李青青++楊揚(yáng)++王小鵬

【摘要】在電氣工程及其自動化專業(yè)中，《自動控制原理》是一門比較重要的主干課程，本文圍繞社會對應(yīng)用型人才知識、能力和素質(zhì)的要求，并結(jié)合自動控制原理課程的特點，打破了傳統(tǒng)的教師-黑板-學(xué)生的這種教學(xué)模式，遵循理論聯(lián)系實踐的原則，通過采用有效的教學(xué)方法，對于理論教學(xué)和實驗教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)合Matlab軟件來解決實際的理論問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和注意力，使學(xué)生對所學(xué)知識有進(jìn)一步的理解和掌握，從而實現(xiàn)既加強(qiáng)教學(xué)深度，提高教學(xué)質(zhì)量的目的，又能培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和實踐能力。

【關(guān)鍵詞】自動控制原理 多媒體教學(xué) 教學(xué)改革 Matlab軟件

【中圖分類號】TP13-4；G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）09-0026-02

在電氣工程及其自動化專業(yè)的諸多專業(yè)課程中，自動控制原理是一門基礎(chǔ)專業(yè)課程，對于測控技術(shù)、自動化專業(yè)、電子技術(shù)等一些相關(guān)專業(yè)而言，該課程也是一門重要的基礎(chǔ)課程。目前，對于現(xiàn)代工業(yè)自動化應(yīng)用的發(fā)展，自動控制理論也起著至關(guān)重要的作用。

因此，對于應(yīng)用型本科院校，我們要想培養(yǎng)出具有較強(qiáng)的專業(yè)知識、專業(yè)技能和實踐應(yīng)用能力的高級本科人才，對于自動控制原理這門課程，我們迫切需要對這門課程的教學(xué)方法，教學(xué)模式以及實驗實踐環(huán)節(jié)進(jìn)行必要的改革措施，使得學(xué)生所學(xué)的理論知識與實驗實踐相結(jié)合，這樣一方面可以加深學(xué)生對所學(xué)的知識點更好的理解和掌握，另外也可以掌握一定的專業(yè)技能，培養(yǎng)一定的動手能力，從而為社會培養(yǎng)出具有較高素質(zhì)和較強(qiáng)專業(yè)能力的應(yīng)用型高級本科人才。

一、自動控制原理課程教學(xué)體系現(xiàn)狀

《自動控制原理》是電氣類專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課程，而且與后續(xù)的其他專業(yè)課程有著至關(guān)重要的聯(lián)系。相對于其他課程而言，該課程教學(xué)內(nèi)容相對比較穩(wěn)定，介紹的主要內(nèi)容具體包括控制理論的一些基本概念和基本原理；反饋系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的理論和相對應(yīng)的一些分析方法；以及這些控制系統(tǒng)所涉及的綜合設(shè)計等。該課程的主要特點是具有一般方法論。 除此之外，“自動控制原理”課程理論性強(qiáng)，涉及內(nèi)容廣泛，與機(jī)械、數(shù)學(xué)、生物等很多學(xué)科都有交叉，而且內(nèi)容相對比較抽象，是一門具有一定深度和難度的課程。在教學(xué)效果上，學(xué)生只是機(jī)械地記住了若干公式定理，面對具體問題的時候，不知如何運(yùn)用相應(yīng)的知識去解決實際問題[1]。

對 “自動控制原理”課程教學(xué)體系和實驗實踐環(huán)節(jié)，我們進(jìn)行了一些調(diào)研，在現(xiàn)有的教學(xué)體系中我們發(fā)現(xiàn)存在以下幾個主要問題：

1.存在的傳統(tǒng)教學(xué)模式

目前，在自動控制原理這門課程中，我校所采用的教學(xué)模式仍然是理論教學(xué)和實驗教學(xué)的單一教學(xué)模式，這種教學(xué)模式導(dǎo)致我們課程中的理論教學(xué)部分和實驗教學(xué)部分完全分開，致使學(xué)生理解理論知識困難，而且在實驗過程中，又不能很好的把理論知識應(yīng)用進(jìn)去，從而使理論學(xué)習(xí)和專業(yè)技能的提高加大了難度，不能把實驗的作用充分的發(fā)揮。

2.實驗教學(xué)方式簡單

實踐教學(xué)環(huán)節(jié)基本上都是在實驗室中的控制理論的實驗箱，學(xué)生做實驗時以進(jìn)行單臺實驗為主，而且試驗中所使用的一些常用外圍器件基本上都是以模塊化的形式集成在實驗箱上，實驗箱上資源有限，所以學(xué)生在實驗中可擴(kuò)展的條件很差，學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力根本沒有機(jī)會施展[2]。

二、該課程對教學(xué)方法和手段的改革

1.結(jié)合多媒體采用啟發(fā)式教學(xué)方法

在自動控制原理課程的理論授課過程中，結(jié)合一些相關(guān)知識的專業(yè)實例，有效的采用啟發(fā)式教學(xué)方法，對教學(xué)重點和教學(xué)難點問題著重突出，引起學(xué)生足夠的重視，從而加深理解。比如，在自動控制理論的緒論部分，內(nèi)容枯燥，學(xué)生不易集中精力，對于這一部分，可以通過選用一些專業(yè)相關(guān)的典型示例，把所涉及到的開環(huán)控制、閉環(huán)控制以及反饋等基本理論概念引出，從而使學(xué)生能夠意識到該課程在實際生活中的重要性，引起他們對這門課的重視，另外也可以使學(xué)生理解自動控制理論在專業(yè)發(fā)展中的作用。除此之外，在課堂上，還可采用問答和課堂討論的方式，讓學(xué)生積極投入到課堂中，成為課堂的參與者或是主人，另外，在教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)換時可以提出問題或是質(zhì)疑，并留出適當(dāng)?shù)臅r間，讓學(xué)生通過思考和討論自己解決問題，然后在對新知識進(jìn)行講解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，并且能夠加強(qiáng)學(xué)生對該部分知識的理解，較深記憶，使得整體的教學(xué)質(zhì)量提高。

2.控制原理課程教學(xué)中采用思維導(dǎo)圖法

根據(jù)自動控制原理課程的內(nèi)容和特點，把思維導(dǎo)圖與自動控制原理的教學(xué)加以有機(jī)的結(jié)合，能明顯提高授課效率和學(xué)習(xí)質(zhì)量[3]。為實現(xiàn)常規(guī)語義網(wǎng)絡(luò)的圖表化表達(dá)，英國心理學(xué)家、教育家Tony Buzan在20世紀(jì)70年代初提出了思維導(dǎo)圖（Mind Mapping）概念[4]。思維導(dǎo)圖通過顏色、圖像、關(guān)鍵詞、曲線等要素構(gòu)成信息點框架，能有效激發(fā)大腦的創(chuàng)造力與記憶力潛能[4]。

（1）思維導(dǎo)圖法的作用

目前，在國外思維導(dǎo)圖法得到了十分廣泛的應(yīng)用，該方法在教學(xué)過程中使用，能起到很大的作用，其功能如下：一方面通過思維導(dǎo)圖法，可以使課程的知識體系做成框架，更加形象具體，在整個教學(xué)六中的設(shè)計中，也顯得更加系統(tǒng)，教學(xué)方法相比較而言顯得科學(xué)有效，便于學(xué)生整體掌握。另一方面使用思維導(dǎo)圖法，在課堂中可以提供師生互動的圖形化界面，從而提高學(xué)生的注意力和積極主動性，便于師生溝通，使得學(xué)生容易加入課堂，提高課堂效率。最后利用思維導(dǎo)圖法，教師可以根據(jù)學(xué)生的思維導(dǎo)圖作品，對每個學(xué)生所掌握的知識結(jié)構(gòu)有所了解，掌握每個學(xué)生對該課程的理解和認(rèn)識程度，從而可以根據(jù)每個學(xué)生的情況不同，來實現(xiàn)因材施教。

（2）思維導(dǎo)圖法的教學(xué)設(shè)計

在自動控制原理課程的教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)中采用思維導(dǎo)圖法，對各個章節(jié)所講授的主要內(nèi)容，設(shè)計思路以及提問的相關(guān)內(nèi)容等利用思維導(dǎo)圖，分別標(biāo)注出，然后再在所標(biāo)出的每一個子標(biāo)題下面，列舉出相關(guān)的一些關(guān)鍵字及教學(xué)素材，最后根據(jù)各個小知識點之間的邏輯關(guān)系，組織構(gòu)建出整體的知識系統(tǒng)，使得知識層次清楚，有條理，同時也提高了教師的備課效果。如圖1所示，自動控制原理緒論部分知識點的思維導(dǎo)圖教學(xué)設(shè)計。

圖1 第一章緒論導(dǎo)圖

利用思維導(dǎo)圖法的教學(xué)方式，可以加強(qiáng)學(xué)生對知識點的進(jìn)一步理解和整體把握，而且對于學(xué)生的一些獨特的見解，也可以增加到知識框架中，使得師生共同學(xué)習(xí)，拉近了師生的關(guān)系，也能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的動力和積極性。所以在教學(xué)過程中采用思維導(dǎo)圖法，可以使課堂知識傳授的效率的到明顯的提高和改善；另外這種教學(xué)方式使得課堂互動變得容易，對于課堂上師生的交流和溝通顯得自然，從提高課堂的氣氛和課堂效率，進(jìn)一步加深學(xué)生對知識點的理解和掌握。

3.采用Matlab軟件和多媒體教學(xué)相結(jié)合

由于自動控制原理課程中很多知識點涉及到大量的公式和繪圖，而且對于準(zhǔn)確度的要求也比較高，因此很多教師都是采用多媒體教學(xué)，采用多媒體教學(xué)方式存在這樣的不足，會到時學(xué)生只能聽，而沒有時間做筆記，從而使課堂上師生交流成為困難，學(xué)生不能及時的回應(yīng)老師。在這里我們選擇一方面采用傳統(tǒng)的板書的教學(xué)方式，可以給學(xué)生留有足夠的時間理解掌握，同時對于一些出現(xiàn)很多圖表和公式，有很多曲線的知識點，對這樣的教學(xué)內(nèi)容，采用現(xiàn)代的多媒體教學(xué)方法進(jìn)行講解，比如傳遞函數(shù)、根軌跡法、頻率特性等知識點。

（1）結(jié)合Matlab軟件的課堂教學(xué)

在自動控制原理課程教學(xué)過程中，我們可以充分利用 Matlab軟件來輔助教學(xué)，把自動控制原理課程中的部分教學(xué)內(nèi)容，比如一些曲線圖、控制系統(tǒng)等，可以利用Matlab軟件工具，非常迅速而準(zhǔn)確的獲得比較理想而且直觀的曲線圖，并且大大的提高了課堂教學(xué)效果。比如對于時域分析知識部分，通過利用Matlab軟件分析系統(tǒng)閉環(huán)極點的分布情況，進(jìn)而判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；通過Matlab軟件仿真系統(tǒng)中典型的信號響應(yīng)，使系統(tǒng)的動態(tài)特征顯得清晰易懂。

如圖2，利用simulink仿真線性系統(tǒng)的時域分析：

圖2 simulink仿真線性系統(tǒng)的時域分析

其仿真結(jié)果：

通過仿真結(jié)果分析：比較兩條仿真曲線，可以看出閉環(huán)零點對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響為：減小峰值時間，使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，超調(diào)量增大。這表明閉環(huán)零點會減小系統(tǒng)阻尼。

（2）結(jié)合Matlab軟件的實驗教學(xué)

自動控制原理課程的實驗教學(xué)不應(yīng)該是單純的驗證理論知識，而應(yīng)該讓學(xué)生成為實驗中的主體地位。實驗過程不僅是學(xué)生從實踐中掌握理論知識的過程，而且還要成為學(xué)生從理論到實踐的一個汲取知識和體驗創(chuàng)新的過程。實驗教學(xué)不再是單純的教師傳授知識、學(xué)生獲得知識的傳遞過程，實驗教學(xué)則應(yīng)該重點看學(xué)生實際動手的過程，在實驗中能否發(fā)現(xiàn)問題，以及如何解決實際問題的能力。

對于自動控制原理課程中的實驗教學(xué)，利用Matlab 軟件仿真完成相應(yīng)的實驗教學(xué)是該課程改革過程中一個比較重要的環(huán)節(jié)。一方面，該教學(xué)模式有利于學(xué)生對所學(xué)理論的理解與深化，能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題； 另一方面，該教學(xué)模式有利于鍛煉學(xué)生的實際動手能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和邏輯分析能力[5]。

如線性系統(tǒng)的根軌跡實驗

在自動控制原理課程中，開環(huán)系統(tǒng)的增益K取得的就是根軌跡這個參數(shù)。在本科教材中介紹的描繪根軌跡的方法都是采用手工繪制方法，但是手工繪制并不準(zhǔn)確，只能繪制根軌跡草圖。如果利用Matlab軟件中仿真工具，就可以非常方便的把根軌跡的圖繪制出來，而且還可以改變參數(shù)，通過觀察參數(shù)變化對特征根位置的影響。比如已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)■，利用Matlab繪制該系統(tǒng)的根軌跡。其根軌跡如圖3（a）所示。

若要繪制K在（1，10）的根軌跡圖，則此時利用Matlab的調(diào)用格式，對應(yīng)的根軌跡如圖3（b）所示。

a）完整根軌跡圖形 （b）特定增益范圍內(nèi)的根軌跡圖形

圖3 系統(tǒng)的根軌跡圖形

4.采取答疑質(zhì)疑相結(jié)合的輔導(dǎo)方式

在課程教學(xué)中，答疑和質(zhì)疑是教師輔導(dǎo)學(xué)生的兩種比較重要的形式。對于一般的本科學(xué)生，在自動控制原理課程的學(xué)習(xí)過程中，對該課程知識的掌握能力相對比較差，甚至是根本跟不上教師的進(jìn)度，而且不懂也不主動問。針對這樣的情況，我們可以采用答疑與質(zhì)疑相結(jié)合的方式對學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)，教師主動對知識點提出質(zhì)疑，給學(xué)生一定的壓力，這樣對學(xué)生的主動學(xué)習(xí)起到了督促作用。對于絕大多數(shù)學(xué)生所存在的共性問題，我們可以采取集體輔導(dǎo)的形式，進(jìn)行統(tǒng)一解答，或是展開專門討論，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，老師引導(dǎo)學(xué)生找到答案，解決問題。

三、結(jié)束語

本文只是作為自動控制原理這門課程在其教學(xué)改革道路上的一種嘗試和探索，我們通過改進(jìn)教學(xué)方法、拓展教學(xué)思路，并把Matlab軟件工具科學(xué)合理的利用在理論教學(xué)和實驗教學(xué)中，使得教學(xué)質(zhì)量明顯提高。使得學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時，加強(qiáng)了對相應(yīng)的專業(yè)技能和應(yīng)用動手能力，也使得學(xué)生學(xué)習(xí)的自主能力增強(qiáng)，加強(qiáng)了創(chuàng)新意識。促進(jìn)了該學(xué)科往應(yīng)用型人才培養(yǎng)方向的發(fā)展。但是該課程的教改創(chuàng)新過程，還需要下更多的功夫深入研究。

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