精品課程“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)改革與實(shí)踐

摘要：從“自動(dòng)控制原理”的課程定位入手，結(jié)合本課程特點(diǎn)及地方院校電氣信息類專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，在課程內(nèi)容的優(yōu)化、工程素養(yǎng)的培育、教學(xué)手段的改進(jìn)等方面進(jìn)行了一系列教學(xué)改革，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)應(yīng)用型人才作了積極的探索和有益的實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：精品課題 自動(dòng)控制原理人才培養(yǎng)教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G423.07 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-623X(2008)02-0031-02

“自動(dòng)控制原理”是控制論與工程技術(shù)相結(jié)合的一門課程，它研究自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中具有一般性的規(guī)律。它的研究思路和方法，以及所得到的結(jié)果，對(duì)電氣信息類專業(yè)的學(xué)生為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和解決工程實(shí)際問題有著深遠(yuǎn)的影響。因此，它是自動(dòng)化專業(yè)及其電氣信息類其它專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程。

地方院校承擔(dān)著絕大部分的本科生培養(yǎng)任務(wù)，這些本科生都將是各地方經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展一線上的生力軍。廣東工業(yè)大學(xué)作為廣東省屬重點(diǎn)建設(shè)的大學(xué)，也不例外。我校生源主要來自廣東省，絕大部分的畢業(yè)生在廣東省特別是珠三角地區(qū)就業(yè)，其中電氣信息類專業(yè)的畢業(yè)生相對(duì)集中在廣東省裝備與系統(tǒng)集成、石化、家電、汽車、信息、智能建筑等行業(yè)工作。這些行業(yè)急需大量基礎(chǔ)理論知識(shí)扎實(shí)、強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力、敢于創(chuàng)新、腳踏實(shí)地的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。因此，根據(jù)地方院校人才培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生生源的實(shí)際情況，在課程內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)、教學(xué)方法等方面進(jìn)行改革與實(shí)踐十分必要，這將會(huì)不斷地促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

一、課程的特點(diǎn)與教學(xué)改革的思路

“自動(dòng)控制原理”課程內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)、物理、電子、電機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，涉及各類實(shí)際工程系統(tǒng)的控制問題。為了研究多學(xué)科不同控制系統(tǒng)的一般性規(guī)律，就要求學(xué)生具有一定的抽象思維和邏輯組織能力，需要學(xué)生有較好的數(shù)理素養(yǎng)。因此，這門課程具有很強(qiáng)的基礎(chǔ)理論的特點(diǎn)。

另一方面，在其包含的教學(xué)內(nèi)容中，大部分分析設(shè)計(jì)均來源于工程實(shí)際。由于我校教學(xué)研交型發(fā)展目標(biāo)的辦學(xué)定位，以及應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，也要求學(xué)生能將理論與實(shí)際相結(jié)合，具有較強(qiáng)的綜合運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí)處理工程問題的能力。因此，我校開設(shè)的這門課程又具有很強(qiáng)實(shí)踐性特點(diǎn)。

“自動(dòng)控制原理”課程的教學(xué)，過去很長一段時(shí)間都比較強(qiáng)調(diào)它的基礎(chǔ)理論性。因此使很多學(xué)生都認(rèn)為該課程是一門“應(yīng)用數(shù)學(xué)課程”，從而產(chǎn)生對(duì)理論推導(dǎo)的畏難和對(duì)未來這些理論是否可用產(chǎn)生擔(dān)心。在教學(xué)過程中如果過分強(qiáng)調(diào)其實(shí)踐性，任課教師也擔(dān)心其基本原理、普適性的分析方法的掌握會(huì)減弱，影響學(xué)生對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)與熱情，從而對(duì)未來獨(dú)立創(chuàng)新和解決問題的能力產(chǎn)生影響。

一門課程的教學(xué)改革是其基礎(chǔ)理論與實(shí)踐教學(xué)不斷優(yōu)化及其建構(gòu)的過程，目的是不斷優(yōu)化與提高。因此教師與學(xué)生、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)手段及其方法，是課程改革中的核心要素。如何根據(jù)課程的特點(diǎn)、學(xué)生的情況和培養(yǎng)的目標(biāo)進(jìn)行施教，是教學(xué)改革重點(diǎn)關(guān)注之首要。為此，我們提出該課程教改的思路是：“優(yōu)化理論基礎(chǔ)、注重工程思維、培育創(chuàng)新精神、強(qiáng)化實(shí)踐能力”。經(jīng)過這樣的教學(xué)改革，期望達(dá)到這樣的目標(biāo)：

“精”與“活”即不僅有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，精通原理，還能靈活運(yùn)用原理，強(qiáng)調(diào)掌握理論知識(shí)的“精”與“活”；

“準(zhǔn)”與“拓”即能抓住工程中出現(xiàn)的問題，準(zhǔn)確找出問題與原理的關(guān)系，提出研發(fā)改進(jìn)的方案，強(qiáng)調(diào)解決工程實(shí)際問題的“準(zhǔn)”與“拓”；

“用”與“新”即能對(duì)當(dāng)前代表性的新的設(shè)計(jì)理念、設(shè)備、裝置有直面的了解，強(qiáng)調(diào)在“用”的層面上一步進(jìn)入到“新”，即國際自動(dòng)化領(lǐng)域的先進(jìn)平臺(tái)之上。

二、教學(xué)改革的基本實(shí)踐

(一)優(yōu)化理論基礎(chǔ)、注重工程思維

“自動(dòng)控制原理”涉及的內(nèi)容很豐富，隨著時(shí)間的推移有些內(nèi)容變得陳舊，但又有許多新的控制思想產(chǎn)生出來，因此對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化是必要的。對(duì)目前工程實(shí)踐中較少使用的內(nèi)容，如復(fù)雜多環(huán)路方框圖的化簡與梅森公式等進(jìn)行弱化；而對(duì)目前仍普遍在使用的控制方案PID以及先進(jìn)的輔助分析工具M(jìn)ATLAB等內(nèi)容應(yīng)予以加強(qiáng)。

在教學(xué)內(nèi)容確定后，如何讓學(xué)生了解本學(xué)科的研究對(duì)象和方法特征，凝煉出教學(xué)內(nèi)容的主線，是學(xué)生掌握基本理論并能融會(huì)貫通和創(chuàng)新地應(yīng)用的關(guān)鍵所在?？刂茖W(xué)科之所以有別于與其它學(xué)科，除了研究對(duì)象不同外，它關(guān)注的問題和研究的方法是有其特點(diǎn)的。“反饋”是自動(dòng)控制的本質(zhì)所在，其它學(xué)科研究問題注重“因-果”，反映的是靜態(tài)的關(guān)系；而自動(dòng)控制的“反饋”是“因-果-因”的形式，它一定是動(dòng)態(tài)的過程，穩(wěn)定性一定是它關(guān)注始終的問題?！皠?dòng)態(tài)”與“穩(wěn)定”依賴于系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。因此，它們之間的關(guān)系如何，怎樣簡便確定它們的關(guān)系，如何根據(jù)分析出來的關(guān)系去綜合成一個(gè)系統(tǒng)，即“建模、分析、綜合”就是這門課程的主線。始終圍繞主線展開教學(xué)工作，就能為學(xué)生給出一個(gè)清晰的思路，有利于學(xué)生自主創(chuàng)新地學(xué)習(xí)。

應(yīng)用型人才重要的是具備良好的工程素養(yǎng)。因此在原理的講授中注意培養(yǎng)學(xué)生的工程思維習(xí)慣，不僅可以使學(xué)生更具體地理解理論知識(shí)，而且可以增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐的意識(shí)?！白詣?dòng)控制原理”是一門需要有較好的數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)又要有較強(qiáng)工程背景的“理”、“工”合二為一的課程。從研究方法上看，它采用數(shù)學(xué)模型描述客觀系統(tǒng)，通過研究數(shù)學(xué)模型的方方面面來研究客觀系統(tǒng)，這是研究方法的一個(gè)大突破。但是。在以往的教學(xué)中，過于強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)描述與推導(dǎo)，忽視了數(shù)學(xué)推導(dǎo)及結(jié)果與工程的關(guān)系，忽視了理論分析與采用常規(guī)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析的貫通，忽視了解決工程實(shí)際問題的本質(zhì)需求，這就使學(xué)生對(duì)原理的掌握僅僅處在一種“數(shù)學(xué)層面”上的理解。為此，我們對(duì)每一個(gè)抽象出來的以數(shù)學(xué)描述的問題，則先講清楚工程的背景與需求；對(duì)于數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程不追求全面的內(nèi)容，則注重推導(dǎo)的思路，注意培養(yǎng)學(xué)生的工程思維習(xí)慣。例如，通過典型的特征指標(biāo)來刻畫系統(tǒng)性能，不追求無一掛漏的所謂全面的描述；注重趨勢(shì)變化的性能判斷，來培養(yǎng)分析判斷問題的能力；強(qiáng)調(diào)符合工程實(shí)際的參數(shù)選值與合理估計(jì)，去逐步建立工程的經(jīng)驗(yàn)等。

此外，頻域分析法是“自動(dòng)控制原理”的一個(gè)主要分析方法，是學(xué)生學(xué)習(xí)一個(gè)難點(diǎn)。頻域分析是一種間接分析，在該問題的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生常常帶著已有時(shí)域分析為何還要頻域分析的疑問。這就需要我們讓學(xué)生明白：頻域分析法是利用穩(wěn)態(tài)信息研究瞬態(tài)過程的方法，與利用瞬態(tài)信息研究瞬態(tài)過程的時(shí)域分析法相比，是研究方法的一個(gè)升華；更有意義的是穩(wěn)態(tài)信息的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)要比瞬態(tài)時(shí)域響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)要容易得多，因此，頻域分析有它獨(dú)到的地方，更有利于采用實(shí)驗(yàn)手段來分析解決工程的實(shí)際問題。從理論上回答學(xué)生的疑問，這不僅是一個(gè)優(yōu)化和關(guān)注基本理論的學(xué)習(xí)過程，更重要的是頻域分析法更能培養(yǎng)學(xué)生的工程思維方法。

(二)培育創(chuàng)新精神、強(qiáng)化實(shí)踐能力

既有創(chuàng)新精神又有較強(qiáng)的實(shí)踐能力是工程應(yīng)用型人才必備的素質(zhì)。具有創(chuàng)新精神就要求學(xué)生具有良好的思考習(xí)慣，善于去發(fā)現(xiàn)問題。這就需要在課堂教學(xué)中啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，在實(shí)踐的訓(xùn)練中注重學(xué)生創(chuàng)新興趣的培養(yǎng)。

為了達(dá)到上述的目標(biāo)，在教學(xué)實(shí)踐中，我們對(duì)于基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生加深對(duì)反饋調(diào)節(jié)、瞬態(tài)過程特征、穩(wěn)定性等自動(dòng)控制的核心理論知識(shí)的理解；強(qiáng)調(diào)“掌握基本概念和仿真研究相結(jié)合”的學(xué)習(xí)方法。為此，我們開發(fā)了基于MAT．LAB的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，使學(xué)生可以做到隨時(shí)隨地、每人都可以有不同類型的問題進(jìn)行較深入的研究。同時(shí)，訓(xùn)練學(xué)生熟練掌握常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器的性能與使用方法，并具有能用其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的能力，這是“強(qiáng)化實(shí)踐能力”的一個(gè)重要基礎(chǔ)。此外，將“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”這個(gè)教學(xué)部分與難度較大的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，采取“重點(diǎn)講設(shè)計(jì)思想，自學(xué)設(shè)計(jì)方法”的教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、分析討論選擇方案、將方案付諸實(shí)施、分析結(jié)果數(shù)據(jù)的能力。通過這些訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的熱情。

同時(shí)，采用多種形式讓學(xué)生提高動(dòng)手能力、拓寬神野。一是在實(shí)驗(yàn)室的管理上實(shí)行全面開放模式，以使其成為“學(xué)生學(xué)習(xí)的樂園”。二是利用廣東省引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備相對(duì)先進(jìn)的優(yōu)勢(shì)，增加工程實(shí)際調(diào)查環(huán)節(jié)，使學(xué)生了解當(dāng)前企業(yè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的需求及進(jìn)展，以及國際自動(dòng)化領(lǐng)域的最新發(fā)展及先進(jìn)平臺(tái)。三是鼓勵(lì)學(xué)生投入到教師的實(shí)際科研活動(dòng)中，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力。

(三)豐富教學(xué)手段。注意提高學(xué)生分析解決問題的能力

培養(yǎng)和提高學(xué)生分析解決問題的能力是現(xiàn)代大學(xué)教育的重要理念和思想，教師在教學(xué)過程中應(yīng)充分注意采用靈活 32多樣的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情和興趣，要鼓勵(lì)學(xué)生大膽提出問題，并引導(dǎo)他們?nèi)ニ伎肌⑷ヌ剿?、去發(fā)現(xiàn)。為此本課程采用了各種教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，主要有：

第一，教師在理論課的講授過程中，力求做到深入淺出地講解，引導(dǎo)學(xué)生逐步理解課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，讓學(xué)生掌握基本概念、基本理論和基本技術(shù)。為達(dá)到此目的，我們?cè)诮虒W(xué)中使用了討論式教學(xué)、推演式教學(xué)、理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方法，收到了較好的效果；

第二，有選擇性地布置一些綜合性的思考題和練習(xí)題，學(xué)生在完成的過程中，必須通過認(rèn)真閱讀教材和參考書，才能掌握課程的基本內(nèi)容以及重點(diǎn)和難點(diǎn)。在教學(xué)過程中，結(jié)合主講教師的科研項(xiàng)目，給出一些合適的工程實(shí)例，使學(xué)生更多地了解工程實(shí)際，擴(kuò)大視野；同時(shí)加強(qiáng)試驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

第三，注重現(xiàn)代教育技術(shù)手段的應(yīng)用，合理地運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)等手段，可以提高教學(xué)效率、加速學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。這些技術(shù)手段包括使用多媒體教學(xué)、利用網(wǎng)絡(luò)資源、使用仿真平臺(tái)等。

三、課程改革與實(shí)踐的效果

這些年來，我們一直貫徹“優(yōu)化理論基礎(chǔ)、注重工程思維、培育創(chuàng)新精神、強(qiáng)化實(shí)踐能力”的教改思路，取得了較好的成效。具體體現(xiàn)在以下幾方面：

第一，根據(jù)生源狀況因材施教。我們采用各種各樣的教學(xué)方法，如在課堂教學(xué)中采用的討論式教學(xué)、推演性教學(xué)、理論聯(lián)系實(shí)際等教學(xué)方法，使學(xué)生能夠更加扎實(shí)牢固地掌握課程的基本理論，提高了解決問題的能力。近些年來，我院各專業(yè)報(bào)考更高層次外校的學(xué)生逐年增多，如06、07、08屆自動(dòng)化專業(yè)有多名學(xué)生成為華南理工大學(xué)、北京科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等校的碩士研究生。

第二，我們采用的授課內(nèi)容和方式、以及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能較好地配合理論教學(xué)，使學(xué)生更好地掌握了理論知識(shí)，又打下了堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)。如利用位液、溫度、MATLAB仿真軟件及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以自主地對(duì)不同結(jié)構(gòu)、不同條件的問題和系統(tǒng)進(jìn)行較為深入的研究，使所學(xué)課程的內(nèi)容得到了擴(kuò)展。至今，已有多屆學(xué)生利用現(xiàn)有設(shè)備完成了課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，每年自動(dòng)化專業(yè)約有10％的學(xué)生榮獲我校優(yōu)秀畢業(yè)論文，3％的學(xué)生榮獲我校創(chuàng)新畢業(yè)論文，這說明學(xué)生的創(chuàng)新能力普遍提高。

第三，通過鼓勵(lì)承擔(dān)授課任務(wù)的教師把所從事的正在研究和實(shí)施的科研項(xiàng)目提煉成綜合型、設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，或供學(xué)生在課外科技活動(dòng)時(shí)選用，使學(xué)生較真實(shí)地接觸當(dāng)前的工程實(shí)際，提高了實(shí)踐和創(chuàng)新的能力。我院學(xué)生積極參與多項(xiàng)國家級(jí)、省市級(jí)科技競(jìng)賽，如全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、全國計(jì)算機(jī)仿真大獎(jiǎng)賽、全國ITAT競(jìng)賽、廣東省“挑戰(zhàn)杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技競(jìng)賽等，共獲得各種獎(jiǎng)勵(lì)100多項(xiàng)，其中2005年獲國家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)47項(xiàng)，省級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)18項(xiàng)。2006年獲得國家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)18項(xiàng)；省級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)25項(xiàng)。

此外，“自動(dòng)控制原理”精品課程的建設(shè)，也促進(jìn)了自動(dòng)化專業(yè)建設(shè)。2008年3月該專業(yè)成為教育部國家級(jí)特色專業(yè)的建設(shè)點(diǎn)。這些都反映出學(xué)生在運(yùn)用所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力在逐步加強(qiáng)，也體現(xiàn)了科研與教學(xué)的結(jié)合與互助，對(duì)該門課程的發(fā)展、把握科學(xué)前沿知識(shí)與基礎(chǔ)知識(shí)的關(guān)系，具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。