熱工自動(dòng)控制原理教學(xué)改革與實(shí)踐

謝七月 陳志盛

摘 要 熱工自動(dòng)控制原理是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)及建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)的主干課程之一，具有理論性強(qiáng)、涉及面廣等特點(diǎn)。為了激發(fā)學(xué)生的興趣，提高分析問題與解決問題的能力，探討了在熱工自動(dòng)控制原理教學(xué)過程中的改革措施。實(shí)踐表明，教學(xué)改革取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞 熱工自動(dòng)控制原理 教學(xué)改革 實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.03.058

Teaching Reform of Thermal Automatic Control Principle with Practice

XIE Qiyue， CHEN Zhisheng

（School of Energy and Power Engineering， Changsha University of

Science & Technology， Changsha， Hu'nan 410076）

Abstract Thermal automatic control principle is one of the major professional courses for both thermal energy and power engineering major and building environment and equipment major， which has a strong theoretical characteristics and involves wide field. In order to stimulate students' interest on the study and improve the ability of analyze and solve problems， the reform measure on the teaching process of thermal automatic control principle is discussed. Practice shows that the teaching reform has achieved good effect.

Key words thermal automatic control principle; teaching reform; practice

熱工自動(dòng)控制原理是長沙理工大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)及建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)的主干課程之一，是課堂教學(xué)為主實(shí)驗(yàn)為輔的理論性課程，本課程主要講授經(jīng)典控制理論與熱工過程控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)中的基本原理和基本內(nèi)容。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握自動(dòng)控制的基本原理和基本分析方法，初步具備分析與解決熱工過程控制中的常見問題的能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)熱工過程控制系統(tǒng)等專業(yè)課，以及將來從事自動(dòng)化方面的工作打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高工程分析問題與解決問題的能力，熱工自動(dòng)控制原理教研組在教學(xué)過程中，進(jìn)行了教學(xué)改革探索并予以實(shí)踐。

1 教學(xué)大綱的修訂

教學(xué)大綱是一門課程的教學(xué)綱要，予以指導(dǎo)課程教學(xué)的全部過程。由于該課程教學(xué)面向熱能與動(dòng)力工程專業(yè)及建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)的學(xué)生，因此熱工自動(dòng)控制原理教研組組織多次討論，認(rèn)真研究這兩個(gè)專業(yè)的最新培養(yǎng)計(jì)劃，堅(jiān)持以夯實(shí)基礎(chǔ)、強(qiáng)化素質(zhì)教育、培養(yǎng)創(chuàng)新能力和工程能力為培養(yǎng)目標(biāo)，于2013年重新修訂了“熱工自動(dòng)控制原理”的教學(xué)大綱。

（1）大綱規(guī)定了講授學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，明確了課程性質(zhì)與教學(xué)目的及基本要求。根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案，總學(xué)時(shí)由64調(diào)整為48，其中講授42個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)。明確指出該課程適于非自動(dòng)化專業(yè)（熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)），屬性為專業(yè)基礎(chǔ)課。目的在于使學(xué)生掌握有關(guān)經(jīng)典控制理論的基本概念、基本理論和基本方法，能夠?qū)?jīng)典控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，解決實(shí)際中的相關(guān)問題。要求學(xué)生掌握：自動(dòng)控制的基本概念;控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其描述方法;掌握線性控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法、根軌跡法、頻域分析法以及熱工對象和工業(yè)調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性。

（2）大綱指明了教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，對教學(xué)方法、課程知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)及學(xué)時(shí)分配提出了具體建議。根據(jù)課程特點(diǎn)以及學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，精簡了重點(diǎn)內(nèi)容，包括：控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，線性系統(tǒng)的三種分析方法;線性系統(tǒng)的校正。難點(diǎn)調(diào)整為數(shù)學(xué)模型的建立與頻域特性分析。課程知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)及學(xué)時(shí)簡況如下：第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念有四個(gè)知識(shí)點(diǎn)，建議學(xué)時(shí)4個(gè);第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型三個(gè)知識(shí)點(diǎn)，建議學(xué)時(shí)8個(gè);第三章熱工對象與自動(dòng)調(diào)節(jié)器2個(gè)知識(shí)點(diǎn)，4學(xué)時(shí);第四章線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法4個(gè)知識(shí)點(diǎn)，12學(xué)時(shí);第五章線性系統(tǒng)的根軌跡法4個(gè)知識(shí)點(diǎn)，8學(xué)時(shí);第六章線性系統(tǒng)的頻域分析法4個(gè)知識(shí)點(diǎn)，12學(xué)時(shí)。

（3）大綱還安排了實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件及內(nèi)容、作業(yè)要求、考核方式與要求、教材與主要參考書。

2 教案講義的更新

教案是教師為順利有效開展教學(xué)活動(dòng)，依據(jù)教學(xué)大綱和參考教材要求及學(xué)生的實(shí)際情況實(shí)施教學(xué)計(jì)劃與組織課程教學(xué)的方案，即為教學(xué)程序。課程教研組在教學(xué)中一直選用陳紹炳與于向軍編著的《熱工過程自動(dòng)控制原理》作為參考教材，①所選教材內(nèi)容比較全面，適合熱工過程相關(guān)專業(yè)的。但是，由于控制理論與仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，所選教材部分內(nèi)容就有點(diǎn)跟不上技術(shù)更新發(fā)展，例如大部分自動(dòng)控制原理的教材都增加了Matlab仿真內(nèi)容，這樣便于學(xué)生課后自己上機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。為此，根據(jù)修訂的教學(xué)大綱，參考國內(nèi)外有關(guān)自動(dòng)控制原理與Matlab控制系統(tǒng)仿真相關(guān)教材，結(jié)合課程教研組近幾年的教學(xué)與科研成果，重新編寫了“熱工自動(dòng)控制原理”課程的教案與內(nèi)部講義，重點(diǎn)考慮了教學(xué)過程中所舉例子的Matlab實(shí)現(xiàn)。

3 教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

“熱工自動(dòng)控制原理”課程內(nèi)容涉及微積分、復(fù)變函數(shù)與積分變換、線性代數(shù)、大學(xué)物理以及電子電工技術(shù)等課程的知識(shí)。根據(jù)教學(xué)大綱以及學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，熱工自動(dòng)控制原理主要以熱工過程中帶有負(fù)反饋裝置的閉環(huán)系統(tǒng)為討論對象。課程主要內(nèi)容可分為自動(dòng)控制的一般概念、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、熱工對象與自動(dòng)調(diào)節(jié)器、線性系統(tǒng)的時(shí)域分析、線性系統(tǒng)的根軌跡法、控制系統(tǒng)的頻域分析法等六部分內(nèi)容。研究對象主要均為線性系統(tǒng)，因此可以在時(shí)域、復(fù)數(shù)域、頻域等不同的數(shù)學(xué)環(huán)境中進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。對于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分別是：微分方程，傳遞函數(shù)及其頻率表達(dá)式，這三種數(shù)學(xué)模型可以根據(jù)不同域中變量間的關(guān)系進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，對應(yīng)的分析方法分別為時(shí)域法、根軌跡法與頻域法。②由于很多學(xué)生并沒選修復(fù)變函數(shù)與積分變換，因此在控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型教學(xué)中，利用2個(gè)學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)拉普拉斯變換，從而便于學(xué)生對傳遞函數(shù)的學(xué)習(xí)。

4 教學(xué)方式與方法的優(yōu)化

運(yùn)用經(jīng)典控制理論中的反饋控制理論指導(dǎo)教學(xué)的互動(dòng)過程。已設(shè)定教學(xué)目標(biāo)，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的反饋，不斷調(diào)整教學(xué)方式與方法作為調(diào)節(jié)器，最終使得教學(xué)效果趨向教學(xué)目標(biāo)。

（1）探索雙語教學(xué)方式，逐步取代傳統(tǒng)的漢語單一語言的教授方式。一方面，由于自動(dòng)控制原理中的大部分基本概念與原理的原文都是用英語表述的，只采用中文教授，難以讓學(xué)生全面掌握，雙語教學(xué)則可幫助學(xué)生全面理解并掌握;另一方面，通過雙語教學(xué)，使得學(xué)生熟悉熱工自動(dòng)控制原理涉及的專業(yè)用語，③為學(xué)生將來閱讀熱工自動(dòng)控制原理的英文文獻(xiàn)或撰寫英文論文打好基礎(chǔ)。

（2）豐富考核方式，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。教學(xué)大綱規(guī)定了考核方式分為：知識(shí)考核占總成績的80%，主要采用期末書面閉卷考試方式來評(píng)定;能力考核占總成績的20%，其中作業(yè)、質(zhì)疑、課堂討論和自由選題報(bào)告等素質(zhì)評(píng)定占10%，實(shí)驗(yàn)課成績占10%。特別強(qiáng)化能力考核，嚴(yán)格把關(guān)考核能力評(píng)定各環(huán)節(jié)，不定期進(jìn)行隨堂測試，并規(guī)定能力考核成績不及格的不能參與期末考試，即使允許參加考試，期末考核總成績直接記為不及格，從而使得學(xué)生高度重視平時(shí)的學(xué)習(xí)，改變“平時(shí)不努力，考試靠突擊”的學(xué)風(fēng)。

（3）課堂教學(xué)以引導(dǎo)學(xué)生隨堂消化吸收知識(shí)點(diǎn)與掌握學(xué)習(xí)方法為目標(biāo)，采用多媒體與板書結(jié)合的教學(xué)手段。多媒體教學(xué)可以增大課堂教學(xué)內(nèi)容的信息量大，綜合了文字、圖形、視頻、動(dòng)畫等多媒體的優(yōu)點(diǎn)，④但絕不能替代板書在展現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的發(fā)生形成過程中的作用，因此必須有機(jī)集合多媒體與板書的教學(xué)手段。在涉及理論公式推導(dǎo)時(shí)，采用板書，通過逐步演算加深學(xué)生的理解。在講解根軌跡、響應(yīng)曲線和奈奎斯特圖時(shí)，結(jié)合板書將圖形的繪制過程分步驟呈現(xiàn)出來，從而幫助學(xué)生掌握對應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。

（4）為了方便學(xué)生答疑，課前預(yù)習(xí)與課后復(fù)習(xí)，熱工自動(dòng)控制原理教學(xué)過程中積極引入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)中，教師及時(shí)上傳教學(xué)大綱，按課次上傳多媒體課件，布置作業(yè)與批改作業(yè)。學(xué)生可以隨時(shí)提問，教師及時(shí)回答疑難問題，大大增強(qiáng)了師生的互動(dòng)，提高了教學(xué)效果。

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

本世紀(jì)以來，控制理論發(fā)展迅速，尤其是在非線性控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、智能控制等方向取得了突破性的進(jìn)展，但先進(jìn)控制理論在實(shí)際生產(chǎn)過程中的應(yīng)用難以推進(jìn)。因此在熱工自動(dòng)控制原理的教學(xué)過程中要強(qiáng)化理論聯(lián)系實(shí)踐，課程教研組高度重視熱工自動(dòng)控制原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并對實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了探討。

（1）依據(jù)熱工自動(dòng)控制原理教學(xué)大綱，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。本課程開設(shè)三個(gè)設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，包括典型環(huán)節(jié)（熱工對象）的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)、二階系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)及線性系統(tǒng)根軌跡分析與頻域分析的Matlab仿真與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。由于課時(shí)的限制，為了掌握Matlab仿真工具，安排學(xué)生利用課外時(shí)間進(jìn)行四個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

（2）由任課老師與實(shí)驗(yàn)室老師共同承擔(dān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，推倒課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)之間的傳統(tǒng)壁壘。任課老師可以根據(jù)學(xué)生上課與作業(yè)情況，知曉學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，在實(shí)驗(yàn)過程中指導(dǎo)學(xué)生，而后根據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的問題，及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容與方法，從而使得課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互促進(jìn)。

6 總結(jié)

近幾年的教學(xué)過程中，課程教研組對“熱工自動(dòng)控制原理”教學(xué)改革進(jìn)行了探索，分別從教學(xué)大綱的修訂、教案講義的更新、教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整、教學(xué)方式與方法的優(yōu)化以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革等方面進(jìn)行了深入改革。通過熱工自動(dòng)控制原理的教學(xué)，加深了學(xué)生對熱工控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)理論知識(shí)的整體認(rèn)識(shí)，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，提升了教學(xué)效果，為熱能與動(dòng)力工程專業(yè)以及建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)的學(xué)生奠定了重要的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。

*通訊作者：謝七月

注釋

①陳紹炳，于向軍.熱工過程自動(dòng)控制原理[M].東南大學(xué)出版社，2003.

②李可，趙德安.自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革探討[J].科教導(dǎo)刊，2014.9（中）：170-171.

③黃永紅.熱工自動(dòng)控制原理課程多媒體雙語教學(xué)實(shí)踐與研究[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2009.26（11）：142.

④郭曉光.多媒體教學(xué)與板書教學(xué)的再認(rèn)識(shí)[J].中國教育學(xué)刊，2014.2：71-74.