機上的飛控系統多采用PID控制實現對飛機的操控。PID控制實現容易、原理簡單、魯棒性強，因此在自動控制系統中得到了廣泛應用。目前，我校課程內容中沒有系統設計實現部分的內容，是自動控制原理知識的嚴重缺失，因此應加大PID控制的內容，加強PID工程實踐內容的講解。利用飛機自動控制系統的綜合性實驗過程讓學員親手搭建PID控制器，調節控制器參數，最后用MATLAB編程實現，培養工程意識，為課題設計、畢業設計及后續專業課程學習打好基礎[3]。

4.結合控制理論的發展，更新教學內容。控制理論在非線性控制、魯棒控制、自適應控制、智能控制等方向上應用十分廣泛。授課過程中可以把一些最新的前沿知識補充給學員，組織專題討論，探討本學科專業發展動態，擴大學員的知識面，培養科研素質[3]。

三、優化課題設計，突出創新能力培養

鞏固專業課教學的重要抓手是以實驗為手段，以課題設計為核心[3]，以飛行員專業能力培養目標為主線構建與理論教學相輔相成的課題設計，突出創新能力的培養。

1.課題設計內容突出航空背景，提高學員解決實際問題的能力[3]。《自動控制原理》課題設計必須以飛機自動控制系統為背景，通過一個有針對性的實際系統的課題設計，學員容易產生共鳴，感興趣，激發學習的興趣。從解決切身關心的實際問題出發，根據性能指標的要求，建立對象的數學模型，分析控制系統性能，如果性能指標偏離要求，需要對系統進行校正。這樣通過一個實際問題的提出，培養學員的分析、綜合和創新能力。

2.通過課題設計，提高學員的合作能力。課題本身是綜合性的問題，每個人的知識都是有限的，只靠個人的力量要想解決實際問題是不現實的。大家必須齊心合力、互相協作、互相配合，發揮個人實力，才能解決綜合性的問題。可以采用分組的方式，根據自身能力選擇設計課題。組員之間協作分工，先分析性能指標要求，分析和設計控制系統。分解控制任務，商討解決方案，分配任務，畫電路圖，焊板，購買元器件，軟件編程，軟硬件仿真，到最后問題實現解決，都需要學員共同協作完成。學員通過上述過程，達到理論和實際的結合，更有利于這門課程理論的理解和擴展延伸。

課終考試時，摒棄了原來只靠一張試卷評定學員學習水平的弊端，通過課題設計，綜合考察學員能力，課程掌握情況，運用自動控制理論解決實際問題的能力，培養協作意識[5]。

3.課題設計融入科研，鼓勵學員創新。以科研促教學，每一個優秀的教員手頭都有一些科研項目。把課題設計融入科研當中，這樣通過使學員參與到一個實際課題的解決過程當中，實現教與學的完美結合，激發出學員的科學創造力和興趣，獲得科學實踐的機會。教員科研實際和學員課題設計相互結合，容易擴展學員思路，避免死讀書、讀死書的現象，學完就會用。在教員的精心指導下，了解科學研究的全部過程，收集資料，確定方案，系統軟硬件實現和最終調試過程，等等，以科研促教學。

4.結合畢業設計，鍛煉實際能力。從大二開始，結合課題設計為畢業設計做準備。結合當前我校的本科學員導師制，可以對本系學員確定畢業設計的方向，使課題設計中進行的諸如收集資料、方案論證、飛機自動控制系統設計、實現、調試等過程在畢業設計中延伸[3]。

依據人才培養方案，制定課程標準，規劃教學內容，課堂教學結合實踐教學（課程實驗、課題設計、畢業設計等），培養綜合素質高、創新能力強的飛行學員[3]。

四、結語

隨著武器裝備的更新，教學對象的轉變，課程學時的縮減，作為我校專業平臺基礎的《自動控制原理》課程的教學不能停留在傳統的教學模式上，應該基于飛行員的能力培養，跟蹤科技發展的步伐，與時俱進，不斷地更新陳舊的教育思想和理念，并賦予新的內容和創新發展，滿足國家對航空軍事人才培養的要求[6]。

參考文獻：

[1]湯三.應用型本科“自動控制原理”課程的教學研究[J].科技信息，2011，（31）：157.

[2]魯峰.具有航空特色的自動控制原理課程教學中的啟示[J].科技信息，2013，（4）：141.

[3]何琳琳，劉順新.“自動控制原理”課程教學改革的理論與實踐[J].鄭州航空工業管理學院學報（社會科學版），2010，（2）：149-151.

[4]趙肖宇，劉坤，梁清梅.一個工程實例貫穿“自動控制原理”教學過程[J].牡丹江大學學報，2012，（2）：180-181.

[5]佟棱.利用生活中的課程資源開展高中物理探究式教學的實踐研究[D].呼和浩特：內蒙古師范大學碩士論文，2013，（6）.

[6]劉慧英，盧京潮，李儼.精品課程教學改革與人才培養模式研究[J].西北工業大學學報（社會科學版），2011，（3）：73-76.