基于CDIO的《自動控制原理》教學(xué)改革與實踐

裴玖玲 孫少杰

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300）

《自動控制原理》是農(nóng)業(yè)工程類學(xué)生的重要基礎(chǔ)課，也是一門理論性和工程實踐性均較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗和學(xué)生的反饋，傳統(tǒng)的教學(xué)存在教學(xué)內(nèi)容和方式陳舊、落后；教學(xué)方法偏重填鴨式、缺乏啟發(fā)引導(dǎo)，學(xué)生對實際問題缺乏感性認(rèn)識，很難將所學(xué)知識用于工程實踐理論和實踐脫節(jié)。鑒此，在總結(jié)傳統(tǒng)教學(xué)經(jīng)驗和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，遵循理論聯(lián)系實踐的原則，利用CDIO工程教育理念[1]，結(jié)合MATLAB在控制領(lǐng)域的潛在教學(xué)功能，對該門課程的理論教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和實踐教學(xué)幾個方面，進(jìn)行了有益的實踐和探索。

1 CDIO工程教育理念和內(nèi)涵

CDIO是由MIT和瑞典幾所大學(xué)，經(jīng)過研究、探索和實踐，創(chuàng)立的工程教育模式。該教育模式是以產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行全生命周期為背景的教育理念為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間具有有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)，獲取工程能力。CDIO工程教學(xué)模采用現(xiàn)代教學(xué)手段、創(chuàng)新教學(xué)模式和新的學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)生提供接近工程實際的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，并為學(xué)生提供有助于理解和記憶這些抽象概念的實際應(yīng)用機(jī)會。融入CDIO的《自動控制原理》課程改革，就是要貫徹CDIO，加強(qiáng)課程理論教學(xué)和實踐的結(jié)合，在實踐環(huán)節(jié)、課堂討論中注意著重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、實踐能力、團(tuán)隊合作等綜合素質(zhì)。

2 理論教學(xué)改革

2.1 教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化是教學(xué)改革的重要環(huán)節(jié)，是提高教學(xué)質(zhì)量的核心[2]。根據(jù)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的運用數(shù)學(xué)力度大，抽象性強(qiáng)，計算復(fù)雜，學(xué)生感到難學(xué)的問題，結(jié)合農(nóng)業(yè)工程院校人才培養(yǎng)目標(biāo)的需要，對原有的課程內(nèi)容進(jìn)行了更新、充實和調(diào)整。教學(xué)內(nèi)容改革上，我們的宗旨是：對教學(xué)大綱中的重點內(nèi)容，首先進(jìn)行基本概念、基本原理、基本分析方法的講解，并且講深講透；而對一些定理只要知道正確性和滿足條件即可，不追求其證明過程；針對農(nóng)業(yè)工程類學(xué)生選擇合適的教材內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生所熟悉的工程實例，使學(xué)生有比較容易的切入點，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

這樣，經(jīng)過教學(xué)改革，我們最終確定的課程內(nèi)容是：介紹自動控制系統(tǒng)的基本概念、工作原理和基本構(gòu)成；自動控制系統(tǒng)的建模；自動控制系統(tǒng)時域、頻域分析及自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(校正)；傳遞函數(shù)和頻率特性的求取方法；自動控制系統(tǒng)的時域、頻域性能指標(biāo)的分析；利用頻率法進(jìn)行自動控制系統(tǒng)的設(shè)計；非線性系統(tǒng)和離散線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計等。

2.2 教學(xué)方法的改革

課堂教學(xué)是學(xué)生獲取知識的主要途徑和方式，授課質(zhì)量的好壞直接影響著教學(xué)效果。為了在有限的學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生熟練掌握控制理論的基本原理，加強(qiáng)能力的培養(yǎng)，我們在講課當(dāng)中結(jié)合生活實例，融合項目教學(xué)[3]，注重結(jié)合實際的工程背景，對系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計，從實際控制系統(tǒng)中了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、工作原理。例如針對我校農(nóng)業(yè)機(jī)械及其自動化專業(yè)的學(xué)生，我們以我校的溫室大鵬為例，通過建立它的微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)框圖、信號流圖這幾種不同的數(shù)學(xué)模型來建立個模型的聯(lián)系，來加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解。針對直流電機(jī)、異步交流電機(jī)在日常生活中的廣泛應(yīng)用，我們課堂中先介紹直流、交流電動機(jī)的工作原理，然后根據(jù)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，建立它的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行系統(tǒng)分析，最后在實驗室通過實際安裝接線來驗證系統(tǒng)，分析系統(tǒng)。

通過項目教學(xué)，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生思考：用什么樣的控制方式可以基本達(dá)到控制目的；用什么控制方式可以產(chǎn)生良好的控制效果；用什么控制方式可以達(dá)到最優(yōu)的控制效果。若課堂上完不成，要求學(xué)生課后思考、查找資料，然后去尋求解答。老師在學(xué)生歸納的基礎(chǔ)上再做一總結(jié)。這樣，不僅極大地激發(fā)了學(xué)生探索學(xué)習(xí)的欲望，給學(xué)生以探索的空間，也培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力。

2.3 教學(xué)手段的改革

現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)手段具有直觀、形象、新穎、趣味等特點。除了采用常用的多媒體教學(xué)手段PPT外，我們還把MATLAB仿真軟件作為教學(xué)工具，通過仿真演示，使得抽象的理論、概念變得更加通俗易懂。例如我們可以利用MATLAB軟件編寫M程序仿真系統(tǒng)的輸出波形，系統(tǒng)的根軌跡、系統(tǒng)的伯德圖和奈奎斯特曲線等，使學(xué)生對理論知識有了更深刻的認(rèn)識。而且，通過課堂上的實際演示，使學(xué)生能夠更好地掌握MATLAB軟件的使用方法，同時節(jié)省了手工繪圖的大量時間。又例如以往在講到非線性環(huán)節(jié)及其對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響時,只能給出一些抽象的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和理論分析,學(xué)生缺乏具體的認(rèn)識。把MATLAB軟件引入到教學(xué)中后，針對一個具體系統(tǒng),利用軟件中的SIMULINK建模，引入不同的非線性環(huán)節(jié)，通過改變參數(shù),就可觀察仿真結(jié)果，對比系統(tǒng)性能,使學(xué)生能夠直觀地認(rèn)識到非線性系統(tǒng)的性能及非線性環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,從而提出改善系統(tǒng)性能的方法。

另外，為了能夠給學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，我們還建立了資源豐富的自動控制理論課程網(wǎng)站。網(wǎng)站不僅包含了授課課件、教學(xué)視頻錄像等內(nèi)容，還提供了交互式的學(xué)習(xí)平臺，教師和學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)自由的討論和交流。

3 實踐教學(xué)改革

實踐是理論聯(lián)系實際的橋梁，是將將知識轉(zhuǎn)化為能力的重要步驟。我們將“自動控制原理”實踐教學(xué)分為四大模塊[5]：一是基于Matlab軟件的計算機(jī)仿真實驗；二是在實驗臺上完成的實驗；三是生產(chǎn)現(xiàn)場參觀和實習(xí)實踐；四是結(jié)合課程設(shè)計綜合設(shè)計。

利用MATLAB軟件，編寫M程序或畫Simulink仿真圖，能夠完成本課的大部分試驗，既可完成驗證性試驗，又可完成設(shè)計性和綜合性試驗。根據(jù)理論課堂上老師MATLAB的仿真演示和學(xué)生課余時間的自學(xué)，老師只需提供仿真題目，由學(xué)生在自己電腦上獨立完成，教師在課外輔導(dǎo)并檢查即可。這種MATLAB仿真實驗，既對硬件進(jìn)行補(bǔ)充和完善，又可以完成硬件實驗不能完成的試驗，對知識的理解和掌握起到很好的作用。

本校試驗室可以完成教學(xué)大綱要求的硬件試驗。實驗內(nèi)容包括驗證性實驗、綜合性實驗。驗證性主要強(qiáng)化學(xué)生對理論知識的理解和消化，內(nèi)容有使用運算放大電路模擬典型環(huán)節(jié)，二階系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析，系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性等。綜合性實驗是學(xué)生在了解和掌握了驗證性實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，內(nèi)容有PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計、線性系統(tǒng)的串聯(lián)、并聯(lián)校正、直流電機(jī)調(diào)速等。以往實驗安排都是理論課堂全部結(jié)束，集中學(xué)時做實驗。因理論課與實驗課脫節(jié)，學(xué)生缺乏理論知識，也只是按照書中電路圖連連線，寫寫實驗報告，缺乏深入研究。為了改變傳統(tǒng)實踐教學(xué)弊端，我系特別進(jìn)行了實驗安排改革。把課程的全部實驗融入到理論教學(xué)中來，理論教學(xué)一講完，立刻進(jìn)行實踐教學(xué)，使學(xué)生對所學(xué)理論有強(qiáng)烈的感性認(rèn)識。為了避免實驗安排與別的班級沖突，在學(xué)期的第一周系全部老師開會，統(tǒng)一安排實驗課表。

生產(chǎn)現(xiàn)場參觀和實習(xí)實踐部分，剛開始上課時，因要融合項目教學(xué)，可以帶領(lǐng)學(xué)生到本校植科院溫室大棚，動科院的飼料中心，周邊紅棗加工廠，食品加工廠、天山雪米農(nóng)業(yè)有限責(zé)任公司等，熟悉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的自動控制工程實例，增加自動控制系統(tǒng)的感性認(rèn)識，為課程學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。

課程設(shè)計是一項綜合性較強(qiáng)的工作，它要求學(xué)生在具備了一定的實驗?zāi)芰Φ幕A(chǔ)上，把所學(xué)到的電子技術(shù)、控制元件、傳感器、自動控制原理、仿真方法、計算機(jī)等知識進(jìn)行綜合，用科學(xué)的方法，技術(shù)來分析、解決實際問題。結(jié)合生活實例，指導(dǎo)老師可以提供設(shè)計題目，例如糧食倉庫的濕度控制系統(tǒng)設(shè)計、溫度控制系統(tǒng)設(shè)計，紅棗的自動清洗系統(tǒng)設(shè)計等，由學(xué)生分組完成，老師進(jìn)行課外指導(dǎo)就行。這些具有創(chuàng)新性和設(shè)計性的課程設(shè)計，可以提高學(xué)生的工程實踐能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。

4 結(jié)束語

把CDIO工程教育模式引入到《自動控制原理》課程的教學(xué)改革過程中,通過以上幾個方面的努力,對我校農(nóng)業(yè)工程類學(xué)生做了三屆的教學(xué)實踐，取得了明顯的教學(xué)效果。希望在今后的教學(xué)改革之路上，能為我校農(nóng)業(yè)工程類專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量的提高和較高綜合素質(zhì)的工程人才的培養(yǎng)貢獻(xiàn)力量。

［1］王剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考[J].中國高教研究,(5)：86-87.

［2］齊燦,鄧維.CDIO模式下《計算機(jī)操作系統(tǒng)》課程教學(xué)改革與探索[J].2013(1).

［3］孔德彭,孔德輝.項目教學(xué)法在電氣控制及PLC中的應(yīng)用[J].中國電力教育,2012,24：50-51.