基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的機(jī)械類專業(yè)自動(dòng)控制原理特色教學(xué)模式探討

王憲磊 王 偉 裴玖玲 范修文 胡 燦 鄒夢麗

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

基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的機(jī)械類專業(yè)自動(dòng)控制原理特色教學(xué)模式探討

王憲磊 王 偉 裴玖玲 范修文 胡 燦 鄒夢麗

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

結(jié)合機(jī)械類各專業(yè)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，進(jìn)行了自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革，使該課程的理論與機(jī)械工程實(shí)際緊密結(jié)合，通過機(jī)械工程實(shí)例的講解，為學(xué)生樹立了機(jī)械工程意識，提高了學(xué)生利用課本知識解決實(shí)際問題的能力，提高了該課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)應(yīng)用型的合格人才。

機(jī)械類；自動(dòng)控制原理；課程；應(yīng)用型；教學(xué)

1 引言

《自動(dòng)控制原理》是塔里木大學(xué)機(jī)械類各專業(yè)的一門重要的理論基礎(chǔ)課，是專業(yè)控制類課程的核心，也是后續(xù)課程和以后研究生課程的基礎(chǔ)。該課程工程實(shí)踐性強(qiáng)，知識面廣，理論知識和實(shí)際聯(lián)系緊密，若單純講解理論，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足，如果把理論與工程實(shí)際聯(lián)系起來進(jìn)行授課，容易引起學(xué)生學(xué)習(xí)的額積極性和主動(dòng)性。但是現(xiàn)有的自動(dòng)控制原理教材大部分是基于電類專業(yè)背景，缺少與機(jī)械類專業(yè)的工程實(shí)例相結(jié)合，且課程教學(xué)多為理論分析與推導(dǎo)，與機(jī)械類專業(yè)所學(xué)知識結(jié)合困難，因此該課程需要圍繞機(jī)械類各專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，推行面向機(jī)械類專業(yè)特色的自動(dòng)控制原理課程模式，在該課程中培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐意識，培養(yǎng)學(xué)生利用自動(dòng)控制的基本理論去解決機(jī)械工程中的實(shí)際問題，建立與機(jī)械類專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的專業(yè)核心課程。

機(jī)械類各專業(yè)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)主要是使學(xué)生畢業(yè)后側(cè)重面向生產(chǎn)一線，能解決工程實(shí)際中的問題，就要要求學(xué)生在大學(xué)學(xué)習(xí)期間，就要具備這種能力，自動(dòng)控制原理課程作為一門技術(shù)科學(xué)，必須與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)一線的機(jī)電設(shè)備聯(lián)系起來，要在教學(xué)中面向?qū)嶋H工程問題，因此通過該課程的教學(xué)模板探討，實(shí)現(xiàn)理論與工程實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)生的實(shí)踐認(rèn)知能力，培養(yǎng)應(yīng)用型人才，更好的服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2 教學(xué)內(nèi)容的改革與創(chuàng)新

自動(dòng)控制原理所研究的對象包括線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。主要課程內(nèi)容包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。根據(jù)學(xué)校機(jī)械類各專業(yè)現(xiàn)狀，主要講解經(jīng)典控制理論，重點(diǎn)講解自動(dòng)控制的概述、系統(tǒng)建模、時(shí)域分析法、根軌跡法、頻域分析法、穩(wěn)定性分析，對于系統(tǒng)的校正和設(shè)計(jì)僅做一簡單介紹。對于非線性系統(tǒng)，由于學(xué)時(shí)關(guān)系，不做介紹，讓學(xué)生自學(xué)。

該課程中，經(jīng)典控制理論部分的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是拉普拉斯變換和拉普拉斯反變換，因此在教學(xué)過程中要適當(dāng)給學(xué)生復(fù)習(xí)一些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，便于和該課程很好的銜接。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對分析系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，在整個(gè)課程中大部分是數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)分析，在教學(xué)過程中重點(diǎn)要講好數(shù)學(xué)建模，因?yàn)閷ο到y(tǒng)性能分析的準(zhǔn)確程度與所建立的數(shù)學(xué)模型有很大關(guān)系，教學(xué)中對學(xué)生建模思想的講解至關(guān)重要。課程的重點(diǎn)內(nèi)容是反饋控制系統(tǒng)，在介紹系統(tǒng)的多種類型后，引入反饋控制系統(tǒng)，重點(diǎn)講授反饋控制系統(tǒng)的概念、特性、工作性能，進(jìn)一步學(xué)習(xí)討論反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。自動(dòng)控制原理課程的基本原理就是反饋原理，實(shí)際上教學(xué)活動(dòng)也要用到反饋概念，教師要在平時(shí)的課堂教學(xué)中注意觀察學(xué)生的聽課反應(yīng)，還應(yīng)當(dāng)充分利用課間休息時(shí)間對學(xué)生答疑解惑，要多加強(qiáng)和學(xué)生的交流，及時(shí)收集學(xué)生對該課程的反饋信息，對反饋信息及時(shí)消化處理，認(rèn)真對教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，不斷提高教學(xué)效果和質(zhì)量。

時(shí)域分析法、根軌跡法、頻域分析法是分析系統(tǒng)性能的常用方法，時(shí)域分析法是控制系統(tǒng)分析中最為直觀、易于理解，是最常用的分析方法，主要內(nèi)容是一、二階系統(tǒng)和高階系統(tǒng)的時(shí)域分析，涉及到時(shí)域分析的各項(xiàng)指標(biāo)，使學(xué)生對時(shí)域分析法達(dá)到深入的認(rèn)識并且會分析具體的系統(tǒng)模型。對于高階系統(tǒng)的分析要重點(diǎn)介紹高階系統(tǒng)的降階處理方法，僅做一簡單的分析思路，不做具體分析，對高階系統(tǒng)的分析，可以通過MATLAB軟件，利用計(jì)算機(jī)來解決復(fù)雜問題的分析，這對學(xué)生解決實(shí)際間題是很有用的。根軌跡法，主要講授用圖解法來分析系統(tǒng)的性能，重點(diǎn)是給學(xué)生講清楚開環(huán)極點(diǎn)與閉環(huán)極點(diǎn)的關(guān)系，從圖上直觀的講解系統(tǒng)參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響，結(jié)合實(shí)際問題，通過舉大量實(shí)例，利用圖解法，分析系統(tǒng)參數(shù)變化過程中，系統(tǒng)性能的不同變化，使學(xué)生達(dá)到深入的理解和處理能力。頻域分析法也是在頻率特性的圖形表示法上，重點(diǎn)是介紹奈奎斯特圖和伯德圖，學(xué)會用頻域特性的圖形分析系統(tǒng)的性能，并能利用圖解法校正系統(tǒng)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這對學(xué)生以后的工程解決問題能力是非常必要的。

要重視對學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，平時(shí)教學(xué)內(nèi)容中，要給學(xué)生布置系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)和性能指標(biāo)，要求學(xué)生自行選擇設(shè)計(jì)方法、確定設(shè)計(jì)方案和思路，設(shè)計(jì)出符合要求的實(shí)際系統(tǒng)。給學(xué)生重點(diǎn)介紹MATLAB軟件，要求學(xué)生初步學(xué)會該軟件的操作，會利用該軟件幫助進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 教學(xué)方法和手段的改革與實(shí)踐

3.1 精心準(zhǔn)備，講授好緒論

作為課程開端的緒論對整個(gè)課程的講解至關(guān)重要，學(xué)生首次接觸和了解課程的全部都是通過緒論入手，作為控制論基礎(chǔ)的自動(dòng)控制原理課程，必須讓學(xué)生在首次接觸課程的同時(shí)，有更廣闊的視野，不能讓學(xué)生認(rèn)為該課程就是簡略的公式推導(dǎo)和作圖分析，要充分利用現(xiàn)代的教學(xué)手段為學(xué)生展示一個(gè)異常開闊的視野，以此來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和激情。要列舉大量的實(shí)際鮮活控制系統(tǒng)實(shí)例，重點(diǎn)要例舉機(jī)械工程中的實(shí)例，以便更好的與專業(yè)相結(jié)合，引起學(xué)生的興趣，最好能有深情并茂的圖片和具體的視頻展示，讓學(xué)生理解自動(dòng)控制原理課程的重要性，要摒棄傳統(tǒng)的簡單羅列講解，要借助多媒體教學(xué)，讓理論知識與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，樹立學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的思想。在緒論講解中要循序漸進(jìn)，舉例要從簡單的日常生活中的實(shí)例，如介紹全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制、爐溫的自動(dòng)控制、農(nóng)產(chǎn)品加工和檢測中的控制等，這樣的例子學(xué)生易懂，再到復(fù)雜的高科技領(lǐng)域的例子，比如農(nóng)業(yè)自動(dòng)滴灌系統(tǒng)的控制、自動(dòng)導(dǎo)航播種的控制、機(jī)器人的控制、人造衛(wèi)星的控制等，使學(xué)生充分明白自動(dòng)控制的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，授課中教師可以舉例某一個(gè)控制系統(tǒng)，讓學(xué)生自行分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、控制過程、工作情況等，使得學(xué)生用所學(xué)的知識分析實(shí)際系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的濃厚興趣。

3.2 加強(qiáng)對學(xué)生數(shù)學(xué)知識的復(fù)習(xí)

自動(dòng)控制原理課程的另外一個(gè)難點(diǎn)是涉及到大量的數(shù)學(xué)知識，對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高。大部分學(xué)生厭煩數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)，要學(xué)好自動(dòng)控制原理知識，必須具備一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。在自動(dòng)控制原理中，要用到線性定常微分方程的求解、拉普拉斯變換、傅里葉變換、復(fù)數(shù)的幅值和幅角的計(jì)算等數(shù)學(xué)知識。大量的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識常常令學(xué)生感到頭疼，以至于讓學(xué)生分不清楚到底是在學(xué)自動(dòng)控制理論還是在學(xué)數(shù)學(xué)，甚至錯(cuò)誤地認(rèn)為控制理論就是數(shù)學(xué)，特別是對于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不太好的學(xué)生更是顧慮重重，沒有一點(diǎn)自信心，剛開始學(xué)習(xí)就被失敗的陰影籠罩著，這些學(xué)生在學(xué)習(xí)控制理論的過程中，要不斷翻閱數(shù)學(xué)書籍，不斷補(bǔ)充數(shù)學(xué)知識，在學(xué)習(xí)過程中時(shí)時(shí)充滿了挫敗感，致使有的學(xué)生在學(xué)習(xí)中途放棄學(xué)習(xí)。所以，在教學(xué)過程中，教師要適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)對學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識的復(fù)習(xí)指導(dǎo)，在思想上要弱化數(shù)學(xué)在控制理論課程中的地位，不要給學(xué)生加重學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，不要因?yàn)閿?shù)學(xué)知識不好使學(xué)生放棄課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)課程的進(jìn)度，結(jié)合講授內(nèi)容，有計(jì)劃地安排好相關(guān)數(shù)學(xué)知識的提前復(fù)習(xí)，讓學(xué)生提前補(bǔ)充必備的數(shù)學(xué)知識，化整為零，給學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)相對輕松的心理環(huán)境。對于特別重要的部分，要以應(yīng)用為原則，適當(dāng)簡化地穿插到課堂教學(xué)中。

3.3 以系統(tǒng)分析為主線，以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)

整個(gè)自動(dòng)控制原理課程中，數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)分析的內(nèi)容占到 80%左右，其中又以系統(tǒng)分析的內(nèi)容居多，而數(shù)學(xué)模型的建立是系統(tǒng)分析和系統(tǒng)綜合的關(guān)鍵，對系統(tǒng)性能分析的準(zhǔn)確性與所建立的數(shù)學(xué)模型有很大的關(guān)系，如果沒有了這個(gè)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析就成了擺設(shè)，為此教師應(yīng)重點(diǎn)做好數(shù)學(xué)建模的講授。同時(shí)教師還要注意在教學(xué)過程中，應(yīng)當(dāng)遵循系統(tǒng)分析這條主線，結(jié)合一定的機(jī)械工程實(shí)例，進(jìn)行分析訓(xùn)練，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)分析能力，鍛煉學(xué)生能用課本知識解決實(shí)際的機(jī)械工程控制問題。在系統(tǒng)分析能力的培養(yǎng)過程中，通過反復(fù)的工程實(shí)踐分析訓(xùn)練，學(xué)生的系統(tǒng)綜合能力也會自然而然地提高。

3.4 改善教學(xué)手段，利用好多媒體教學(xué)

由于自動(dòng)控制原理課程理論內(nèi)容多，圖形多，信息量大，采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)方式不足以在有限的課程學(xué)時(shí)內(nèi)很好的講授知識，要充分利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)方式即多媒體教學(xué)，進(jìn)一步提高課堂教學(xué)的信息量，利用圖片、聲音、視頻等更直觀的輔助講授課程內(nèi)容，開闊學(xué)生視野，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性。但是由于該課程與數(shù)學(xué)知識緊密聯(lián)系，不能單純采用多媒體教學(xué)，要結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容，對某些結(jié)論的推導(dǎo)過程需要用數(shù)學(xué)分析方法，這時(shí)就要借助于黑板板書，不能用多媒體直接展示，這樣才能引起學(xué)生重視，可以幫助學(xué)生更好地整理數(shù)學(xué)分析前后的思路，做到思維連貫，使學(xué)生加深對內(nèi)容的理解。因此，在課程教學(xué)方式上應(yīng)該采用黑板教學(xué)和多媒體教學(xué)相結(jié)合的方式，不能太單一，要充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，這樣才能取得更好的教學(xué)效果。

3.5 精選案例，強(qiáng)化學(xué)生的機(jī)械工程專業(yè)背景

以培養(yǎng)機(jī)械類專業(yè)應(yīng)用型人才目標(biāo)出發(fā)，該課程的教學(xué)中，必須重視案例教學(xué)，精選機(jī)械工程控制實(shí)例，充分體現(xiàn)該課程在機(jī)械工程領(lǐng)域的重要性。必須從當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)、加工、科研中提取機(jī)械工程實(shí)例來充實(shí)課程教學(xué)。如，在講解自動(dòng)控制系統(tǒng)分類的時(shí)候，講到程序控制系統(tǒng)，就可以選取機(jī)械工程領(lǐng)域中非常重要的加工設(shè)備，即數(shù)控機(jī)床來進(jìn)行分析，給學(xué)生簡單介紹數(shù)控機(jī)床的工程流程，并繪制其控制框圖，同時(shí)假設(shè)數(shù)控機(jī)床處于開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種情況，分別加以分析優(yōu)缺點(diǎn)，使學(xué)生直觀的理解閉環(huán)控制的優(yōu)越性，也明白了自動(dòng)控制在數(shù)控機(jī)床中的重要性。也可以舉例機(jī)械手的控制、工業(yè)過程控制、溫室大棚溫濕度的控制、農(nóng)產(chǎn)品加工自動(dòng)化機(jī)械、農(nóng)業(yè)自動(dòng)收貨機(jī)械、石油化工生產(chǎn)過程控制、造紙、工業(yè)窯爐、煤炭開采、道路交通、飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)等，通過大量的機(jī)械工程實(shí)例，使學(xué)生在學(xué)習(xí)課程的同時(shí)，也強(qiáng)化了學(xué)生的機(jī)械工程專業(yè)背景，體現(xiàn)了該課程在機(jī)械類專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的重要地位。

3.6 針對機(jī)械類不同專業(yè)，制作精美課件

由于塔里木大學(xué)機(jī)械類不同專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)有差異，所以自動(dòng)控制原理課程學(xué)時(shí)數(shù)各專業(yè)也不一致，具體來說機(jī)電專業(yè)學(xué)時(shí)數(shù)多一些，機(jī)制專業(yè)學(xué)時(shí)數(shù)次之，農(nóng)機(jī)專業(yè)學(xué)時(shí)數(shù)最少。因此，必須根據(jù)不同專業(yè)，不同學(xué)時(shí)數(shù)，要提煉教學(xué)素材，擴(kuò)展知識信息，制作精美課件。針對不同專業(yè)，例舉的機(jī)械工程實(shí)例，也要與專業(yè)相結(jié)合，在課件中也要體現(xiàn)出來，教師要制作適合自己教學(xué)，體現(xiàn)自己風(fēng)格的課件，不能直接使用網(wǎng)上下載或出版社提供的課件，應(yīng)該把課件再加工，加入了自己準(zhǔn)備的教學(xué)素材和案例，體現(xiàn)出教師的教學(xué)準(zhǔn)備，通過圖文并茂的課件，豐富了教學(xué)信息，提高了教學(xué)效果。

4 結(jié)束語

結(jié)合機(jī)械類不同專業(yè)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，進(jìn)行了自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)模式探討，提出了在課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段上的一些改進(jìn)措施，為學(xué)生樹立了機(jī)械工程意識，提高了學(xué)生應(yīng)用課本理論知識分析實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)的能力，提高了課程的教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)。隨著自動(dòng)控制原理的研究不斷深入，控制內(nèi)容不斷更新發(fā)展，在教學(xué)過程中要不斷更新教學(xué)內(nèi)容，擴(kuò)展新知識，探索新方法，力求使學(xué)生的知識水平和實(shí)踐能力都不斷提高和進(jìn)步，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出合格的工程應(yīng)用型人才。

［1］ 梁雙翼，尹輝俊，宋世柳.面向?qū)嵺`能力培養(yǎng)的《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》教學(xué)探索［J］.裝備制造技術(shù)，2012，（3）：195-196.

［2］ 宋強(qiáng)，鮑雅萍.機(jī)械專業(yè)“控制工程基礎(chǔ)”課程的教學(xué)改革與探索［J］.中國電力教育，2010，（10）：60-61.

［3］ 陳延明.自動(dòng)控制理論課程教學(xué)方法探討［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會科學(xué)版），2006，（10）：91-92.

［4］ 孟令雅.自動(dòng)控制理論教學(xué)漫談［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（1）：48-50.

［5］ 程淑紅.自動(dòng)控制理論教學(xué)改革的思路與實(shí)踐［J］.教學(xué)研究，2006，（5）：433-436.

Discussion on the teaching mode of automatic control principle of mechanical specialty based on applied talents training

Combined with the application type talents of various kinds of machinery professional training target， the automatic control principle course teaching content， teaching method and teaching means reform， make the curriculum theory and mechanical engineering actual close union， through mechanical engineering examples to explain， for students to establish mechanical engineering consciousness， to improve the ability of students to use the textbook knowledge to solve practical problems， improves the teaching quality of the course， the application of training of qualified personnel.

Machinery； principle of automatic control； course； application type； teaching

G642

A

1008-1151（2016）01-0092-03

2015-12-11

塔里木大學(xué)高教研究項(xiàng)目（TDGJ1534）。

王憲磊（1983-），男，陜西子洲人，塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院講師，碩士，從事電氣類課程教學(xué)工作以及電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方面的研究。

王偉（1979-），男，遼寧沈陽人，塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院副教授，碩士，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備設(shè)計(jì)理論及關(guān)鍵技術(shù)。