自動(dòng)控制原理教學(xué)改革初探

黎萍　王連圭

[摘 要]圍繞自動(dòng)控制原理的教學(xué)改革，從涉及面、理論性和方法論等方面分析自動(dòng)控制原理的特點(diǎn)，針對(duì)教學(xué)中存在的問題，探討理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和考核方式三方面的具體改革措施，合理安排教學(xué)內(nèi)容，注重內(nèi)容的系統(tǒng)性。教學(xué)實(shí)踐表明，這些改革措施提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程和畢業(yè)后的工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]自動(dòng)控制原理 教學(xué)改革 教學(xué)方法 實(shí)踐教學(xué)

[中圖分類號(hào)] TP13-4；G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2014）14-0124-02

一、引言

自動(dòng)控制原理是控制類及電子信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程[1]，在控制科學(xué)與工程學(xué)科中占有重要地位。該課程對(duì)工程技術(shù)有重要的指導(dǎo)作用，而且對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力、綜合分析問題的能力以及建立理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)觀點(diǎn)都具有重要的作用。本文結(jié)合自動(dòng)控制原理的課程特點(diǎn)及教學(xué)中存在的問題，對(duì)自動(dòng)控制原理課程的理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和考核方式三方面進(jìn)行改革的具體措施進(jìn)行探討。

二、課程特點(diǎn)及教學(xué)中存在的問題

自動(dòng)控制原理課程有以下特點(diǎn)：第一，涉及面廣，綜合性強(qiáng)?？刂评碚摰膽?yīng)用面廣，實(shí)際的控制系統(tǒng)可能涉及力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)等學(xué)科的知識(shí)以及電路、電力電子、電機(jī)等技術(shù)。系統(tǒng)控制模型的建立不僅需要有較強(qiáng)的建模能力，還要求有靈活運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。課程的學(xué)習(xí)要求扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底，微積分、復(fù)變函數(shù)理論、矩陣論等知識(shí)的應(yīng)用貫穿全課程。第二，內(nèi)容豐富，概念抽象。課程內(nèi)容主要包含經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論研究的主要對(duì)象是線性定常系統(tǒng)、單輸入單輸出系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，它以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型來討論問題，采用多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性進(jìn)行分析，內(nèi)容較抽象，原理概念較難理解且一環(huán)套一環(huán)。第三，它是一門方法論的課程。[2]課程內(nèi)容隱含從定性的物理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為定量的數(shù)學(xué)分析的解決問題的途徑和“利用誤差消除誤差”的核心控制思想，以及體現(xiàn)了信息論、系統(tǒng)論、控制論的一套方法。這種方法論思想的建立對(duì)學(xué)習(xí)該課程的同學(xué)尤為重要。

課程內(nèi)容豐富，但學(xué)時(shí)有限，我院“自動(dòng)控制原理”教學(xué)計(jì)劃是64課時(shí)，同時(shí)開設(shè)16課時(shí)的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)。目前選用的教材里增加了Matlab輔助設(shè)計(jì)，因而學(xué)時(shí)少，信息量大的矛盾更顯突出，不利于學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有效消化，教學(xué)效果受到影響，但由于學(xué)生考研的需要，難以在課程內(nèi)容上進(jìn)行取舍。

課程理論性強(qiáng)且涉及面廣，但理論與實(shí)踐結(jié)合不密切。除了在數(shù)學(xué)模型的建立部分有實(shí)際系統(tǒng)的抽象簡化外，整個(gè)內(nèi)容并沒有真正觸及實(shí)際系統(tǒng)。另外課程的理論分析與實(shí)際情況存在一定的差距，自動(dòng)控制原理的主要研究對(duì)象是線性系統(tǒng)，而任何實(shí)際系統(tǒng)都不可能是真正線性的。受理論框架的限制，實(shí)驗(yàn)課也難以把理論和實(shí)踐之間的差距暴露出來[4]，學(xué)生知道理論是實(shí)踐的抽象，但實(shí)際應(yīng)用中碰到簡化過度、實(shí)際與理論不符的情況時(shí)，難以找到辦法對(duì)分析、綜合結(jié)果進(jìn)行修正，這就造成理論與實(shí)踐的脫節(jié)。[3]

三、理論教學(xué)改革

（一）合理安排教學(xué)內(nèi)容，注重內(nèi)容的系統(tǒng)性

授課內(nèi)容以系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，突出系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中公共的規(guī)律和基本方法，在保證內(nèi)容系統(tǒng)性的前提下，淡化繁復(fù)的推導(dǎo)過程，強(qiáng)調(diào)推導(dǎo)思路，重點(diǎn)解釋結(jié)論的內(nèi)涵和物理意義，力求簡練卻不失嚴(yán)謹(jǐn)、直觀易懂。系統(tǒng)建模是系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析準(zhǔn)確與否又直接影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]，因此在每個(gè)環(huán)節(jié)的講授過程中，不僅要講清各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的原理，還要注重知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系和過渡。例如講解根軌跡分析方法前先給出一個(gè)高階系統(tǒng)，并采用先學(xué)的時(shí)域分析方法進(jìn)行分析，當(dāng)沒有辦法用時(shí)域法解決問題時(shí)，引出根軌跡分析方法，這不僅能讓學(xué)生弄清楚這兩種分析方法的區(qū)別與各自的優(yōu)勢(shì)，而且能引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用各種方法分析問題，有助于提高學(xué)生分析問題的能力。

（二）靈活應(yīng)用教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量

在教學(xué)過程中，應(yīng)充分尊重學(xué)生在教學(xué)中的主體地位，采用各種教學(xué)方法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，加強(qiáng)創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。通過對(duì)比教學(xué)方法，加深學(xué)生的印象，例如在講頻率特性時(shí)，將極坐標(biāo)圖和對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖進(jìn)行對(duì)比，找出聯(lián)系與區(qū)別，使學(xué)生更好地掌握兩種圖的應(yīng)用。通過啟發(fā)式教學(xué)方法，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置一些小問題，讓學(xué)生帶著問題去學(xué)，促進(jìn)學(xué)生積極思考，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題的意識(shí)，提高他們自主探索解決問題的方法的能力。比如在講系統(tǒng)性能分析時(shí)，讓學(xué)生考慮閉環(huán)零、極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能有何影響，可以讓他們利用所學(xué)知識(shí)來分析問題，同時(shí)也是對(duì)已學(xué)知識(shí)的溫習(xí)和鞏固，并提高他們的綜合分析、解決問題的能力。

（三）多樣化的教學(xué)方式，提高教學(xué)效率

傳統(tǒng)的采用板書和講解結(jié)合的教學(xué)方式，學(xué)生邊聽邊做筆記，這種方式在自動(dòng)控制原理中多數(shù)方程式和傳遞函數(shù)的推導(dǎo)時(shí)應(yīng)用效果不錯(cuò)，便于師生交流。[5]但這種方式常常讓學(xué)生感到內(nèi)容抽象，不知道所學(xué)理論知識(shí)在工程中的實(shí)踐應(yīng)用，而且在根軌跡和頻率特性等圖較多的章節(jié)時(shí)，采用純板書需要花費(fèi)大量時(shí)間。與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，多媒體動(dòng)畫、語音、圖形、圖像直觀新穎，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為課堂提供活力，提高課堂效率，使有意識(shí)的學(xué)習(xí)和無意識(shí)的學(xué)習(xí)相結(jié)合。此外，由于自動(dòng)控制原理課程的復(fù)雜性，引入具有先進(jìn)的視覺化功能、計(jì)算功能和仿真能力的Matlab軟件可以方便地完成系統(tǒng)模型的建立、分析和設(shè)計(jì)中各種復(fù)雜的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的仿真。[5] [6]雖然后續(xù)將開設(shè)“Matlab語言與控制系統(tǒng)仿真”，但在自動(dòng)控制原理講授時(shí)引入Matlab仿真軟件，可以輕松繪制各種曲線，且能動(dòng)態(tài)演示曲線的生成，便于理解和掌握，也可以引導(dǎo)學(xué)生在Matlab平臺(tái)上驗(yàn)證自己的分析結(jié)果，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性，且可以教會(huì)學(xué)生利用這個(gè)工具進(jìn)行系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，為后續(xù)的學(xué)習(xí)和工作做好準(zhǔn)備。

四、實(shí)踐教學(xué)的改革

為了提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，結(jié)合本課程的特點(diǎn)，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合課程重點(diǎn)和難點(diǎn)，增加一些綜合性實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的理解，使學(xué)生把課堂教學(xué)中的理論模型所描述的系統(tǒng)與實(shí)際控制系統(tǒng)聯(lián)系起來；綜合性實(shí)驗(yàn)以典型控制系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，要求學(xué)生運(yùn)用已有的知識(shí)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，觀察并記錄系統(tǒng)的運(yùn)行特性，對(duì)系統(tǒng)各性能指標(biāo)進(jìn)行全面的分析、綜合。

在與理論課時(shí)匹配的16課時(shí)實(shí)驗(yàn)課中，主要利用自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱，結(jié)合課堂教學(xué)知識(shí)展開實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)概念的理解和方法的掌握，要求學(xué)生有一定的動(dòng)手能力。例如在頻率特性實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生能夠利用實(shí)驗(yàn)箱提供的模擬電路單元和信號(hào)發(fā)生器，設(shè)計(jì)并搭建好模擬電路，利用示波器觀察系統(tǒng)的性能，完成一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的開、閉環(huán)頻率特性測(cè)量。而學(xué)生對(duì)各種控制系統(tǒng)的認(rèn)知在后續(xù)課程中將得到更好的拓展，例如在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以對(duì)模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的過程控制裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與控制，將學(xué)過的控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試方法應(yīng)用于實(shí)踐，為畢業(yè)后的實(shí)際工作打下良好的基礎(chǔ)。

五、考核方式的改革

由于自動(dòng)控制原理課程題目計(jì)算量大，難以憑兩個(gè)小時(shí)考試的結(jié)果考查學(xué)生對(duì)相關(guān)概念的理解和對(duì)控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)方法的掌握，我們?cè)诳己朔绞缴线M(jìn)行了一些必要的改革?？己朔譃槠綍r(shí)成績和考試成績，平時(shí)成績占總分的30%，主要包括課堂考勤、課前預(yù)習(xí)情況、課堂參與情況及作業(yè)成績，考試采用閉卷考試，由任課教師出題，按學(xué)校規(guī)定進(jìn)行考試，重點(diǎn)考核系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用和基本概念的理解，占總成績的70%。將自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)獨(dú)立出來作為一門課程，其考核同樣包括平時(shí)成績和考試成績，平時(shí)成績占50%，根據(jù)實(shí)驗(yàn)考勤、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和實(shí)驗(yàn)報(bào)告綜合評(píng)定。這樣要取得好的成績就需要在平時(shí)的學(xué)習(xí)過程中下功夫，僅靠考試前的突擊不再可行。

六、結(jié)語

自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的一門基于實(shí)踐的理論基礎(chǔ)課[3]，只有在教學(xué)過程中不斷學(xué)習(xí)教育理論、積極研究教學(xué)方法、靈活運(yùn)用多種教學(xué)方式，不斷提升自身素質(zhì)，在理論與實(shí)踐結(jié)合的原則下，以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力為基準(zhǔn)，才能深化自動(dòng)控制原理教學(xué)改革，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

[ 注 釋 ]

[1] 胥布工主編.自動(dòng)控制原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2] 鄭長勇.自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2009（4）.

[3] 段納，高慶爭.自動(dòng)控制原理教學(xué)中的問題及對(duì)策探討[J].曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（2）.

[4] 田思慶，吳桂云.“自動(dòng)控制原理”課程的教學(xué)研究與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008（1）.

[5] 周武能，石紅瑞.自動(dòng)控制原理教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教學(xué)研究，2010（1）.

[6] 李振龍，喬俊飛，孫亮等.自動(dòng)控制原理課程體系結(jié)構(gòu)和教學(xué)方法探討[J].教學(xué)研究，2009（2）.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]