自動控制原理課程教學方法研究與探討

胡 濤

（上海大學機電工程與自動化學院，上海200072）

1 自動控制原理課程特點

1.1 重要的學科核心基礎理論課程

自動控制原理是一門自動化領域的重要基礎理論課程。其涵蓋的自動控制技術極其廣泛地應用于各行各業，極大地提高了人們的生活水準。該課程通過運用數學理論的歸納闡述，獨立成為控制領域的理論課程。該課隸屬于學科核心理論課程，它有利于學生對自動化類專業知識體系的全面了解與掌握，有利于學生后續專業基礎課程的學習。它不僅能夠為學生日后工作中解決自控性問題，指引專業性的思維方向，而且能夠為學生畢業后再深造提供基礎性理論保障。

1.2 教學內容知識點較多

自動控制原理中較大篇幅的內容屬于控制理論中的經典理論，其主要內容包含了控制系統的數學模型、線性系統的分析方法、線性系統的校正以及非線性系統的分析。而線性系統的分析方法中又細分為線性系統的時域分析法、根軌跡法、頻域分析法；線性系統的校正中包含了線性系統的分析與校正與線性離散系統的分析與校正。上述都是自動控制原理課程中重要的教學內容，因此，自動控制原理涉及的知識點較多，使課時顯得相對較緊。

1.3 課程的理論性較強

該課程教學的主要內容是基于數學模型及數學公式的推導，計算量較大且計算技巧要求較高，并且需要運用不同的數學工具與手段。因此，其教學內容及教學過程顯得乏味無趣，難以引發學生的學習熱情，需要通過教學改革來提升學生的學習效果。

2 教學中出現的主要問題

2.1 學習內容繁雜

自動控制原理課程的學習內容涉及廣泛，知識點多且抽象，大多脫離了學生生活中的常識與經驗認知。由于內容較多，造成該課程教學學時相對較緊，學生課后復習面也較廣并難以消化，從而導致該課程的平均考核成績相對不高。

2.2 理論較深并難以理解掌握

教學內容數學推導、數學工具及定理較多，仿佛與實踐中的具體事物聯系不大。這些都造成了學生在學習過程中感覺枯燥無味、晦澀難懂，感覺理論較深并難以理解掌握，從而產生畏學的心理。

2.3 課堂學生參與度不高

由于課堂教學以理論傳授與數學推導為主，導致學生的學習興趣不大，并且在課堂上能夠參與討論的程度不高。如何引導學生思考與課堂學習互動，值得深入探討。

3 自動控制原理對學生能力的綜合培養

自動控制原理課程重點培養學生對控制系統的綜合分析與設計能力、理論研究水平、獨辟蹊徑的創新能力以及理論聯系實際的綜合實踐能力，為解決自動化領域復雜性工程問題提供理論與實踐參考，能夠幫助學生了解與掌握自動化類的專業方向，提高其專業的理論水平和實踐能力。

具體應使學生熟練掌握復變函數的基本運用、掌握自動控制原理的基本概念與定理，掌握經典控制理論的主要內容，并能夠運用其基本理論對具體系統對象進行分析與設計，并能夠改進及校正系統的結構參數，滿足實踐中的特需要求。使學生具有定量計算、數據處理、定性分析、歸納總結、靈活應用等能力，使學生具備在一系列數據分析處理中能夠正確評估、分析與總結，得出相應科學結論的能力。

4 教學方法的改進與探討

本文結合自動控制原理的實際教學經驗，并結合該課程的特點，總結出7個在教學過程中值得關注的要點。

4.1 教材的選擇

擁有一本優秀的教材，往往是通向成功學習的捷徑。教材若能夠深入淺出地闡述原理與舉出實例，常常能夠讓學生易于理解及掌握要點與難點，并能夠舉一反三和靈活運用。選用了自動化行業內口碑甚好的胡壽松版《自動控制原理》，該教材能夠涵蓋本學科的基本知識，其知識與概念闡述清晰易懂，能夠培養學生的自學能力與獨立思考的能力。

4.2 教學內容與教案的合理制定

依照教材對實際的教案進行了編寫與改進，并根據我校的實際學時進行了增補與取舍，教學內容包含了控制系統的數學模型、線性系統的分析方法、線性系統的校正以及非線性系統的分析等《自動控制原理》中經典部分的主要內容。

在教案的編排中增加了例題講解與案例分析，當堂講解理論知識在實例中的應用，使理論學習不再虛無縹緲和晦澀難懂，從而提高學生的學習熱情。

4.3 劃分教學目標模塊

將教學內容進行分類與規劃，可以清晰教學思路，進一步總結教學的重點與難點，讓任課教師能夠思路清晰，知道“教什么”與“培養什么”之間的關系，以及讓學生知道要“學什么”與“鍛煉什么能力”之間的內涵。

本課程根據本科教育工程認證的相關理念，劃分出“工程知識”“問題分析”“設計開發方案”“研究”等能力培養模塊。具體分別體現為“了解與掌握自動控制原理的基本知識點與概念，能夠建立線性連續定常控制系統的數學模型，能夠用復數方法、時域法與頻域法計算線性控制系統的基本特性與參數”“能夠熟練掌握經典控制理論的分析方法，運用時域法、頻域法與根軌跡法對實際的線性連續控制系統進行建模與深入分析，并對原系統的性能進行改進與校正”“根據實際控制對象，并結合具體的特定要求，能夠運用時域法、頻域法與根軌跡法對現場所需的控制系統進行設計與開發”“能夠應用已有的自動控制經典理論對未知模型及參數的系統進行理論分析與研究”。

4.4 總結教學內容的重點與難點

明確教學內容的重點與難點可以輔助任課教師“怎樣教”，以及輔導學生“如何學”，即明確攻堅方向。根據教學大綱，以下節選了《自動控制原理》中的重要章節，對其教學內容的重點與難點進行了總結與概括。

在“線性系統的根軌跡法”中，教學內容的重點為系統零點、極點、主導極點的概念；根軌跡法的基本要點；典型系統根軌跡的繪制。難點是系統根軌跡的繪制；根據系統根軌跡的走勢分析系統的穩定性及相關參數。

在“線性系統的頻域法”中，教學內容的重點為頻域法的基本要點；波特圖與奈奎斯特圖的繪制；奈奎斯特穩定性判據與應用；超調量、調節時間等參數與系統的開環及閉環頻率特性相關參數之間的關系。難點是通過開環頻率特性分析系統的動態及靜態特性；通過頻率特性分析系統的穩態特性及相關參數。

4.5 合理增加數學定理與工具的講解

在自動控制原理課程的教學過程中，對常用的數學定理與工具——例如，傅立葉變換、拉普拉斯變換以及Z變換等進行詳細講解，使學生運用相關數學工具的能力得以提高，消除其畏學、怕學的情緒，從而提高學生學習的自信心。

4.6 增強學生的課堂互動

在自動控制原理教學過程中，合理提出問題與假設，課堂上讓學生獨立思考，提高其學習關注度，增強其學習主動性。結合具體的實際例題與案例，講解某些條件下的解題過程及應用，再給出其他條件，引導學生獨立思考和融會貫通，并由此培養其學習興趣，從而達到良性循環的學習效果。

4.7 考核方式的改進

除了卷面考試、作業之外，還將課堂互動、學習報告也納入課程期終的考核范圍。在本課程考核中，除了期末考試的卷面成績之外，平時成績占據百分之三十，其中包含了作業、課堂互動、學習報告、調查報告或PPT等，極大地豐富了學生的學習方法與學習手段，大大增強了學生學習的主觀能動性。

5 結語

在教學過程中經過上述教學摸索與方法總結，能夠提高學生的學習熱情與興趣，使其由“要我學”轉變為“我要學”，提高了其學習上的主觀能動性，從而使學生的學習效果得到有效地提高。