“自動控制原理”立體式教學改革探索與實踐

劉習文　劉超英

摘要：“自動控制原理”是控制類以及電氣信息等相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，理論性和應用性都較強，學生學習具有一定難度。本文主要介紹自動控制原理課程立體式教學改革體會與實踐，對課程教學方法、教學體系和內(nèi)容的整合優(yōu)化以及實驗教學方法進行了討論，旨在突出教學重點，增強學生的動手能力，提高教學質(zhì)量，實踐證明，效果良好。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；立體式教學；教學質(zhì)量

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）15-0122-02

一、引言

《自動控制原理》是高等學校控制類主要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是電氣信息類、機械類、能源動力類等許多專業(yè)的學科基礎(chǔ)課[1，2]。為適合復合型人才的培養(yǎng)以及現(xiàn)代化教學的需求，《自動控制原理》的教學要理論與實踐并重，不斷優(yōu)化課程體系，采用立體化教學方式。本文結(jié)合肇慶學院《自動控制原理》近幾年教學改革工作，對《自動控制原理》立體式教學體系進行研究與探討。

二、立體式教學體系結(jié)構(gòu)

《自動控制原理》課程涉及到高等數(shù)學、復變函數(shù)等數(shù)學知識，比較抽象；另外，《自動控制原理》是一門與實踐緊密結(jié)合的學科，該門課程要培養(yǎng)學生的實踐能力和動手能力[3]。因此，本著“厚基礎(chǔ)、重實踐、重能力”的指導思想，提出了如圖1所示的《自動控制原理》立體式教學體系結(jié)構(gòu)。

三、理論教學探索

1.優(yōu)化教學內(nèi)容，提高教學質(zhì)量。隨著控制理論的發(fā)展和計算機技術(shù)的應用，新的控制方法和控制手段越來越多，根據(jù)本科專業(yè)培養(yǎng)目標和專業(yè)特點，對自動控制課程的內(nèi)容進行了重新整合，把一些新內(nèi)容、新的教學成果、應用實例融合到教學內(nèi)容中，做到課程內(nèi)容的基礎(chǔ)性和先進性相結(jié)合。《自動控制原理》的教學內(nèi)容主要是圍繞控制系統(tǒng)的性能分析與設(shè)計展開的。據(jù)此將教學內(nèi)容劃分為五大塊：自動控制的概念與模型、控制系統(tǒng)的性能分析、系統(tǒng)的設(shè)計校正、采樣控制系統(tǒng)的性能分析和非線性系統(tǒng)的分析。系統(tǒng)性能分析是重點講解部分，介紹各種分析方法：時域分析法、根軌跡法、頻域分析法等，進行有關(guān)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)分析。在系統(tǒng)設(shè)計的講解中，重點介紹根軌跡設(shè)計法、頻域設(shè)計法和狀態(tài)控制設(shè)計法，使學生在整個學習過程中，圍繞“系統(tǒng)分析和設(shè)計”這條主線進行，從而對《自動控制理論》有一個完整清晰的理解。同時，以穩(wěn)定性指標為輔線，在各個有關(guān)章節(jié)的小結(jié)中對穩(wěn)定性都予以重點討論，通過對各種穩(wěn)定性判斷方法的分析，把前后的知識點加以銜接聯(lián)系，并綜合應用。

在講清系統(tǒng)物理概念的基礎(chǔ)上，重點結(jié)合習題精解，物理實體（電機調(diào)速系統(tǒng)）進行實際演練；同時，結(jié)合課程內(nèi)容，采用先進的計算機輔助教學手段，將Matlab軟件在控制系統(tǒng)中的應用引入課堂教學，在諸多課堂教學環(huán)節(jié)中實現(xiàn)了仿真演示，增強了學生對抽象理論的感性認識，收到了良好的教學效果。

2.多元化教學方法，提升教學手段。《自動控制原理》對學生的分析能力、綜合運用能力有一定的要求，并需具有扎實的數(shù)學基礎(chǔ)，學生在學習中經(jīng)常會感到困難而產(chǎn)生畏難情緒[4]。因此，改革傳統(tǒng)教學方法和手段，提高教學質(zhì)量，是課程改革的重點，為加強學生能力培養(yǎng)，教學體系中設(shè)計了靈活多樣的教學方法，如探究式教學，討論式教學，案例式教學，計算機輔助教學等。①探究式教學。其特點是在教師的啟發(fā)引導下，以學生獨立思考和合作討論為主，在“發(fā)現(xiàn)提出問題—思考分析問題—初步解決問題—反饋解決情況—完整解決問題”的閉環(huán)探究過程中，通過師生之間的合作與互動提高學生的科學興趣和主動探究能力。②討論式教學。主講教師就某一問題或知識點，讓學生進行討論，促進學生動腦思考。在講授新的內(nèi)容時，主講教師和學生討論新知識點與前面學過的內(nèi)容有什么樣的聯(lián)系與區(qū)別，這樣一方面加深舊知識點的理解，另一方面會對新知識點有一些初步了解。③案例式教學。主講教師就某一知識點進行講解時，通過具體的案例來加深學生的理解與印象。通過案例就可使學生容易理解開環(huán)控制和閉環(huán)控制的區(qū)別，以及二者的優(yōu)缺點：閉環(huán)控制效果好，但需要傳感器，成本增加。④計算機輔助教學。我們在《自動控制原理》課的多媒體教學實踐中，努力探索如何使多媒體這一先進的教學手段更好地服務于課堂教學。開發(fā)了“自動控制原理多媒體課件”、“Matlab仿真軟件包”等CAI課件，采取多媒體與板書相結(jié)合的教學方法，既充分利用了多媒體教學生動、逼真、容量大的優(yōu)點，又充分利用了板書教學嚴謹性、邏輯性強的優(yōu)點。

3.網(wǎng)絡(luò)化教學。網(wǎng)絡(luò)互動教學是對課堂講授的補充，是教師和學生不受地域時間限制的一個交流平臺。我們建立一個《自動控制原理》QQ討論群，通過該群老師可及時回答學生的疑問。另外，借助于學院的網(wǎng)站，建成了一個網(wǎng)絡(luò)教學系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)教學資源共享，實驗預約，課程設(shè)計的布置，畢業(yè)設(shè)計申報與管理等，增強了師生的互動性。

四、實驗教學探索

1.加強常規(guī)實踐教學環(huán)節(jié)，增強學生的動手能力。注重實踐能力的培養(yǎng)，堅持理論聯(lián)系實際的原則，加強學生動手訓練，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。實踐教學是提高學生創(chuàng)新精神和能力的重要途徑，教改過程中，我們加強實驗室建設(shè)，徹底改造了原有的實驗內(nèi)容。控制箱提供基本的電路模塊，實驗只提目標和要求，沒有詳細的實驗步驟和實驗電路圖。學生根據(jù)個人情況自主選擇難度等級不同的實驗，根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，設(shè)計控制電路，獨立完成系統(tǒng)設(shè)計，記錄數(shù)據(jù)和圖形，寫出實驗報告。所有這些都極大地調(diào)動了學生學習的主動性和積極性，鞏固了課程理論，激發(fā)了學生學習的熱情，培養(yǎng)了學生的動手能力和獨立思考的能力，使其觀察、分析和解決問題的能力都有很大的提高。

2.虛擬實驗。MATLAB具有強大的數(shù)值計算、信號處理以及圖形顯示能力。為了避免傳統(tǒng)實驗的盲目性和可能出現(xiàn)的硬件電路損壞等問題，以MATLAB為基礎(chǔ)開發(fā)了《自動控制原理》虛擬實驗平臺，虛擬實驗使用方便靈活，交互性好。如圖2所示，在PID虛擬實驗中，可以方便地研究PID參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響規(guī)律。通過虛擬平臺實驗不僅可用于實際系統(tǒng)的分析、綜合與研究開發(fā)，也可使學生對科學研究產(chǎn)生濃厚的探索興趣，是對傳統(tǒng)實驗的有益補充。

五、以教學推動科研，以科研促進教學

對于普通高等教育來說，教學固然重要，科研也不可忽視。從《自動控制理論》來講，它近幾十年才建立起來，與工程實際聯(lián)系較廣，特別是在發(fā)展過程中，數(shù)學和計算機起了很大的作用，成為控制理論的重要工具。可以說，控制理論是工程與數(shù)學、計算機科學相互作用的前沿。在教學中講授理論知識的同時，增加一些與科研結(jié)合的內(nèi)容，在同學中選一些成績較好，對科研又有一定興趣的同學，參加有關(guān)教師的科研項目，也可為學生科技活動中心提供一些課題，指導學生參與科研。這樣，一方面調(diào)動了學生的積極性，培養(yǎng)了學生的動手能力，另一方面，也可為科研活動的開展打好基礎(chǔ)。學生通過參與科研，學習興趣更加濃厚了，求知的欲望更強了。

六、總結(jié)

該課程的教學改革已在我校實施，通過課程的建設(shè)和改革，《自動控制原理》課程內(nèi)容及課程體系得到了優(yōu)化，教學工作得到了進一步完善和規(guī)范，取得了良好的教學效果，學生的基本知識、專業(yè)能力、實踐技能乃至學習興趣等，都較以往有較大的提高。

參考文獻：

[1]王亞娟，魏立明.自動控制原理課程教學的改革探索[J].中國電力教育，2008，（9）：95-96.

[2]李紅星，張大平.淺析自動控制原理課程的教學方法[J].欽州學院學報，2013，28（2）：87-89.

[3]胥布工.自動控制原理[M].廣州：華南理工大學出版社，2012.

[4]李振龍，喬俊飛，等.自動控制原理課程體系結(jié)構(gòu)和教學方法探討[J].教學研究，2009，32（2）：66-72.