“自動(dòng)控制原理”工程化課堂教學(xué)探索

薛大為 楊春蘭

【摘要】針對(duì)自動(dòng)控制原理課程傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式在工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面存在的不足。從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面對(duì)自動(dòng)控制原理課堂教學(xué)進(jìn)行工程化教學(xué)模式探索和嘗試。通過對(duì)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)部分學(xué)生的實(shí)際教學(xué)表明，這些工程化教學(xué)改革提高了學(xué)生工程實(shí)踐能力，取得了較好的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)控制原理;工程化;課堂教學(xué)

一、引言

蚌埠學(xué)院是一所應(yīng)用型本科院校，辦學(xué)定位為“地方性、應(yīng)用型、工程化”。自動(dòng)控制原理是我校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是電子信息工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)以及機(jī)電工程類等專業(yè)的專業(yè)必修課程。由于該課程涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)點(diǎn)多、內(nèi)容比較抽象，是一門理論性較強(qiáng)的課程。同時(shí)，該課程也與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，偏重講解理論推導(dǎo)[1]，過度突出該課程的“理學(xué)”特性，而較少講解其工程應(yīng)用，淡化該課程的 “工學(xué)”特性。 以至于出現(xiàn)教師以教 “數(shù)學(xué)”的方式教，而學(xué)生以學(xué)“數(shù)學(xué)”的方式學(xué)的現(xiàn)象[2]。導(dǎo)致很多的學(xué)生在學(xué)完自動(dòng)控制原理課程之后，對(duì)于一些簡(jiǎn)單的工程實(shí)際問題，都不會(huì)運(yùn)用控制理論的知識(shí)去分析和解決。針對(duì)存在的問題，本文就如何改進(jìn)自動(dòng)控制原理課程工程化課堂教學(xué)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面進(jìn)行了探索。

二、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出工程背景

自動(dòng)控制原理課程涉及很多的數(shù)學(xué)知識(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式，教師過度強(qiáng)調(diào)公式推導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生感到課程枯燥、乏味、實(shí)用性不強(qiáng)，甚至于失去學(xué)習(xí)興趣。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)，突出該課程的工程實(shí)踐性，采用將教學(xué)內(nèi)容融入工程實(shí)際中[3]，適當(dāng)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，以工程為主線把所有的知識(shí)點(diǎn)都通過相應(yīng)的工程背景來(lái)引出。

在具體實(shí)施過程中，選擇如圖1所示的典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)“直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)”（簡(jiǎn)稱“調(diào)速系統(tǒng)”）作為工程實(shí)例，并將其貫穿于課程教學(xué)內(nèi)容的始終。例如，在講解系統(tǒng)的職能方框圖時(shí)，通過分析“調(diào)速系統(tǒng)”的工作原理及控制過程，引導(dǎo)學(xué)生將系統(tǒng)組成模塊進(jìn)行職能劃分，而后組成整體;在講解系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生利用前面分解的職能方框圖，對(duì)職能模塊利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行描述;在講解后續(xù)時(shí)域分析、根軌跡分析、頻域分析就可以根據(jù)以前建立的數(shù)學(xué)模型引導(dǎo)學(xué)生對(duì)不同信號(hào)作用下以及系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)時(shí)域、頻域性能指標(biāo)進(jìn)行一一分析;在講解系統(tǒng)校正時(shí)，以“調(diào)速系統(tǒng)”當(dāng)出現(xiàn)性能不佳，指標(biāo)不符合要求時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生通過加入一些環(huán)節(jié)或裝置，使得系統(tǒng)性能得以改善。

圖1 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

通過引入工程實(shí)例，將抽象理論與工程實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，不但可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，而且可以培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實(shí)際問題的能力。當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)完整個(gè)課程后，就會(huì)對(duì)如何利用控制理論進(jìn)行逐步解決工程實(shí)際問題有了整體的把握。

三、改革教學(xué)方法，突出工程能力

在自控控制原理課程的講授中，教師通常采用全程講解方法，教師作為主體，而學(xué)生只是被動(dòng)的接受。導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)的自主性變差，解決實(shí)際問題的能力得不到有效的培養(yǎng)。針對(duì)這樣的問題，如何提高學(xué)生工程實(shí)踐能力，采用工程背景下的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法[4]。在講授知識(shí)點(diǎn)之前，首先提出問題或任務(wù)，讓學(xué)生帶著任務(wù)去聽課，在聽的過程中尋找解決問題的方法。這樣大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，在尋找解決辦法的過程中，鍛煉了解決實(shí)際問題的能力。

例如，在講授職能方框圖之前，提出按照職能“調(diào)速系統(tǒng)”可以劃分成哪些模塊;在講授數(shù)學(xué)模型前，提出“調(diào)速系統(tǒng)”各個(gè)職能模塊用數(shù)學(xué)方法如何表示;在講授時(shí)域分析法和頻域分析法前，提出當(dāng)“調(diào)速系統(tǒng)”系統(tǒng)輸入為階躍信號(hào)或不同頻率正弦信號(hào)時(shí)系統(tǒng)輸出如何變化;在講授根軌跡法前提出，當(dāng)改變“調(diào)速系統(tǒng)”增益，系統(tǒng)輸出如何變化;在講授系統(tǒng)校正前，提出要改變系統(tǒng)性能指標(biāo)，應(yīng)如何增加裝置及增加什么裝置等。

通過將系統(tǒng)分解為各種不同的小任務(wù)，讓學(xué)生由被動(dòng)接受變?yōu)樽灾魈剿鳌Ｍㄟ^解決問題來(lái)掌握知識(shí)，在解決問題的過程中鍛煉了工程實(shí)踐能力。

四、多樣化教學(xué)手段，突出工程認(rèn)識(shí)

由于學(xué)生缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于控制系統(tǒng)缺少感性認(rèn)識(shí)，因此對(duì)于控制理論中的很多概念感到很抽象，難以理解。針對(duì)這一問題，在教學(xué)過程中要充分利用flash動(dòng)畫、Matlab軟件、多媒體課件等現(xiàn)代化的教學(xué)手段，形象化抽象的概念，改善教學(xué)效果。

例如，在講授自動(dòng)控制系統(tǒng)概念及各組成結(jié)構(gòu)功能時(shí)，可選擇一些工程實(shí)例，比如液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過flash動(dòng)畫動(dòng)態(tài)的展示其控制過程，如圖2所示，這種直觀的方式使得系統(tǒng)抽象的概念變得生動(dòng)且容易理解。在講授自動(dòng)控制技術(shù)的最近發(fā)展進(jìn)程時(shí)，可以通過多媒體課件將一些前沿的控制理論成功應(yīng)用實(shí)例采用幻燈片形式進(jìn)行播放，不但可以激發(fā)學(xué)生的熱情，且可以拓展學(xué)生對(duì)控制原理工程應(yīng)用范圍的認(rèn)識(shí)。

圖2 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)

例如，在講解根軌跡分析法時(shí)，如果徒手繪制根軌跡不但費(fèi)時(shí)且繪制不準(zhǔn)確。利用Matlab仿真軟件強(qiáng)大的可視化圖形功能[5]，不但可以很快的繪制出根軌跡曲線，并且當(dāng)系統(tǒng)零極點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)能實(shí)時(shí)反映出根軌跡的變化。又如，在講解系統(tǒng)時(shí)域分析法時(shí)，利用Matlab軟件不僅可以直觀對(duì)不同典型輸入信號(hào)作用下的響應(yīng)曲線變化進(jìn)行比較，且可以動(dòng)態(tài)展示系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)的變化情況。二階系統(tǒng)當(dāng)阻尼比變化時(shí)，單位階躍響應(yīng)如圖3所示。這種圖文并茂的方式，不但可以使學(xué)生加深對(duì)概念的理解和記憶，而且可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)到Matlab軟件是一種解決工程實(shí)際問題的有效的輔助工具。

圖3 二階系統(tǒng)不同阻尼比單位階躍響應(yīng)

五、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)我校工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，自動(dòng)控制原理傳統(tǒng)偏 “理”的課堂教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)教學(xué)要求。針對(duì)存在的缺陷，從教學(xué)內(nèi)容工程化、教學(xué)方法工程化以及教學(xué)手段工程化等方面對(duì)自動(dòng)控制原理的課堂教學(xué)模式進(jìn)行了探索。通過對(duì)我校2010級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的部分學(xué)生進(jìn)行嘗試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該部分學(xué)生在課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)方面表現(xiàn)出的分析問題、解決問題以及實(shí)踐能力明顯強(qiáng)于其他學(xué)生。驗(yàn)證了工程化課堂教學(xué)改革的有效性。當(dāng)然，教學(xué)改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期且艱巨的任務(wù)，隨著學(xué)科的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，教學(xué)改革內(nèi)容也必將隨之進(jìn)行不斷的調(diào)整。

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基金項(xiàng)目：蚌埠學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（JYLY1212）。

作者簡(jiǎn)介：薛大為（1978—），男，安徽宿州人，碩士，講師，現(xiàn)供職于蚌埠學(xué)院，主要從事自動(dòng)化方面的教學(xué)與研究工作。