技本生源《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)改革簡(jiǎn)論*

王菁華李輝盧勝利段海龍

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院天津300222）

技本生源《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)改革簡(jiǎn)論*

王菁華李輝盧勝利段海龍

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院天津300222）

《自動(dòng)控制原理》課程理論性強(qiáng)、抽象性強(qiáng)，要求學(xué)生有扎實(shí)的數(shù)學(xué)基本功，這些特點(diǎn)對(duì)于沒有高中經(jīng)歷直接從技?？既氪髮W(xué)的技本生源來說，加劇了畏難情緒。針對(duì)這種現(xiàn)狀，應(yīng)從改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，同時(shí)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理的刪減，輔以現(xiàn)代教育技術(shù)。本文系統(tǒng)地闡述了這門課程教學(xué)改革的思路和方法。

自動(dòng)控制原理；技本生源；教學(xué)改革；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

《自動(dòng)控制原理》是自動(dòng)化類、電類等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念和自動(dòng)控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的基本方法，是后續(xù)專業(yè)課程必要的理論基礎(chǔ)。然而，該課程的教學(xué)對(duì)于我校技本生源①來說存在著幾個(gè)突出的問題：（1）課程的理論性強(qiáng)，涉及面廣，尤其是運(yùn)用數(shù)學(xué)的力度較大，抽象性強(qiáng)，計(jì)算復(fù)雜，學(xué)生感到難學(xué)；（2）教學(xué)對(duì)象層次差異大，有些技本生源有高中三年的求學(xué)經(jīng)歷，有些沒有，學(xué)生水平參差不齊，教師感到難教；（3）隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，新方法、新矛盾、新問題層出不窮，迫使自動(dòng)控制原理的教與學(xué)必須跟上時(shí)代的要求，不斷更新內(nèi)容；（4）新形勢(shì)下，對(duì)學(xué)生應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)處理問題的能力要求越來越高，而目前教學(xué)中設(shè)置的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)比較薄弱。

為了解決上述問題，我校對(duì)技本生源的《自動(dòng)控制原理》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、理論教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等進(jìn)行了初步的改革。

首先，積極推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

《自動(dòng)控制原理》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該將理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來，以便深化學(xué)生對(duì)課堂理論的理解。但長(zhǎng)期以來，我校一直進(jìn)行的都是傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即學(xué)生通過matlab軟件編寫程序，然后觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線和各項(xiàng)性能指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容編寫matlab語句，記錄響應(yīng)曲線。絕大部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中缺乏主動(dòng)性，究其根源，是因?yàn)閭鹘y(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)缺少設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性，并且學(xué)時(shí)少，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，要推進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革，應(yīng)以安排直觀形象的實(shí)踐環(huán)節(jié)為突破點(diǎn)。

根據(jù)《自動(dòng)控制原理》課程新的學(xué)時(shí)分配（由原來的12學(xué)時(shí)增至16學(xué)時(shí)），選定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容遵循以下優(yōu)化原則：（1）壓縮驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的教學(xué)時(shí)數(shù)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)要突出學(xué)生的動(dòng)手能力，體現(xiàn)我校特色，增加設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上注意新穎性、趣味性和實(shí)用性。（2）引進(jìn)新技術(shù)，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。（3）虛實(shí)搭配，讓學(xué)生對(duì)自己所搭建的硬件電路能同時(shí)通過專業(yè)軟件監(jiān)測(cè)波形，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行圖形化分析。（4）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)多層次、模塊化形式。除了基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)外，還提供部分設(shè)計(jì)型、綜合型和創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)，供學(xué)生選做。改革前，所有的實(shí)驗(yàn)均為matlab仿真驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，改革后，刪減了原來的實(shí)驗(yàn)1——熟悉matlab仿真工具，將原來的的實(shí)驗(yàn)6——基于matlab的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析由仿真實(shí)驗(yàn)變?yōu)樵趯?shí)驗(yàn)箱上由學(xué)生親自搭建硬件電路，調(diào)整參數(shù)，監(jiān)測(cè)波形，充分地將理論與實(shí)踐相結(jié)合。同時(shí)還增加了其他3個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，改革前后實(shí)驗(yàn)變動(dòng)情況如表1所示。從表1中可以看出，改革前所有的實(shí)驗(yàn)均是應(yīng)用matlab軟件進(jìn)行仿真，一般都是給定學(xué)生已知的傳遞函數(shù)，通過編寫簡(jiǎn)單語句仿真軟件然后得到圖形，學(xué)生完全接觸不到實(shí)際的控制系統(tǒng)，無法將學(xué)到的自動(dòng)控制原理的相關(guān)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問題解決中，常常造成實(shí)驗(yàn)與理論脫節(jié)，大部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)被動(dòng)，教學(xué)效果達(dá)不到預(yù)想的水平。而改革后，有50%的實(shí)驗(yàn)脫離了單純的仿真軟件，而是應(yīng)用實(shí)驗(yàn)箱由學(xué)生自己搭建硬件電路，充分鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，在參數(shù)調(diào)解過程中遇到的種種實(shí)際情況大大激發(fā)了學(xué)生自主分析問題解決問題的能力，教學(xué)效果得到了明顯提升。

其次，改革和整合教學(xué)內(nèi)容。

隨著控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，新的控制方法和控制手段也越來越多。為了適應(yīng)時(shí)代要求，根據(jù)本科專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和專業(yè)特點(diǎn)，我們對(duì)自動(dòng)控制課程的內(nèi)容進(jìn)行了重新整合，選用優(yōu)秀教材，制定了新的教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)大綱和考核大綱，適時(shí)地把一些新內(nèi)容、新的教學(xué)成果、應(yīng)用實(shí)例融入教學(xué)內(nèi)容中，做到課程內(nèi)容的基礎(chǔ)性與先進(jìn)性相結(jié)合，把握經(jīng)典與現(xiàn)代、本課程與其他相關(guān)課程內(nèi)容的關(guān)系處理。大幅度減少了學(xué)時(shí)數(shù)（由96學(xué)時(shí)減至80學(xué)時(shí)），將經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論結(jié)合起來講授，重點(diǎn)講解控制理論的基本知識(shí)及應(yīng)用，理清思路，了解方法，增強(qiáng)系統(tǒng)性。針對(duì)技本生源的特點(diǎn)，對(duì)一些定理和法則的推導(dǎo)過程略講甚至不講，比如在第六章控制系統(tǒng)的校正講解中，改革之前要花上至少1個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間給學(xué)生講解傳遞函數(shù)和頻率特性之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的證明過程，而在改革之后，對(duì)證明推導(dǎo)過程點(diǎn)到為止，而重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)要學(xué)會(huì)運(yùn)用。

《自動(dòng)控制原理》的教學(xué)內(nèi)容有一條主線：系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在整個(gè)教學(xué)過程中，教學(xué)內(nèi)容圍繞這條主線展開，講解自動(dòng)控制的一般概念、數(shù)學(xué)模型、時(shí)域分析法、根軌跡法、頻域分析法、系統(tǒng)的校正、非線性系統(tǒng)和采樣控制系統(tǒng)的分析等。其中時(shí)域分析法、根軌跡法、頻域分析法屬于系統(tǒng)分析的內(nèi)容，系統(tǒng)的校正屬于系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，讓學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，圍繞“系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)”這條線進(jìn)行，做到舉一反三，從而對(duì)自動(dòng)控制理論有一個(gè)完整清晰的理解。

在分析設(shè)計(jì)這個(gè)主線下，以穩(wěn)定性指標(biāo)為輔線。在各個(gè)有關(guān)章節(jié)的小結(jié)中對(duì)穩(wěn)定性都予以重點(diǎn)討論，通過對(duì)各種穩(wěn)定性判斷方法的分析，把前后的知識(shí)點(diǎn)加以銜接聯(lián)系，并綜合應(yīng)用。

為體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性、科學(xué)性和前沿性，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣，應(yīng)對(duì)目前控制理論研究的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)作一些簡(jiǎn)要介紹，如模糊控制、智能控制等。

表1 改革前后實(shí)驗(yàn)安排表

再次，改革傳統(tǒng)教學(xué)方法和教學(xué)手段。

《自動(dòng)控制原理》對(duì)學(xué)生的定性分析能力、定量估算能力、綜合運(yùn)用能力、數(shù)形結(jié)合能力有一定的要求，需要具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中經(jīng)常會(huì)感到困難而產(chǎn)生畏難情緒，影響學(xué)習(xí)效果。因此，改革傳統(tǒng)教學(xué)方法和教學(xué)手段，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量，也是課程改革應(yīng)該考慮的內(nèi)容之一。在以信息、知識(shí)爆炸為特征的今天，傳統(tǒng)的教學(xué)手段已經(jīng)不能適應(yīng)時(shí)代的需要，教學(xué)手段的改革勢(shì)在必行。對(duì)圖形比較多的章節(jié)，如根軌跡法、頻率分析法和系統(tǒng)校正等章節(jié)要采用多媒體與板書相結(jié)合的教學(xué)方法，這樣，既充分利用了多媒體教學(xué)生動(dòng)、逼真、容量大的優(yōu)點(diǎn)，又充分利用了板書教學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性、邏輯性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。還可以通過播放視頻資料讓學(xué)生了解自動(dòng)控制技術(shù)在前沿領(lǐng)域的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)踐證明，這一方法取得了良好的教學(xué)效果，受到了學(xué)生的認(rèn)可，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高起了一定的積極作用。

該課程的教學(xué)改革已在我校技本生源中實(shí)施，取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生的基本知識(shí)、專業(yè)能力、實(shí)踐技能乃至學(xué)習(xí)興趣等都較以往有很大的提高。當(dāng)然，教學(xué)改革的路還很長(zhǎng)，尚需繼續(xù)探索和實(shí)踐，使之不斷完善。下一步改革的設(shè)想有以下幾點(diǎn)：

1.實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用控制理論的方法解決實(shí)際問題、將實(shí)際問題抽象為理論問題的能力。在以后更深入的教學(xué)改革中，擬對(duì)實(shí)驗(yàn)只提目標(biāo)和要求，不給學(xué)生詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)電路圖，讓學(xué)生根據(jù)個(gè)人情況自主選擇難度等級(jí)不同的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，獨(dú)立完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)搭建和調(diào)試以及記錄原始數(shù)據(jù)和圖形并寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。所有這些必將極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，既能鞏固課程理論，又能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力，使其觀察、分析和解決問題的能力都有較大的提高。

2.從課程的實(shí)際及教學(xué)規(guī)律出發(fā)，以培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐技能為宗旨，真正探索出一種新的實(shí)踐教育模式。

3.通過課程的建設(shè)和改革，使《自動(dòng)控制原理》課程內(nèi)容及課程體系得到優(yōu)化，教學(xué)工作得到進(jìn)一步完善和規(guī)范。在實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與工程實(shí)踐最優(yōu)化等方面繼續(xù)進(jìn)行探討和改革，做到與時(shí)俱進(jìn)，促進(jìn)該學(xué)科的快速發(fā)展。

注釋：

①我校本科生生源有兩種：高中畢業(yè)生，簡(jiǎn)稱為高本生源；技校畢業(yè)生，簡(jiǎn)稱為技本生源。

[1]王劃一.自動(dòng)控制原理（第2版）[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[2]劉曉燕.自動(dòng)控制原理課程教改探索[J].重慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，（5）.

[3]孫潔.“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（6）.

[4]劉亮.“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)改革實(shí)踐與思考[J].黑龍江科技信息，2010，（2）.

[5]袁安富，張偉.《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)改革與創(chuàng)新的探討[J].中國(guó)電力教育，2008，（6）.

[6]王菁華.反饋在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中的作用[J].天津工程師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，（增刊）.

[7]彭冬玲.自動(dòng)控制原理的教學(xué)方法探討[J].價(jià)值工程，2010，（9）.

book=95,ebook=26

G712

A

1672-5727（2011）11-0095-02

王菁華（1978—），女，河北灤南人，碩士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)講師，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c學(xué)科教學(xué)法等。