新工科背景下《自動(dòng)控制原理》課程的教學(xué)改革研究

摘?要：為了應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的挑戰(zhàn)，加快工程教育事業(yè)發(fā)展，高校正積極探索新的教學(xué)方法以提升創(chuàng)新型人才培養(yǎng)質(zhì)量。本文通過分析高職本科軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)《自動(dòng)控制原理》課程的教學(xué)現(xiàn)狀，針對(duì)該課程教學(xué)中存在的問題，從整合教學(xué)內(nèi)容、增加MATLAB應(yīng)用、改進(jìn)考核體系三個(gè)方面出發(fā)，研究與新工科建設(shè)相適應(yīng)的教學(xué)和人才培養(yǎng)模式。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理;新工科;教學(xué)改革

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：In order to respond to the challenges of the new round of scientific and technological revolution and industrial revolution，and accelerate the development of engineering education career，colleges are actively exploring new teaching methods to improve the quality of innovative personnel training.Based on the analysis of the current teaching situation of the course《Principle of Automatic Control》for the undergraduates majoring in signal and control of rail transit in Higher Vocational College，aiming at the problems existing in the teaching of the course，this paper studies the teaching and personnel training mode required by the construction of new engineering from four aspects：adjusting the teaching targets，updating the teaching contents，optimizing the teaching methods and improving the evaluation system.

Key words：Principle of Automatic Control;new engineering;teaching reform

為推動(dòng)新時(shí)代中國特色社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)，政府相繼實(shí)施“一帶一路”、“中國制造2025”等重大強(qiáng)國戰(zhàn)略，這對(duì)工程領(lǐng)域技術(shù)人員的素質(zhì)和能力提出了更高的要求，對(duì)工程教育的改革和發(fā)展提出了更新的期望。自動(dòng)控制技術(shù)作為20世紀(jì)發(fā)展最快、21世紀(jì)最重要的高新技術(shù)之一，在工業(yè)機(jī)器人、航空航天、軍事等領(lǐng)域起著關(guān)鍵作用，也是智能制造領(lǐng)域的核心技術(shù)。自動(dòng)控制原理作為自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)的主干課程，闡述了自動(dòng)控制的共同規(guī)律，通過學(xué)習(xí)該課程使學(xué)生具備初步的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及從事相關(guān)技術(shù)工作奠定基礎(chǔ)。而在《自動(dòng)控制原理》的教學(xué)中，傳統(tǒng)的課堂講授法教學(xué)法已不能適應(yīng)現(xiàn)代教育教學(xué)的需要，也無法滿足新工科建設(shè)要求，因此改革勢在必行。

一、自動(dòng)控制原理的教學(xué)現(xiàn)狀

《自動(dòng)控制原理》課程有著理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以書本和黑板為中心，重視數(shù)學(xué)推導(dǎo)而忽視物理概念，重視純理論內(nèi)容的介紹而忽視工程應(yīng)用和對(duì)學(xué)生能力素質(zhì)的培養(yǎng)。

（一）教學(xué)內(nèi)容繁多

《自動(dòng)控制原理》課程從方法論的角度研究了控制系統(tǒng)的建立、分析和設(shè)計(jì)，其內(nèi)容包括兩個(gè)部分：經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。本課程涉及的知識(shí)點(diǎn)豐富，既有微分方程的求解、拉普拉斯變換、矩陣分析的數(shù)學(xué)知識(shí)，也有力學(xué)、熱學(xué)的物理知識(shí)，還牽涉電路理論、電機(jī)與拖動(dòng)、模擬電子技術(shù)等專業(yè)課程的內(nèi)容，并要求具備一定的數(shù)學(xué)建模能力和運(yùn)用綜合知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。由此，該課程信息量大、覆蓋面廣，使學(xué)生難以及時(shí)吸收所學(xué)知識(shí)，也影響了教學(xué)效果。

（二）教學(xué)手段單調(diào)

多媒體教學(xué)作為現(xiàn)今高校教師主流的教學(xué)手段，以其便捷、高效、直觀的特點(diǎn)，為教學(xué)改進(jìn)注入了活力，對(duì)教學(xué)的輔助作用有目共睹。通過多媒體教學(xué)可將冗長的概念、抽象的原理、復(fù)雜的計(jì)算以簡明扼要、易于接受的形式表現(xiàn)出來。但針對(duì)《自動(dòng)控制原理》這樣理論性較強(qiáng)的課程，對(duì)多媒體課件單一教學(xué)形式的依賴不僅容易使學(xué)生產(chǎn)生疲憊感，也不利于青年教師成長。例如在講到自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，為了得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，需要將一個(gè)實(shí)際的物理系統(tǒng)按照物理規(guī)律通過構(gòu)建微分方程、取零初始條件下的拉氏變換的方式過渡到數(shù)學(xué)系統(tǒng)，從而得到數(shù)學(xué)模型，對(duì)于此部分內(nèi)容純課件式的講授方式無法集中學(xué)生的注意力，不利于他們對(duì)知識(shí)的理解和掌握。

（三）缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是新工科能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力具有重要意義。而在《自動(dòng)控制原理》課程的教學(xué)中，更多的是對(duì)于理論的講解，學(xué)生感覺內(nèi)容枯燥乏味，難以激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。同時(shí)，理論和實(shí)踐相脫節(jié)不利于學(xué)生深入理解所學(xué)知識(shí)，也有違應(yīng)用型本科院校與高職院校聯(lián)合辦學(xué)初衷。

二、課程改革初探

經(jīng)過以上論述分析，本文針對(duì)在《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)實(shí)施過程中存在的問題提出幾點(diǎn)改革建議：

（一）整合教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)新工科對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，通過研究分析教材和大綱，對(duì)《自動(dòng)控制原理》課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，重視理論內(nèi)容的實(shí)際應(yīng)用，多講原理少講計(jì)算，對(duì)于公式的推導(dǎo)證明以及大綱要求了解性的內(nèi)容不講或略講，對(duì)于抽象繁雜的內(nèi)容可適當(dāng)降低難度，但注重前后銜接。以此為指導(dǎo)將自動(dòng)控制原理課程內(nèi)容分為五大項(xiàng)目模塊。

項(xiàng)目一：自動(dòng)控制系統(tǒng)概述。包括自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成、自動(dòng)控制系統(tǒng)的相關(guān)概念。

項(xiàng)目二：自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。包括如何建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、框圖等效變換。

項(xiàng)目三：自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能分析。包括系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能分析。

項(xiàng)目四：分析自動(dòng)控制系統(tǒng)性能常用的方法。包括系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

項(xiàng)目五：校正。包括校正的意義和常用方法的。

在每個(gè)項(xiàng)目中設(shè)置若干教學(xué)任務(wù)，幫助學(xué)生建立自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念，掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)（校正）的基本方法。

（二）增加MATLAB應(yīng)用

將MATLAB軟件與自動(dòng)控制原理課程相結(jié)合，借助于MATLAB語言和Simulink模塊對(duì)線性連續(xù)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行編程仿真分析，豐富了課堂教學(xué)形式，提高了本課程的實(shí)踐性和工程應(yīng)用價(jià)值，使學(xué)生掌握一定的計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)能力，為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)和工作打下良好基礎(chǔ)。下面以一道題為例介紹如何通過MATLAB語言繪制典型二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。

例1.已知典型二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G（s）=4s2+s+4，試?yán)L制該二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。

MATLAB程序如下：

num=4;

den=[1 1 4];

sys=tf（num，den）;%生成傳遞函數(shù)模型

step（sys）;%繪制單位階躍響應(yīng)曲線

title（'單位階躍響應(yīng)曲線'）;%添加標(biāo)題

由左圖可知，響應(yīng)曲線呈現(xiàn)收斂狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定。

（三）改進(jìn)考核體系

課程考核是人才培養(yǎng)過程中的重要環(huán)節(jié)，一個(gè)完善的教學(xué)體系離不開合理、科學(xué)的考核方式。我校高職本科軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)《自動(dòng)控制原理》課程的考核方式以筆試為主，占比情況為筆試成績（70%）+平時(shí)成績（30%），針對(duì)考試形式單一、考試結(jié)構(gòu)單調(diào)的問題，將各項(xiàng)目模塊的MATLAB仿真分析也納入考核體系，不僅考核學(xué)生對(duì)基本概念和原理的掌握，也檢測他們的實(shí)踐能力和運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件分析解決問題的能力，調(diào)整之后總評(píng)成績由筆試成績（60%）+平時(shí)成績（20%）+MATLAB仿真分析成績（20%）構(gòu)成。

三、結(jié)語

《自動(dòng)控制原理》是自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)承上啟下的一門課程，內(nèi)容廣泛，有很強(qiáng)的理論性，又同實(shí)際應(yīng)用緊密相連。從多方面研究探索該課程如何通過改革創(chuàng)新激發(fā)學(xué)生的求知欲、獲得更好的教學(xué)成效對(duì)于新工科課程建設(shè)有著積極的推動(dòng)作用。

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作者簡介：沈陸（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向：先進(jìn)控制理論與應(yīng)用。