高職院校中《自動控制基礎(chǔ)》課程教學(xué)探討

張麗

摘 要：本文從課程設(shè)置、課程目標(biāo)、課程設(shè)計(jì)、課程實(shí)施、考核方案與教學(xué)評價，課程特色及展望這六個方面，探討高職院校中《自動控制基礎(chǔ)》課程的教學(xué)。

關(guān)鍵詞：高職 自動控制基礎(chǔ) 課程設(shè)計(jì)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1578（2016）04-0038-02

自動控制技術(shù)的發(fā)展，推動各行各業(yè)的發(fā)展，應(yīng)用廣泛！比如在航空航天、軍事、交通、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、消費(fèi)類電子領(lǐng)域都離不開自動控制技術(shù)的運(yùn)用，學(xué)習(xí)自動控制技術(shù)是適應(yīng)時代發(fā)展之必須。

1 課程設(shè)置

高職教育不同于普通高等教育，它的專業(yè)設(shè)置和課程設(shè)置指導(dǎo)思想都是以服務(wù)為宗旨，以就業(yè)為導(dǎo)向。針對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，我們進(jìn)行了廣泛的市場調(diào)研，重點(diǎn)調(diào)研了長三角地區(qū)高職畢業(yè)生的主要就業(yè)崗位，需要具備的職業(yè)能力及從業(yè)資格證書等問題。通過崗位的典型工作任務(wù)，職業(yè)能力分析，歸納出職業(yè)行動領(lǐng)域，然后根據(jù)我系的實(shí)際教學(xué)條件，實(shí)訓(xùn)條件，將職業(yè)行動領(lǐng)域轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)領(lǐng)域，構(gòu)建了《自動控制基礎(chǔ)》這門課程，同時制定了課程標(biāo)準(zhǔn)。該課程是機(jī)電一體化專業(yè)的拓展課，共52學(xué)時左右，開設(shè)在大二的第二學(xué)期。

《自動控制基礎(chǔ)》是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。它能夠培養(yǎng)學(xué)生的邏輯能力和抽象思維能力，它包括許多工程概念和方法的學(xué)習(xí)，能夠培養(yǎng)學(xué)生處理工程問題的能力。該課程內(nèi)容豐富，發(fā)展快，具有一定的深度和難度，是普遍適用的方法論。

2 課程目標(biāo)

該課程的總體學(xué)習(xí)目標(biāo)是：要求學(xué)生掌握自動控制的基本概念和原理，并具備對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、計(jì)算、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的初步能力，從理論上為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)創(chuàng)造必要的條件，為學(xué)生將來從事機(jī)電一體化、電氣、應(yīng)用電子、數(shù)控專業(yè)的工程技術(shù)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

知識目標(biāo)是：（1）掌握自動控制的基本原理及基本概念。（2）熟練掌握典型自動控制系統(tǒng)的組成及數(shù)學(xué)模型的建立和研究方法。（3）熟練掌握傳遞函數(shù)及其在系統(tǒng)分析中的應(yīng)用。

（4）掌握反饋控制原理的應(yīng)用以及分析和設(shè)計(jì)的一般規(guī)律。

能力目標(biāo)是：（1）對線性定常連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析、定量估算和初步設(shè)計(jì)的能力。（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算以及利用已掌握的自動控制知識分析問題的能力。（3）培養(yǎng)運(yùn)用科學(xué)“方法論”和系統(tǒng)的理念來解決生產(chǎn)甚至是生活中實(shí)際問題的能力、相關(guān)實(shí)踐動手能力、綜合應(yīng)用能力、學(xué)習(xí)能力、工作能力和創(chuàng)新思維能力。

3 課程設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)理念

本門課程設(shè)計(jì)的基本理念是：以職業(yè)能力的培養(yǎng)為最根本出發(fā)點(diǎn)，堅(jiān)持理論學(xué)習(xí)必須、夠用為度的原則，突出應(yīng)用、服務(wù)于專業(yè)。

3.2教材的選取

我們選用大連理工大學(xué)出版社郝云主編的《自動控制原理及應(yīng)用》作為本門課程的教材，選用黃堅(jiān)主編的《自動控制原理及其應(yīng)用》和陳瑞華主編的《自動控制原理及其應(yīng)用》作為參考教材。

該教材的特點(diǎn)是：遵循”講透理論，重在應(yīng)用“的原則，突出一條”主線“——對控制系統(tǒng)性能的基本要求：“穩(wěn)”、“準(zhǔn)”、“快”。注重課程的體系結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)自動控制的基本概念，基本原理和基本分析方法，內(nèi)容精煉，重點(diǎn)突出，不糾纏推導(dǎo)細(xì)節(jié)。在理論完整的前提下，內(nèi)容深入淺出，注重能力的培養(yǎng)，幫助學(xué)生樹立工程意識。為便于學(xué)生的學(xué)習(xí)和對知識的理解運(yùn)用，各章都配有典型例題，不同層次的習(xí)題和答案，使學(xué)生能真正掌握知識點(diǎn)。注意將傳統(tǒng)控制理論與計(jì)算機(jī)的應(yīng)用相結(jié)合，引入了風(fēng)靡世界的Matlab軟件，不僅介紹了軟件在控制系統(tǒng)的輔助分析和設(shè)計(jì)時

的編程方法，還結(jié)合仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

3.3授課內(nèi)容

本門課程的教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)是：控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立；控制系統(tǒng)的時域和頻域分析。

筆者對于重點(diǎn)、難點(diǎn)的處理包括：（1）傳統(tǒng)的講解法。采用板書和講解相結(jié)合，注意講解節(jié)奏適度，使學(xué)生有時間思考和記筆記，教師與學(xué)生直接交流，反饋信息直接，是學(xué)生從小到大習(xí)慣，教師具有豐富經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)方式，容易得到發(fā)揮，應(yīng)該繼承和發(fā)揚(yáng)。比如，使用在傳遞函數(shù)的講解和結(jié)構(gòu)圖的化簡中。（2）案例教學(xué)法。例如，在講解控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖的畫法時，筆者結(jié)合生活中汽車駕駛的實(shí)例，帶領(lǐng)學(xué)生建立汽車駕駛控制的結(jié)構(gòu)框圖，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在講解控制系統(tǒng)的閉環(huán)負(fù)反饋概念中，筆者結(jié)合身邊的實(shí)例，家里的全自動洗衣機(jī)在放水后不能自動運(yùn)行，問題出現(xiàn)在哪里？是不是電路的內(nèi)部發(fā)生了故障？引發(fā)學(xué)生展開討論。（3）Matlab教學(xué)仿真：例如在第三章控制系統(tǒng)的時域分析中，我讓學(xué)生通過將單位階躍輸入不同的自動控制系統(tǒng)，觀察輸出波形，得到不同系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

4 課程實(shí)施

筆者對于本門課程的總體設(shè)計(jì)安排是：（1）重視理論教學(xué)。課堂講授中注意基本概念與基本方法的介紹、注重理論聯(lián)系實(shí)際，結(jié)合工控領(lǐng)域中大量控制系統(tǒng)的實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行分析，提高學(xué)生分析問題的能力；（2）根據(jù)教學(xué)內(nèi)容適量安排習(xí)題課，組織學(xué)生開展討論，通過對典型例題的分析，提高學(xué)生分析和解決問題的能力；（3）充分利用學(xué)校機(jī)房、實(shí)驗(yàn)室相關(guān)設(shè)備，讓學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，提高其動手能力；（4）動員學(xué)生積極參加課外科技制作，如：數(shù)學(xué)建模、電子制作、機(jī)器人大賽等，綜合運(yùn)用自控原理、電子技術(shù)等相關(guān)知識解決實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問題，從而實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)際、課內(nèi)與課外、傳授知識與創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合。

下面就第二章的第一節(jié)微分方程的建立這一次課來說明筆者的教學(xué)組織。微分方程的建立是學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模的第一道難關(guān)。將現(xiàn)實(shí)生活中的各種實(shí)際情況進(jìn)行抽象對學(xué)生的邏輯抽象表達(dá)能力要求較高，而學(xué)生的基礎(chǔ)起點(diǎn)低，可能在高數(shù)的學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)產(chǎn)生了對微分方程的畏難情緒，不能夠準(zhǔn)確理解微分方程的物理意義。所以在教學(xué)方法的策略上，我運(yùn)用了人類的認(rèn)知規(guī)律，從“知其然”出發(fā)，把啟發(fā)式教學(xué)貫穿于整個教學(xué)過程，通過探究性實(shí)驗(yàn)或多媒體仿真，把抽象的理論知識難度降低，達(dá)到突破難點(diǎn)，幫助學(xué)生化難為易，去尋求其所以然，從而達(dá)到“知其然”又“知其所以然”的完美效果，讓學(xué)生輕松愉快充滿信心地完成學(xué)習(xí)。

本次課共分為6個教學(xué)步驟：（1）復(fù)習(xí)回顧導(dǎo)入新課（5分鐘）讓學(xué)生回顧電阻和電容上的伏安關(guān)系，換路定則。建立數(shù)學(xué)模型的方法：解析法和實(shí)驗(yàn)法。讓學(xué)生首先通過實(shí)驗(yàn)法對一階RC電路進(jìn)行測試和分析。（2）一階RC電路測試分析（30分鐘）實(shí)驗(yàn)中每4人分組，學(xué)生可以通過搭建物理電路或仿真電路來進(jìn)行測試，改變電路中電容和電阻以及輸入方波的周期，觀察輸出波形的變化，得到初步的結(jié)論。然后教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行一階RC電路工作原理總結(jié)。（3）一階RC電路工作原理總結(jié)（10分鐘）當(dāng)電路的充放電時間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二分之一矩形波的周期時，從電容兩端輸出的電壓與輸入電源電壓之間呈積分關(guān)系。引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步展開討論。（4）課堂討論（列寫和求解微分方程）（20分鐘）微分方程列寫步驟：確定輸入、輸出變量；列寫各部分微分方程；消除中間變量；求解微分方程。在電路的求解過程中安排答疑時間，目的是為了檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，并且顧及那些在課堂中不善于發(fā)言或不善于表達(dá)的學(xué)生，對這部分學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)性提問，從而讓每位學(xué)生都能參與到活動中來，體會到學(xué)有所用的樂趣。（5）小結(jié)（10分鐘）通過以上幾個教學(xué)環(huán)節(jié)，總結(jié)建立RC電路模型需要知道電路中各個元件上的伏安特性；合理確定電路元件參數(shù)；根據(jù)電路的物理規(guī)律按照一定的步驟列寫方程；運(yùn)用拉式變換求解方程。（6）布置課外作業(yè)（5分鐘）學(xué)生通過利用網(wǎng)絡(luò)資源，查找資料，建立第一章已接觸過的自動液位控制系統(tǒng)的微分方程。

5 考核方案與教學(xué)評價

根據(jù)學(xué)校對考查科目的考核要求，本門課程期中成績占30%，平時成績占40%，期末成績30%。平時成績包括：課堂考核，課后作業(yè)，單元測驗(yàn)。本門課程的教學(xué)評價有：校內(nèi)督導(dǎo)評價，同行專家評價，教師自我評價，學(xué)生評價。

6 課程特色及展望

6.1特色

在教學(xué)過程中將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中又將仿真實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。運(yùn)用Matlab中的Simulink環(huán)境，可以完成抽象概念和理論的驗(yàn)證，通過逼真的動畫形象大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另外，學(xué)生還可自主的完成從系統(tǒng)模型搭建、系統(tǒng)分析到系統(tǒng)性能驗(yàn)證的全過程，了解各模塊之間的相互作用，使實(shí)踐環(huán)節(jié)變得輕松，不受時間和地點(diǎn)的限制。

6.2展望

我們可以適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)課時，在實(shí)驗(yàn)室添置自動控制綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并且以具體系統(tǒng)對象為主線和核心開展教學(xué)，同時，在課后安排學(xué)生和教師到相關(guān)崗位實(shí)習(xí)和學(xué)習(xí)。