自動控制原理教學問題及對策

聶晶晶

摘 要：自動控制原理是系統(tǒng)學科、信息學科、機械學科等相關學科的應用基礎，具有科學方法論的特點，對工程具有突出的理論價值和指導意義。通過對目前自動控制理論課堂教學現(xiàn)狀的分析，找出存在的問題并給出解決對策，提出了《自動控制原理》課程教學改革方向。

關鍵詞：自動控制理論；對策；教學改革

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198（2014）15-0147-02

自動控制原理是控制學科研究的重要理論基礎，同時又是系統(tǒng)學科、信息學科、機械學科等相關學科的應用基礎，在工業(yè)、軍事、社會經(jīng)濟等領域有著廣泛的應用。研究的問題具有普遍性，與很多學科交叉協(xié)同發(fā)展，對工程具有突出的理論價值和指導意義。故工程類專業(yè)學生學好該門課程，對其今后的學習和工作勢必產(chǎn)生重要的影響。

1 《自動控制原理》課程特點

《自動控制原理》作為一門學科，其性質(zhì)屬于技術科學，研究的對象是自動控制系統(tǒng)，研究的中心問題是圍繞控制系統(tǒng)在控制過程中的性能，其內(nèi)容主要包括《經(jīng)典控制理論》的基本概念、基本原理、基本分析方法和綜合設計方法。在講課的過程中緊緊圍繞“穩(wěn)定性”、“準確性”、“快速性”這三個基本要求開展教學工作。自動控制原理的線索為：線性連續(xù)系統(tǒng)→線性離散系統(tǒng)→非線性系統(tǒng)→現(xiàn)代控制理論。重點講解的是線性連續(xù)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)建模、三大分析法（時域、根軌跡、頻域分析法）、系統(tǒng)校正；離散系統(tǒng)的分析法是連續(xù)系統(tǒng)的繼承性復制；非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法和相平面法。很多同學感覺《自動控制原理》這門課就是做題，認為與實際聯(lián)系不密切。超過80%的同學對這門課程的學習有畏難情緒，都覺得無從下手，很多同學覺得這就是一門數(shù)學課，除了計算，不知道學習這門課的目的，掩蓋了它的工程應用背景。根據(jù)這個實際情況，在教學內(nèi)容的組織上應注意密切聯(lián)系實際，讓學生知道為什么學、學什么、怎么學、學了怎么用。

2 《自動控制原理》課堂教學的現(xiàn)狀

通過對《自動控制原理》理論教學課堂的觀察以及走訪學生，我們不難發(fā)現(xiàn)，不論是把《自動控制原理》作為重要專業(yè)課的控制學科，還是將《自動控制原理》作為分析方法的機械學科，都存在同樣的問題，那就是學生的畏難情緒，造成這種現(xiàn)狀的原因是多方面的，但最根本的還是因為自動控制理論本身就是一門理論性非常強的課程，在學生們剛剛接觸到這樣一門方法論的課程時，不能從宏觀上去將所有章節(jié)聯(lián)系起來，只是有一種感覺，那就是這像是另一門數(shù)學課，但是又不太清楚這些數(shù)學推導和公式的具體作用。學習成績好的同學，在剛開始學習的時候，因為有比較好的數(shù)學基礎，所以學習起來要比其他同學更加順利，但他們?nèi)匀皇敲悦５?，只知道如何做題，并不知道為什么要這樣做，再加上控制理論的計算題的題型比較固定，所以就會有一種現(xiàn)象，那就是考試中有一些同學取得了比較好的成績，但是如果讓他運用控制理論，就會很迷茫了。另外，《自動控制原理》中很多定義、理論，有一些還很相似，比如開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，在沒有理解透徹的情況下，學生很容易混淆，尤其在時域分析和頻域分析兩個不同的章節(jié)中，用不同的方法分析同一個系統(tǒng)，得到針對性不同的分析結果，這種區(qū)別和聯(lián)系對于初學者來說不好理解。此外，由于高等數(shù)學，復變函數(shù)以及物理知識等知識的遺忘，加大了課堂教學的難度，一方面老師為了簡化數(shù)學推導，盡可能少的推導定理和公式，另一方面，簡化了數(shù)學推導之后給出的定理，顯得有些突兀，學生們不知道來龍去脈，不好理解，于是一個章節(jié)的內(nèi)容就成了一個個并排羅列的定理和公式，只剩下了枯燥的數(shù)字和符號，學生學起來確實也很難有學習熱情。

3 教學中存在的問題及改善對策

3.1 數(shù)學知識多

《自動控制原理》中用到大量的數(shù)學推導，包括積分、微分、復變函數(shù)、微分方程等等，對于進入專業(yè)課學習的學生來說，在大學入學時學過的數(shù)學知識已經(jīng)有所遺忘，而且有些同學可能本來數(shù)學基礎就不夠扎實，所以學習起來感覺很有難度，有些同學甚至于聽完緒論就再也聽不懂了。同時，由于數(shù)學模型的建立，在自動控制理論中還涉及到很多物理和電工知識。這些問題的出現(xiàn)，都是因為同學們的學習目的不明確，在學習高數(shù)時，還仍然保留著高中時的概念，只要是數(shù)學課那就一定是很重要的，相信很多工科學生都一樣，拿到題目的第一反應就是拿筆開始計算，但是并不了解在大學里學習數(shù)學的目的其實是作為專業(yè)課的工具。所以在課堂講授過程中，需要盡量簡化抽象公式的推導證明過程，但還是要抽出一定的時間來給學生們補習常用的重點數(shù)學知識，在初學時，必要時還需要老師在黑板上進行一步步的板書計算，比如分部積分的計算，微分方程的求解等等。補習的目的不是為了講數(shù)學，而是為了學生們更好的學習控制論這門方法論，而不是把課堂上的時候都用在思考如何計算積分微分，或者課下的時間都用來翻閱之前的數(shù)學課本。課堂上老師逐步逐步的計算、板書，也有利于師生間的互動，便于學生發(fā)現(xiàn)自己的錯誤。

3.2 知識點抽象

控制理論的知識點多且抽象，而且大部分是公式的推導，一涉及到抽象公式的推導，學生在課堂上理解起來就很困難，尤其在推導時老師在板書里都用的是字母、符號，比如ζσω等，老師已經(jīng)非常熟悉了，但學生可能都還沒有記住每一種符號代表的是什么，由于存在這樣的偏差，學生理解起來當然有難度了。雖然老師在課堂上會強調(diào)學生會用這些定理就足夠了，但是學生初學控制理論，并不知道哪里是重點內(nèi)容要重點掌握，哪些是引申知識點只需一般了解，這些需要老師在課堂上引導。同時，在課堂上講授時需要根據(jù)專業(yè)多設置一些與專業(yè)相關的物理模型，比如電氣專業(yè)可以加入火力發(fā)電廠發(fā)電系統(tǒng)的例子，機械專業(yè)可以加入液壓與氣動控制系統(tǒng)，制冷專業(yè)可以加入制冷控制系統(tǒng)，對于各個不同專業(yè)的學生來說更有針對性，這樣學生們在學習時有想象的空間，不至于提到控制理論就全是羅馬字符號，同時在日后的專業(yè)課學習中也更容易，便于學生更加直觀的理解。

3.3 前后章節(jié)聯(lián)系緊密

學生在學習控制理論時，經(jīng)常會有這樣的體會：學完了時域分析再學頻域分析時，弄不清楚兩種分析方法的區(qū)別，再加上市面上有很多不同版本的教材，教材中的內(nèi)容大體相同但是順序不一樣，這是由于編書者思路不一樣造成的，教師們對整本書內(nèi)容比較熟悉，因此不存在混淆的情況，但是學生看到不同的參考書資料時會疑惑，因此，在課堂教學中需要老師在展開教學前幫學生們理順整個思路。比如可以針對不同專業(yè)學生增加實例，這個實例可以從緒論開始貫穿正本教材，先弄清楚控制三要素，建立數(shù)學模型，再進行時域和頻域分析，檢驗系統(tǒng)是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定，穩(wěn)定程度怎么樣，如果不滿足要求該怎么校正。這樣看起來抽象的，分散的知識點和定理就用一個實例聯(lián)系起來了。作為老師，首先要熟練掌握體系結構，并運用到具體問題的分析中，這樣才能做到融會貫通，不至于使自己所講的每個問題變得支離破碎，沒有連貫性，增加學生理解的難度。

3.4 學生的學習目的不明確

通過對學生的了解我們發(fā)現(xiàn)，學生學習控制理論普遍感覺難，難在哪里？其實主要是因為學生的學習目的不明確，為什么要學習這門課？不清楚。數(shù)學不好的同學看到繁多的數(shù)學推導甚至還沒開始上課就已經(jīng)打了退堂鼓了。所以一定要讓學生明確學習目的，控制理論作為一門工具課程，可以說和數(shù)學一樣，在后面的教學環(huán)節(jié)中，是作為一種工具，工欲善其事，必先利其器。例如機械專業(yè)的《液壓與氣動控制》、《機電一體化設計》等專業(yè)課，包括研究生階段的《現(xiàn)代控制方法》等課程都需要控制理論作為基礎。在明確了控制理論的作用后，就要著力在如何提高學生的學習興趣了，控制理論理論性強，公式繁雜，在授課過程中即便是加上現(xiàn)代化教學手段（多媒體等）也不可能達到像英語課堂那樣生動的效果，因此就需要很多生活生產(chǎn)中的實例來向?qū)W生們展示控制理論的應用了，比如男生們都感興趣的火炮自動跟蹤系統(tǒng)，汽車控制系統(tǒng)等，通過圖片和短片讓大家有直觀的感受，如果控制理論僅僅停留在數(shù)學公式和做題上，那就沒有體現(xiàn)它方法論的作用了。

4 《自動控制原理》課程教學改革方向

4.1 針對不同學生更改教學內(nèi)容

自動控制原理是一門方法論的專業(yè)基礎課，針對不同專業(yè)的學生要更改教學內(nèi)容的側(cè)重點，比如機械專業(yè)的控制理論對于根軌跡和離散控制系統(tǒng)的內(nèi)容只做一般了解，在課時比較少的情況下甚至略過不講。同時，針對不同的專業(yè)在講解時也需要根據(jù)專業(yè)需要增加適合的工業(yè)生產(chǎn)中的實例，使學生在學習時不是緊緊停留在懂定理，會計算，而是通過實際應用來了解理論，從而完成從定性了解到定量掌握的轉(zhuǎn)變。

4.2 搞科研進行有目的的主動學習

有意識的引導學生主動學習，通過科研的方式促進學生自主學習的習慣，比如在講緒論時就可以給學生們布置一篇論文，使學生自己通過查閱資料和書籍來了解控制理論發(fā)展的歷程，與傳統(tǒng)的課堂講授比較起來，更能引起學生的學習興趣，他們會在整理資料的過程中了解古今中外有哪些發(fā)明用到了自動控制原理，學生們會發(fā)現(xiàn)，發(fā)明，其實并不是離自己那么遙遠的事情，甚至通過這樣的方式還可以激發(fā)學生們的創(chuàng)新的潛能，避免思維的僵化。為了使學生更清楚地認識所學課程與專業(yè)方向的關系以及在今后工作中的應用，對學習目的更加明確，在教學內(nèi)容中我們增加了一些和教學內(nèi)容適應的工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的運行，設計的視頻短片。同時鼓勵學生走出課堂，到專業(yè)實驗室，了解專業(yè)課老師從事的科研工作。

4.3 強調(diào)學習方法而避免填鴨式教學

在課程之初，一定要強調(diào)本門課程的特殊性，要強調(diào)學習方法。掌握正確的學習方法，才能順利的學習好這門課程。首先一定要讓學生們明確一點，這門課并不是數(shù)學課，數(shù)學只是這門課的工具，千萬不要因為繁多的公式就被嚇怕了。當然在學習之初還是需要老師在黑板上逐步逐步的將計算過程演算給學生們看，而不是僅僅對照幻燈片講，這并沒有浪費課堂時間，對學生來說，需要用到的知識點確實非常多，包括高數(shù)，復變函數(shù)，物理，電工等等，如果要學生把來龍去脈弄得清清楚楚，那就必須要每一步都很明確，比如什么時候需要假設初始條件，什么時候需要簡化處理等等，在學生已經(jīng)非常熟悉并接受了這種分析方法后，老師上課的內(nèi)容就可以有所拔高，計算過程就可以有所省略了，這是一個循序漸進的過程。同時，在課堂上要采用啟發(fā)引導式的教學方法，如果所有知識都這樣一股腦的倒給學生，那學生的接受情況肯定不好，需要在課堂上引導學生動腦筋，思考為什么要這么做，避免填鴨式教育。

5 結束語

隨著控制技術的發(fā)展，和工業(yè)農(nóng)業(yè)對自動化技術的要求越來越高，必須加強對控制理論教學方式的改革，但是在教學中還存在很多問題，比如實驗條件的限制和學生的學習積極性等情況。只有堅持不斷朝著培養(yǎng)應用創(chuàng)新型人才的方向努力，進一步提高教學質(zhì)量，改變單一的教學形式，才能培養(yǎng)出合適社會的工科人才。

參考文獻

[1]自動控制原理課程教學改革探索與實踐[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報（社會科學版），2009，（4）：134-136.

[2]程廣貴，凌智勇.機械專業(yè)自動控制原理教學方法探討[J].中國電力教育，2011，（13）：75-76.

[3]程麗平.“5W模式”在自動控制原理教學中的應用[J].中國電力教育，2012，（15）：73-74.