自動控制原理課程建設與教學研究

尹進田 劉 麗 唐 杰 林 立 彭志華

(邵陽學院電氣工程學院 湖南邵陽 412000)

教育部頒布《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》，從啟動“新工科研究與實踐”項目以來，新工科應用型人才培養已成為地方轉型高校新的目標[1]。

自動控制理論的概念、體系和方法已滲透到交通運輸、工農業生產等眾多學科領域。自動控制原理課程是我校自動化、電氣工程及其自動化、軌道交通與信號控制、測控技術與儀器、電子科學與技術、物聯網、機械工程等專業的一門非常重要的專業基礎必修課。其教學目標是使學生全面系統的掌握自動控制技術領域的基本概念、基本規律以及分析與設計方法。培養學生從事相關工程和技術工作的基本素質。同時具有一定的分析和解決有關自動控制實際問題的能力[2]。該課程是基礎課向專業課過渡的一門重要課程。也是培養學生工程應用能力的啟蒙課，這門課學習的好壞直接影響著后續專業課的開展。采用傳統的教學方法，學生對知識的掌握僅僅限于簡單的背結論、背公式、做計算題，不了解理論的工程應用意義，不了解分析問題的來龍去脈[3]。因此，針對《自動控制原理》的課程性質，通過教學方法改革，培養學生學習積極性和興趣，提高對自動控制的認知，更好掌握課程知識，促進新工科應用型工程技術人才的培養。

一、課程建設與教學研究

(一)優化課程結構，改革教學內容，面向工程應用能力培養

本課程改革的關鍵是：讓學生在一定的學時內掌握控制理論基本原理，提高教學質量，加強學生能力培養。

1.教學課時合理分配

現有“自動控制原理”存在知識點多、學時不足的問題，有必要根據教學大綱和專業實際合理安排章節學時(如表1)選擇重點教學內容，突出難點和重點，做到基本原理、概念和方法講透徹，同時使教學內容有深度。

表1 自動化專業自動控制原理學時分配

2.教學內容精心設計

課程教學的關鍵是對教學內容進行精心設計。自動控制原理教學中如果教師過分注重公式推導，會使學生感到課程乏味、枯燥、實用性差，從而喪失學習興趣。為突出課程工程實踐，應將教學內容與工程實際緊密融合，將數學推導簡化，通過工程背景引出所有知識點[4]。如圖1 所示將“直流調速系統”作為工程范例，貫穿課程教學始終。在系統方框圖講解時，通過系統工作原理與控制過程分析，引導學生根據功能對系統進行組成劃分；系統數學模型講解時，根據方框圖的組成，對功能模塊進行數學方法描述。在后續系統性能分析時，根據之前建立的數學模型分析系統參數變化或輸入信號的不同，對系統的性能指標進行逐一分析。系統校正講解時，當調速系統的性能較差、指標與要求不符時，引導學生如何在系統中加入裝置或環節，以改善系統性能。

圖1 直流電機調速系統

3.實驗教學有效變革

通過實驗教學使學生動手能力得到有效提高。在實驗內容設置上應增加綜合型、設計型項目，并將項目內容進行必做、選做區分(如表2)。另外，除了傳統實驗箱實驗，還要增加基于MATLAB 的虛擬實驗內容，讓學生熟悉系統設計方法與步驟，充分體會到系統參數變化或校正的加入，系統性能是如何變化的。

表2 實驗項目設置表

（二）改革教學環節與方法

1.理論教學

（1）課堂講授。主要講解自動控制系統的基本概念，自動控制系統性能指標及各指標間的關系和表達。如何建立和簡化控制系統數學模型，能分析并研究組成系統的基本環節，各種數學模型之間的相互轉換。如何利用時域法、根軌跡法和頻域法分析系統性能。如何根據系統的具體指標和要求，選擇合適的校正裝置及參數，研究控制系統綜合設計問題。教師進行課堂講授，包含前次內容回顧、本次內容提要、核心知識詳解、重點難點分析、課堂內容小結、布置課后練習等環節。通過學習，使學生初步掌握復雜工程問題的分析和設計技能。課堂教學時盡量引入互動環節，結合課堂提問、案例教學等教學形式，使同學們能更好地融入課堂學習中，提高學生學習學效果，培養學生創新能力。

（2）采用多媒體課件和電子備課，教學過程中采用板書、PPT、視頻等，增強教學的直觀性，擴大課堂教學的信息量。

（3）建立班級QQ 群，加強和學生的聯系，課內提問和課外答疑相結合，每次課后及時答疑，及時發現知識盲點，解決難點問題。

（4）利用超星等學習平臺建立網絡課堂，上傳教學視頻、課件、習題庫等，讓學生課外時間根據自身學習情況進行課程學習，彌補課堂學習的不足。

2.隨堂測試

教學過程中安排一定數量隨堂測試、口頭問答教學活動。

隨堂測試能最快、最直接且最有效檢測學生課堂學習掌握情況，是在課堂教學中分割出一部分時間，根據剛講授完的內容馬上對學生進行測試。要對某部分內容進行隨堂測試，那么在該內容理論講解時向學生進行說明，使學生在內容學習時引起高度重視，到了隨堂測試時不至于手忙腳亂。隨堂測試題目選取與工程實際相結合的例子，時間一般設定為15 分鐘，學生將隨堂測試答案寫在作業本上，時間一到，收取作業本。通過這種形式的教學能激活教學課堂效果、提高學生對復雜工程問題的分析和設計能力。

3.自學

有些章節(如傳遞函數的實驗求取、常見電力工程系統分析)讓學生自學，以培養學生自主學習意識和自主學習能力。教師根據學生預期學習成果，對自學內容擬定相關思考題作業(8-12個)發到班級；待學生完成自學內容后組織班級報告會，學生攜帶完成的作業參會，并自由報告思考題答案；教師根據學生報告會表現和作業完成情況給出總結意見。

（三）制定有效的考核與評價體系

自動控制原理的課程目標分別是：能用廣義動力學的方法抽象實際問題，建立和簡化控制系統數學模型，能分析并研究組成系統的基本環節，獲得其特征值。能實現各種數學模型之間的相互轉換。能用經典控制理論的基本分析方法(含時域法，根軌跡法，頻域法)分析系統性能。能圍繞穩定性、準確性、快速性的指標分析系統，為后續課程學習打下必要的理論基礎。能根據系統的具體指標和要求，選擇合適的校正裝置及參數，研究控制系統綜合設計問題。初步訓練復雜工程問題的分析和設計技能。能根據系統的具體性能指標和要求，選擇合適的校正裝置及參數，對系統模塊進行設計。能對給定系統繪制方框圖和得到數學模型，分析系統工作過程和工作原理。能識別常見電力工程系統，分析系統工作原理、各環節功能及參數，建立和簡化系統數學模型。課程目標達成度和課程總達成度的計算可采用以下方法：

課程總達成度 = 各課程目標達成度的均值

二、結束語

為了適應新的人才培養需要，本文主要針對當前自動控制原理課程教學和實驗教學效果不理想的情況，改革教學內容、教學環節與方法、評價體系等，借助現有的信息化網絡工具，探索出適合自動控制原理課程教學方法和手段，切實提高教學質量，培養滿足社會經濟發展需求的新工科應用型人才。