自動(dòng)控制原理課程教學(xué)模式探究

張偉?趙炯

摘要：《自動(dòng)控制原理》課程是自動(dòng)化專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。為適應(yīng)學(xué)術(shù)型和應(yīng)用技術(shù)型兩類學(xué)生的需要，提出在課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)方面進(jìn)行改革的具體措施。通過(guò)這些改革，使教與學(xué)更有針對(duì)性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性、培養(yǎng)學(xué)生所需的能力，為后續(xù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理;教學(xué)改革

“自動(dòng)控制原理”是自動(dòng)化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個(gè)專業(yè)知識(shí)體系中有承上啟下的作用，占據(jù)非常重要的地位，為后續(xù)“現(xiàn)代控制理論”、“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”等專業(yè)課程提供理論基礎(chǔ)和分析設(shè)計(jì)方法。也是眾多高校碩士研究生入學(xué)考試的課程之一。該課程涉及到控制系統(tǒng)的模型建立、系統(tǒng)分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論和相關(guān)技術(shù)，理論性強(qiáng)但又源于工程技術(shù)。因此，學(xué)生未來(lái)不論是選擇繼續(xù)深造成為學(xué)術(shù)型人才，還是從事專業(yè)技術(shù)工作成為應(yīng)用型人才，都需要強(qiáng)有力的控制理論的基礎(chǔ)?！白詣?dòng)控制原理”課程在眾多高校都有有效的改革措施，但是改革方法不能復(fù)制，應(yīng)借鑒其他高校的改革方案探求適合我校硬件條件、適合我校學(xué)生現(xiàn)狀的途徑。

一、教與學(xué)的現(xiàn)狀

自動(dòng)控制原理課程的內(nèi)容具有概念抽象、數(shù)學(xué)含量大、計(jì)算繁雜的特點(diǎn)，既難教，也難學(xué)。傳統(tǒng)的課堂主要以教師為主體，以教授方式為主組織教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生被動(dòng)地接受課堂的教學(xué)知識(shí)。教學(xué)模式和教學(xué)方法單一，教師缺乏教的創(chuàng)造性，學(xué)生缺乏學(xué)的主動(dòng)性。因此，在學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生感到難學(xué)、乏味，從而產(chǎn)生厭學(xué)的情緒，造成學(xué)習(xí)主動(dòng)性差，嚴(yán)重影響該課程的教學(xué)質(zhì)量。由于獨(dú)立學(xué)院學(xué)生有數(shù)學(xué)功底差，缺乏思考能力等一些客觀存在的問(wèn)題，“鼓勵(lì)學(xué)生參與教師項(xiàng)目”、“參加科技競(jìng)賽”等一些改革措施并不適合獨(dú)立學(xué)院學(xué)生廣泛使用，因此提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性、加強(qiáng)內(nèi)容的理解和促進(jìn)內(nèi)容的掌握、促進(jìn)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力、提高課程的教學(xué)質(zhì)量十分必要。在原有的課程中，可以引入新的教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)設(shè)新的實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和習(xí)題的基本訓(xùn)練進(jìn)行能力培養(yǎng)，使學(xué)生自己學(xué)會(huì)找出本專業(yè)的實(shí)踐結(jié)合點(diǎn)，培養(yǎng)一種對(duì)知識(shí)應(yīng)用和創(chuàng)造能力。

二、課堂教學(xué)改革方案

（一）化抽象為實(shí)例，提高學(xué)習(xí)興趣

自動(dòng)控制原理課程理論知識(shí)的邏輯性很強(qiáng)，帶有方法論的特點(diǎn)，同時(shí)又和工程實(shí)踐密切相關(guān)。所以引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的方法之一就是引入工程實(shí)踐中的實(shí)例，使學(xué)生充分理解這些抽象的專業(yè)術(shù)語(yǔ)。例如，在講建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，可以以電路系統(tǒng)、力學(xué)系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)為例，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)理分析，建立它們的各種數(shù)學(xué)模型，并分析數(shù)學(xué)模型間的轉(zhuǎn)換的方法和意義。在介紹自動(dòng)控制系統(tǒng)控制原理時(shí)，可以以一個(gè)水箱水位控制系統(tǒng)為工程實(shí)例，通過(guò)對(duì)比手動(dòng)控制，仿照手動(dòng)控制策略，引導(dǎo)學(xué)生將手動(dòng)改為自動(dòng)控制，理解自動(dòng)控制的過(guò)程、特點(diǎn)，從而掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制原理，能夠舉一反三描述空調(diào)系統(tǒng)、船舵系統(tǒng)的控制原理。這些生動(dòng)的工程實(shí)例大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并使他們深刻理解了“學(xué)以致用”的意義。

引用工程實(shí)例的同時(shí)，還應(yīng)注重自動(dòng)化領(lǐng)域的一些前沿技術(shù)，并通過(guò)介紹、視頻等方式傳遞給學(xué)生，鼓舞學(xué)生努力學(xué)習(xí)，成就未來(lái)。另外也要注重本課程與其他課程的聯(lián)系。例如在講系統(tǒng)建模的時(shí)候，可以聯(lián)系前面學(xué)過(guò)的課程“物理”、“電路”、“模擬電子技術(shù)”等;講述控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，組成控制系統(tǒng)的七個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)可以聯(lián)系“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“傳感器技術(shù)”等。讓學(xué)生知道各門課程在課程體系中的地位和作用，增加學(xué)習(xí)的積極性，端正學(xué)習(xí)態(tài)度，更好的參與未來(lái)學(xué)習(xí)。

（二）根據(jù)“雙型”需求調(diào)整課程內(nèi)容

自動(dòng)控制原理課程內(nèi)容豐富，在教學(xué)過(guò)程中，老師的角色是引導(dǎo)和幫助，而非灌輸，老師授課是通過(guò)簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)知識(shí)讓同學(xué)們理解問(wèn)題，同學(xué)們需要自己根據(jù)基礎(chǔ)知識(shí)去思考實(shí)際生活中的復(fù)雜問(wèn)題，起決定性作用的還是學(xué)生自己。

對(duì)于應(yīng)用型學(xué)生來(lái)說(shuō)教學(xué)實(shí)施輕計(jì)算、重實(shí)踐。自動(dòng)控制原理課程理論性強(qiáng)，涉及大量用到Laplace變換、復(fù)變函數(shù)、以及電路、電機(jī)等方面的知識(shí)，而獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生對(duì)這些內(nèi)容掌握得不夠扎實(shí)，所以在教學(xué)過(guò)程中不再注重公式的推導(dǎo)、復(fù)雜的計(jì)算、而轉(zhuǎn)化為與實(shí)際相關(guān)的實(shí)例分析，注重提高學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦能力。

對(duì)于學(xué)術(shù)型學(xué)生該課程是參加考研的專業(yè)課，適當(dāng)引入一些歷年考研真題。目前大學(xué)本科畢業(yè)生的就業(yè)形式不容樂(lè)觀，考研能夠暫緩就業(yè)壓力、擴(kuò)大就業(yè)門路和增加就業(yè)砝碼。通過(guò)講解歷年考研真題，首先對(duì)于想考研的學(xué)生來(lái)說(shuō)，提前復(fù)習(xí)了考研課程，能很好的理解教材中的理論知識(shí)點(diǎn)在考研試題中怎么應(yīng)用。其次，歷年的考研真題都與工程實(shí)際緊密相連，通過(guò)對(duì)考研真題的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠更好的理解理論知識(shí)，并且能提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

對(duì)于兩類學(xué)生共同學(xué)習(xí)，要充分利用課上課下時(shí)間，讓每個(gè)學(xué)生按需所取。在布置作業(yè)或項(xiàng)目的時(shí)候可以有針對(duì)性的進(jìn)行分組。例如設(shè)計(jì)電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，學(xué)術(shù)性學(xué)生重點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、理論分析。應(yīng)用型學(xué)生結(jié)合模電、數(shù)電等課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)電路，最終驗(yàn)證控制效果。

（三）教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)手段相結(jié)合

在自動(dòng)控制原理的授課過(guò)程中多媒體課件的應(yīng)用基本取代了傳統(tǒng)的教學(xué)方式。但根據(jù)課程內(nèi)容的需要，最好有選擇地使用傳統(tǒng)教學(xué)方式與多媒體教學(xué)方式、MATALAB實(shí)驗(yàn)教學(xué)等現(xiàn)代化教學(xué)方式、手段高效結(jié)合，真正達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

多媒體教學(xué)負(fù)責(zé)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)展示，還可利用生動(dòng)的圖片、flash動(dòng)畫(huà)和視頻資料的形式增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。例如，演示水位控制系統(tǒng)的控制過(guò)程，讓學(xué)生對(duì)控制產(chǎn)生直觀形象的認(rèn)識(shí)，不僅增強(qiáng)了教學(xué)效果，還激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

板書(shū)教學(xué)負(fù)責(zé)課程重點(diǎn)內(nèi)容的具體分析?？刂评碚摰恼n程內(nèi)容多，有復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和繪圖。用黑板演示具體題目的繪制過(guò)程，將具體題目和硬性規(guī)則有效結(jié)合起來(lái)，慢講、精講交叉互補(bǔ)，使學(xué)生在理論方法和具體分析雙軌并行中更好地掌握課程難點(diǎn)和重點(diǎn)，獲得最好的學(xué)習(xí)效果。

MATLAB教學(xué)負(fù)責(zé)課程中圖形的繪制演示以及仿真方面。在自動(dòng)控制原理中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法中根軌跡法和頻域法都是基于圖形的一種分析方法，在理論初步建立之后，課堂的繪圖或者仿真環(huán)節(jié)，可以引入MATLAN軟件完成圖形的演示和分析。例如高階系統(tǒng)的定性分析，通過(guò)多種系統(tǒng)的階躍響應(yīng)歸納總結(jié)，并通過(guò)MATLAB添加零極點(diǎn)觀察對(duì)系統(tǒng)的影響，取得事半功倍的教學(xué)效果。

三、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是對(duì)理論知識(shí)的驗(yàn)證，更是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、基本科研能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)課程與工程聯(lián)系緊密的特點(diǎn)，適當(dāng)增加設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以通過(guò)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，從成功和失敗中獲得經(jīng)驗(yàn)和訓(xùn)練。綜合性實(shí)驗(yàn)是指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及本課程的綜合知識(shí)或與本課程相關(guān)的課程知識(shí)，比如電機(jī)、電力電子技術(shù)。綜合性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生獨(dú)立思考或者以小組合作形式完成，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生歸納整理的能力及綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的方法，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新能力得到全面鍛煉，科學(xué)的工作態(tài)度和創(chuàng)新精神得以培養(yǎng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生勇于探索、勇于創(chuàng)新的積極性，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。綜合性實(shí)驗(yàn)可利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，或充分利用MATLAB或其他軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

教學(xué)改革是教學(xué)工作永恒的主題，沒(méi)有最好的教學(xué)方式，只有最合適的教學(xué)方式。只有緊跟學(xué)科發(fā)展前沿，用心教學(xué)，在教學(xué)過(guò)程中因地制宜，不斷調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，才能真正提高教學(xué)質(zhì)量。

作者簡(jiǎn)介：

張偉（1984.8—），女，漢族，河北唐山人，研究生，講師，從事控制理論與控制工程研究。

趙炯（1986.8—），男，漢族，河北衡水人，研究生，講師，從事核能科學(xué)與工程研究。

課題項(xiàng)目：華北理工大學(xué)輕工學(xué)院教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“電氣專業(yè)‘雙型’人才培養(yǎng)自控課教學(xué)模式探究”研究成果（編號(hào)：qgjg201819）