“自動控制原理”在核工程與核技術(shù)專業(yè)教學(xué)中的探討

郭愛文?余亮英

摘要：從學(xué)生認(rèn)知心理的特點(diǎn)和規(guī)律出發(fā)，圍繞工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式，針對武漢大學(xué)核工程與核技術(shù)專業(yè)的“自動控制原理”課程進(jìn)行教學(xué)的探索、改革與實(shí)踐，優(yōu)化課程的教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容，采用啟發(fā)式、自學(xué)研討式和實(shí)例貫穿式等教學(xué)方法，指導(dǎo)學(xué)生建立良好的知識認(rèn)知結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而有效地提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；核工程與核技術(shù)；教學(xué)改革

作者簡介：郭愛文（1974-），女，湖南雙峰人，武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，講師；余亮英（1976-），女，湖北新洲人，武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，講師。（湖北 武漢 430072）

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0101-02

在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新形勢下，能源是影響各國可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。為應(yīng)對氣候變化，更好地節(jié)能減排，確保生態(tài)平衡，低碳經(jīng)濟(jì)成為人類環(huán)保的共同目標(biāo)。從2007年開始，國務(wù)院正式批準(zhǔn)《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005-2020年）》，明確了發(fā)展目標(biāo)。中國核電的快速發(fā)展，勢必需要大量的核電人才，以應(yīng)對核電產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)中各個(gè)環(huán)節(jié)人才的短缺與需求，而核電人才培養(yǎng)也將成為加速中國核電事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。[1]為適應(yīng)我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和核電的快速發(fā)展，武漢大學(xué)依靠自身強(qiáng)有力的師資水平和辦學(xué)實(shí)力，于2008年開設(shè)了核工程與核技術(shù)專業(yè)，并通過校企合作等培養(yǎng)模式，為中廣核等工程單位培養(yǎng)輸送了新鮮血液。

武漢大學(xué)（以下簡稱“我?！保┑暮斯こ膛c核技術(shù)專業(yè)主要研究核能安全利用、核電站運(yùn)行優(yōu)化與自動控制。因此“自動控制原理”課程是動力與機(jī)械學(xué)院核工程與核技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，對學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程“核電站儀表與控制”、“壓水堆核電站控制”以及大學(xué)生節(jié)能減排科技活動等都有著重要的影響?！白詣涌刂圃怼闭n程旨在研究自動控制系統(tǒng)的建模、分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論和方法，具有理論性強(qiáng)、概念抽象等特點(diǎn)。如何有效針對核工程與核技術(shù)專業(yè)的學(xué)生實(shí)際，將學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、專業(yè)理論及工程實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來，提高教學(xué)質(zhì)量是筆者進(jìn)行教學(xué)改革探索的目的。本文結(jié)合武漢大學(xué)核工程與核技術(shù)專業(yè)的建設(shè)，將“自動控制原理”課程在該專業(yè)教學(xué)和培訓(xùn)中的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)踐與研究。

認(rèn)知心理學(xué)是以信息加工為核心的心理學(xué)，它吸收了信息論、控制論、系統(tǒng)論和計(jì)算機(jī)科學(xué)等當(dāng)代最新理論和科技成果的精華，用實(shí)驗(yàn)方法和信息加工觀點(diǎn)研究心理過程。[2]核工程與核技術(shù)專業(yè)本身就是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，經(jīng)過近幾年的教學(xué)探索，筆者從學(xué)生認(rèn)知心理的特點(diǎn)和規(guī)律出發(fā)，建立一套以互動—實(shí)踐—創(chuàng)新為主線的教學(xué)模式。一方面，采用形象化的教學(xué)手段，并結(jié)合核工程與核技術(shù)的專業(yè)實(shí)際，將控制系統(tǒng)理論進(jìn)行深入淺出的剖析；另一方面，針對專業(yè)實(shí)際，合理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，并以大學(xué)生節(jié)能減排大賽為契機(jī)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，以適應(yīng)社會對工程應(yīng)用型本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求。

一、形象化教學(xué)手段

根據(jù)核工程與核技術(shù)專業(yè)的教學(xué)大綱要求，“自動控制原理”基礎(chǔ)課程開設(shè)在第4學(xué)期，而此時(shí)學(xué)生對于控制系統(tǒng)的概念幾乎沒有任何的感性認(rèn)識，更沒有機(jī)會在實(shí)際現(xiàn)場親身體驗(yàn)自動控制系統(tǒng)。針對這一特點(diǎn)，為了加強(qiáng)核工程及核技術(shù)專業(yè)對“自動控制原理”課程的認(rèn)識，筆者對學(xué)生開設(shè)了1～2學(xué)時(shí)的“走進(jìn)自動控制”的視頻感官認(rèn)識課程，不僅可以激發(fā)學(xué)生對“自動控制原理”的感性認(rèn)識，理解學(xué)有所用，同時(shí)還可以帶領(lǐng)學(xué)生梳理之前學(xué)過的基礎(chǔ)課程，如“電工學(xué)”等，讓學(xué)生回想此前學(xué)過的概念、理論和方法，給學(xué)生建立系統(tǒng)的觀念。

根據(jù)核工程與核技術(shù)專業(yè)發(fā)展需求，武漢大學(xué)建立了核電仿真研究中心。授課教師在教學(xué)過程中可以充分利用專業(yè)實(shí)驗(yàn)室資源，讓課堂走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。教師利用虛擬仿真現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多媒體設(shè)備，將復(fù)雜抽象的理論知識用多媒體進(jìn)行展示，并通過編制三維動畫等方式來豐富課程內(nèi)容和表現(xiàn)形式，變常規(guī)的黑板教學(xué)為實(shí)體化教學(xué)，使過去因無法看到實(shí)物而抽象難學(xué)的內(nèi)容變得具體形象。例如，在“自動控制原理”課程中講解系統(tǒng)建模時(shí)，筆者利用核電站流程Flash動畫、實(shí)物圖等方式，[3]講解核島結(jié)構(gòu)，并以反應(yīng)堆壓力容器的工作原理為例，利用虛擬仿真現(xiàn)實(shí)技術(shù)對反應(yīng)堆壓力容器的工作過程進(jìn)行三維模擬，學(xué)生不僅較好地掌握了系統(tǒng)建模過程，同時(shí)也更直觀、更形象、更全面地領(lǐng)會了控制系統(tǒng)的反饋原理。利用核電仿真研究中心這一平臺，筆者在講授過程中，將控制理論中的系統(tǒng)建模、反饋概念、方框圖等理論知識與壓水堆核電站中的溫度控制、燃料控制等工程實(shí)際相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)際控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行分析。這種結(jié)合專業(yè)特色的“自動控制原理”教學(xué)手段不僅極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也使學(xué)生更加深入地理解了“自動控制原理”課程中一些理論性非常強(qiáng)的知識點(diǎn)，對學(xué)生后續(xù)課程知識的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。圖1為采用Flash動畫方式演示的核電站流程原理。

在講解時(shí)域分析、頻域分析和系統(tǒng)校正等重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容時(shí)，教師在課堂上直接應(yīng)用Matlab/Simulink作為控制系統(tǒng)CAD。[4]在教學(xué)過程中適當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場演示由Matlab編程實(shí)現(xiàn)的各變換域分析結(jié)果，利用虛擬仿真對系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，避免計(jì)算和繪圖中的錯(cuò)誤。與此同時(shí)，教師選定適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容，比如Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)部分，通過啟發(fā)式教學(xué)方式，學(xué)生通過參與式學(xué)習(xí)方式，鼓勵學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)、自己編程、小組討論，最后選派代表上臺結(jié)合仿真圖形進(jìn)行講解。對于學(xué)生講授中的不足之處，教師再加以補(bǔ)充完善。這種教學(xué)方式極大地調(diào)動了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，化被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，活躍了課堂氛圍，顯著地提升了課堂授課效率。

二、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

1.數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識的補(bǔ)充

“自動控制原理”中包含許多數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，主要是以復(fù)變函數(shù)和常微分方程為數(shù)學(xué)工具。針對核工程和核技術(shù)專業(yè)的課程設(shè)置中沒有開設(shè)復(fù)變函數(shù)課程這一特點(diǎn)，教師應(yīng)該在引入傳遞函數(shù)概念之前，簡潔明了地介紹拉氏變換；在講解Nyquist曲線時(shí)，引入復(fù)變函數(shù)當(dāng)中的保角映射等基本數(shù)學(xué)知識點(diǎn)，這樣有助于學(xué)生在“自動控制原理”課程當(dāng)中對相應(yīng)概念的理解和基礎(chǔ)知識的加深。

2.加強(qiáng)課程內(nèi)容之間的有機(jī)結(jié)合

“自動控制原理”課程的精髓是以“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”為主線。對于任何一個(gè)控制系統(tǒng)而言，穩(wěn)定是第一要義，這一點(diǎn)與核電工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的“安全穩(wěn)定”宗旨是不謀而合的。在課程學(xué)習(xí)的過程中，無論是時(shí)域分析、根軌跡分析、頻域分析都涉及到系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析。對于初學(xué)者而言，往往將各個(gè)章節(jié)單獨(dú)學(xué)習(xí)，尚不能形成系統(tǒng)學(xué)習(xí)的概念。而實(shí)際上，“自動控制原理”中的連續(xù)控制系統(tǒng)各部分是相互關(guān)聯(lián)的。教師在教學(xué)當(dāng)中應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生不要孤立地學(xué)習(xí)各個(gè)部分，而應(yīng)用系統(tǒng)、全局的觀點(diǎn)來學(xué)習(xí)和理解穩(wěn)定性分析，讓學(xué)生更深層次地理解時(shí)域、頻域、復(fù)域之間的相互轉(zhuǎn)換，深入剖析對“自動控制原理”課程中Routh判據(jù)、Nyquist判據(jù)等不同穩(wěn)定性判據(jù)之間的差異和內(nèi)在聯(lián)系。

3.精簡教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化關(guān)鍵知識點(diǎn)

作為核工程與核技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，“自動控制原理”課程的學(xué)時(shí)少（45學(xué)時(shí)），內(nèi)容多，因此不可能也沒有必要像自動化專業(yè)學(xué)生一樣對所有的知識點(diǎn)面面俱到。針對專業(yè)特點(diǎn)，筆者主要講授線性定常系統(tǒng)的分析和綜合，重點(diǎn)放在連續(xù)系統(tǒng)，兼顧離散系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)部分讓學(xué)生課外補(bǔ)充。對于基礎(chǔ)性和學(xué)生必須掌握的關(guān)鍵內(nèi)容，如時(shí)域系統(tǒng)、頻域系統(tǒng)中穩(wěn)定性分析、控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的計(jì)算等進(jìn)行重點(diǎn)講授。

三、教學(xué)與科研相結(jié)合

動力與機(jī)械學(xué)院每年都組隊(duì)參與全國大學(xué)生節(jié)能減排大賽，并屢有斬獲。這一比賽與核工程與核技術(shù)專業(yè)密切相關(guān)，教師根據(jù)往屆學(xué)生獲獎節(jié)能減排課題，將其中有關(guān)的控制理論知識進(jìn)行提取，將理論知識與實(shí)踐進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。利用課余時(shí)間邀請往屆參與節(jié)能減排大賽的學(xué)生現(xiàn)身說法，讓學(xué)生進(jìn)一步了解“自動控制原理”在行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，對學(xué)生進(jìn)行科研基礎(chǔ)知識儲備，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

四、結(jié)語

為了適應(yīng)核工程與核技術(shù)專業(yè)工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，獲得良好的教學(xué)效果，筆者結(jié)合學(xué)生認(rèn)知心理的特點(diǎn)和規(guī)律，對“自動控制原理”課程的教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等方面做了一系列的改革嘗試。筆者結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)將教學(xué)內(nèi)容以動畫、現(xiàn)場虛擬仿真演示等現(xiàn)代教育技術(shù)手段表現(xiàn)出來；結(jié)合科研活動，將自動控制理論與專業(yè)實(shí)際相融合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，以提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙珥希，劉曉芳.加強(qiáng)核電人才素質(zhì)教育芻議[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2011，（1）：136-140.

[2]王志堅(jiān).認(rèn)知心理學(xué)的學(xué)習(xí)理論對課堂教學(xué)的啟示[J].中國教育學(xué)刊，1997，（2）.

[3]韓永華，陳劍.動態(tài)形象化教學(xué)在圖像處理類課程中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（1）：101-103.

[4]張正強(qiáng)，王艷霞.“現(xiàn)代控制理論”課程的教學(xué)探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（5）：31-32.

（責(zé)任編輯：王意琴）