基于“卓越計(jì)劃”的自動控制原理教學(xué)改革探索

摘要：立足“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的培養(yǎng)要求和“自動控制原理”課程的特點(diǎn)，結(jié)合授課經(jīng)驗(yàn)，淺析了該門課程教學(xué)改革的一些看法。通過改革，學(xué)生能學(xué)懂、用好控制原理，也希望為卓越計(jì)劃下其他課程的教改拋磚引玉。

關(guān)鍵詞：卓越計(jì)劃；自動控制原理；數(shù)學(xué)模型

作者簡介：司徒瑩（1972-），女，廣東開平人，廣東石油化工學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，講師；劉美（1967-），女，廣東廉江人，廣東石油化工學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，教授。（廣東茂名525000）

基金項(xiàng)目：本文系廣東省高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：BKZZ2011041）、廣東省高等教育教學(xué)成果獎培育項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：201139277）的研究成果。

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）16-0037-01

“自動控制原理”是電力、電氣自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是機(jī)械類、儀器儀表類、能源動力類、電氣信息類等許多專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，也是許多工科專業(yè)非常重要的課程。該課程主要任務(wù)是通過對控制理論知識的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生對控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。[1]該課程內(nèi)容涉及面廣，抽象難懂，理論性和工程實(shí)踐性均較強(qiáng)，并且更新發(fā)展較快，如何教好這門課一直是專業(yè)教師討論的熱點(diǎn)問題。當(dāng)前正值卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃的改革試行階段，廣東石油化工學(xué)院（以下簡稱“我?！保┮殉蔀榈诙白吭焦こ處熃逃囵B(yǎng)計(jì)劃”試點(diǎn)高校，“自控原理課程”教學(xué)改革迫在眉睫。根據(jù)該計(jì)劃的基本要求，結(jié)合筆者講授該課程的經(jīng)驗(yàn)，提出本課程教學(xué)改革的一些看法。

一、“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”下的教學(xué)要求

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”是教育部 2009 年推出的一項(xiàng)重大教育改革試點(diǎn)項(xiàng)目，它提出：面向工業(yè)界、面向世界、面向未來，創(chuàng)建具有中國特色的工程教育模式，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，促進(jìn)我國從工程教育大國走向工程教育強(qiáng)國。它具有三個特點(diǎn)：行業(yè)企業(yè)深度參與培養(yǎng)過程；學(xué)校按通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)工程人才；強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。

上述特點(diǎn)決定了高校課程教學(xué)應(yīng)在加強(qiáng)教育和行業(yè)、學(xué)校和企業(yè)的密切合作的前提下，在有限的課堂教學(xué)課時中，注重理論知識的工程背景和應(yīng)用，著重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，努力為企業(yè)造就適應(yīng)其發(fā)展及需要的優(yōu)秀工程師。[2]“自動控制原理”課程改革也應(yīng)緊緊圍繞著這個要求來進(jìn)行。

二、“自動控制原理”課程特點(diǎn)和目前教學(xué)存在的問題

“自動控制原理”課程的特點(diǎn)是：內(nèi)容豐富、理論性強(qiáng)、涉及知識面廣、信息量大、更新發(fā)展快，而且比較抽象，習(xí)題多、難度大，是具有一定深度和學(xué)習(xí)難度的課程，學(xué)生感到難學(xué)，教師也難教。

現(xiàn)有的教學(xué)方法多沿用傳統(tǒng)的“課堂講授+驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”，呈現(xiàn)處以下弊端。

1.課程內(nèi)容不足

（1）跟不上工程實(shí)際?，F(xiàn)有課程內(nèi)容建立在知識的系統(tǒng)性和完整性上，基于此構(gòu)建的知識點(diǎn)往往過于注重深度，實(shí)際工程應(yīng)用偏差較大，更新速度較慢，學(xué)生常常覺得在企業(yè)里看到的新儀表、新方法和課堂上學(xué)到的東西聯(lián)系不起來。這使得教學(xué)內(nèi)容與“卓越計(jì)劃”中的工程背景相悖。

（2）內(nèi)容講授上重理論輕實(shí)踐。課堂講授中只注重將理論知識講解清楚，但沒有和工程實(shí)際結(jié)合起來。

2.教學(xué)方法簡單

教師多利用課堂講授，一來大量理論內(nèi)容枯燥、乏味，缺乏自主學(xué)習(xí)的誘惑力；二來學(xué)生缺少實(shí)踐、動手的過程，課程所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)也多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不利于這門課程的學(xué)習(xí)；此外，教學(xué)手段的單一化也使課程的信息量和更新程度銳減。

3.學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高

學(xué)生學(xué)習(xí)目的不明確，普遍覺得不知道這門課能用在什么地方；課程中一些抽象的概念和大量數(shù)學(xué)推導(dǎo)使學(xué)生產(chǎn)生為難情緒，影響了他們學(xué)習(xí)的積極性。

三、課程教學(xué)改革

針對以上問題，對我?！白詣涌刂圃怼闭n程做以下改革。

1.教學(xué)內(nèi)容上的改革

依據(jù)“卓越計(jì)劃”，學(xué)生在校理論學(xué)習(xí)時間要縮短，以便有更多時間投入到企業(yè)去實(shí)習(xí)，因此如何在有限的時間利用有限的資源傳授最有用的理論知識，就成了改革的目標(biāo)。

課堂教學(xué)中首先要講清課程的基本方法，即定性分析上升到定量分析的方法，和從直觀表現(xiàn)到深入刻畫的方法，這不單適用于本課程，也適用其他科學(xué)分析；其次要清楚課程三個模塊的基本點(diǎn)，并鼓勵學(xué)生自己將他們聯(lián)系起來并用于解決實(shí)際問題。

（1）數(shù)學(xué)模型。建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是分析、解決問題的前提和條件。介紹的重點(diǎn)放在線性連續(xù)系統(tǒng)時域數(shù)學(xué)模型的建立和求解上，包括微分方程、結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)及其相互的轉(zhuǎn)換，針對不同專業(yè)背景的學(xué)生，聯(lián)系不同的實(shí)例進(jìn)行切入講解，便于學(xué)生了解數(shù)學(xué)模型的物理意義，從而將抽象的數(shù)學(xué)概念和實(shí)際相聯(lián)系，加強(qiáng)數(shù)模的可理解性。而對于頻域或離散系統(tǒng)模型，則采用對比的方式帶過，由學(xué)生自己總結(jié)得到。

（2）系統(tǒng)分析。經(jīng)典控制理論的分析方法包括時域分析法、頻域分析法和根軌跡分析法，主要分析穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三大性能，這是本課程的重點(diǎn)所在。筆者認(rèn)為三種方法均應(yīng)講清思想方法以及對應(yīng)的圖形圖線和系統(tǒng)的聯(lián)系，而定量分析的計(jì)算公示推導(dǎo)因計(jì)算軟件發(fā)達(dá)，受學(xué)時限制應(yīng)放在次要位置。頻域分析法著重介紹頻率特性的幾何表示法和頻率特性曲線上各段所代表的性能特征。根軌跡分析法則關(guān)鍵說明開環(huán)極點(diǎn)和閉環(huán)極點(diǎn)的關(guān)系和代數(shù)問題的幾何表示，而根軌跡上各點(diǎn)和對應(yīng)性能指標(biāo)的計(jì)算可以少講。

（3）系統(tǒng)的綜合校正。學(xué)生利用控制方法去設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是本課程學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)，也是教學(xué)的難點(diǎn)所在，對學(xué)生的分析能力、綜合能力提出了較高的要求。這部分要介紹校正裝置的設(shè)計(jì)原則，更多的是結(jié)合實(shí)例講解實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和常見問題。

2.教學(xué)手段和方法的改革

（1）聯(lián)系實(shí)驗(yàn)裝置，貫徹聯(lián)系實(shí)際的重點(diǎn)。多數(shù)院校都會有過程控制實(shí)驗(yàn)室，可以利用該實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有的系統(tǒng)，重新設(shè)計(jì)教案。從系統(tǒng)的構(gòu)成、建模、分析、設(shè)計(jì)，逐步深入，結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)和仿真軟件來講解，有條件的院校更可以為每位該專業(yè)學(xué)生準(zhǔn)備一套自動控制元件，最終的考核也可結(jié)合該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析來完成。這樣學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性會更加明確，也不會總糾結(jié)于“學(xué)無所用”了。

（2）沿用傳統(tǒng)的多媒體+板書形式。大部分用多媒體教案展示主要知識點(diǎn)，穿插先進(jìn)控制實(shí)例的視頻、錄像，更吸引學(xué)生眼球。比如講系統(tǒng)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差分析時，結(jié)合挑戰(zhàn)者號在火星著陸的實(shí)例，同學(xué)們就非常感興趣。同時，多媒體教學(xué)中的動畫更形象地反應(yīng)了系統(tǒng)響應(yīng)曲線變化和實(shí)驗(yàn)、仿真的過程。但個別難點(diǎn)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)配合板書，使學(xué)生緊跟教師的思維。

（3）多樣化的教學(xué)方法。始終圍繞理論和實(shí)際相結(jié)合的原則，用大量工程實(shí)例去鋪滿理論講授過程；同時還要注意講授方法的多樣化，如可以采用虛擬模型教學(xué)、實(shí)際案例教學(xué)，鼓勵學(xué)生在老師點(diǎn)到主線后，在虛擬模型和相關(guān)案例中通過討論，自己得到結(jié)論和方法，并能清楚表達(dá)出來。這不單利于將知識點(diǎn)融入實(shí)際，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、思維模式、團(tuán)隊(duì)合作能力以及表達(dá)能力，這種方法可以考慮多采用。

（4）充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是課堂教學(xué)的延伸，充分利用網(wǎng)上資源和媒體材料，特別是國家精品課程網(wǎng)站，將其作為有利于課堂教學(xué)的輔助手段，也可以借此提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

3.考試方式的改革

考試是教學(xué)工作的重要環(huán)節(jié)。首先，要確定科學(xué)、適當(dāng)?shù)目荚u體系，以檢查學(xué)生對基本原理的掌握和綜合應(yīng)用情況。改革后的考試應(yīng)當(dāng)是多種形式的，可以大致分兩部分進(jìn)行，其一是傳統(tǒng)的筆試部分，以客觀題為主，主要考查基本概念、基本原理。其二是應(yīng)用能力，有條件的院?？梢越o定具體對象或環(huán)節(jié)的實(shí)物，要求學(xué)生分組按要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和校正，依據(jù)設(shè)計(jì)過程小組的表現(xiàn)和結(jié)果給予成績。這樣，既考查了基本概念，也讓實(shí)踐能力強(qiáng)的學(xué)生有了展現(xiàn)的機(jī)會，也更能提起同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣。

四、結(jié)語

“自動控制原理”作為一門理論性較強(qiáng)的工程學(xué)科，在工業(yè)、制造業(yè)、航空航天、機(jī)器人乃至國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均有廣泛的應(yīng)用。[3]

追尋控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，根據(jù)“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”的要求，不斷尋求“自動控制原理”教學(xué)改革之路，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和較高綜合素質(zhì)的工程人才，才能適應(yīng)新時期的發(fā)展需要。而這個改革的過程，還有待教師在今后的教學(xué)過程中不斷摸索、完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁新娣，黃曉軍，謝曉春.《自動控制原理》教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].江西教育學(xué)院學(xué)報(bào)(綜合)，2006，(6).

[2]陳東.基于卓越工程師計(jì)劃的鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(社會科學(xué)版)，2011，(6).

[3]王艷.《自動控制原理》課程教學(xué)改革與創(chuàng)新實(shí)踐[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào)(教育科學(xué)版)，2007，(4).

（責(zé)任編輯：宋秀麗）