“控制技術(shù)與系統(tǒng)”緒論課的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐*

舒雙寶　黨學(xué)明　夏豪杰（合肥工業(yè)大學(xué)　儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽　合肥　230009）

“控制技術(shù)與系統(tǒng)”緒論課的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐*

舒雙寶黨學(xué)明夏豪杰
（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥230009）

摘要：“控制技術(shù)與系統(tǒng)”是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的必修課程之一，緒論課是整個(gè)課程教學(xué)的先導(dǎo)，具有非常重要的作用。本文就該課程緒論課的教學(xué)設(shè)計(jì)、內(nèi)容組織和教學(xué)方法進(jìn)行探討。重點(diǎn)介紹該課程的主線和常用的研究方法，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生了解所學(xué)主要內(nèi)容以及各章節(jié)的作用和聯(lián)系，對教材內(nèi)容有一個(gè)整體理解，便于抓住重點(diǎn)，熟悉其研究方法。教學(xué)實(shí)踐表明，該緒論課教學(xué)設(shè)計(jì)極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：控制技術(shù)與系統(tǒng)；緒論課；教學(xué)設(shè)計(jì)

引言

測控技術(shù)與儀器專業(yè)（測控專業(yè)）以精密測試技術(shù)為平臺(tái)，應(yīng)用電子技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)和精密機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究開發(fā)適應(yīng)于現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展自動(dòng)化和智能化工業(yè)檢測系統(tǒng)和成套裝備[1]。“控制技術(shù)與系統(tǒng)”是測控專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課程，該課程是從系統(tǒng)的角度闡述控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法以及在信息技術(shù)主導(dǎo)下的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系，并注重學(xué)生實(shí)際工程設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。也正是因?yàn)楸菊n程的綜合性和內(nèi)容的交叉性，要完成課程授課大綱規(guī)定的授課任務(wù)，使學(xué)生充分理解和掌握本課程的知識(shí)內(nèi)容，相對其他專業(yè)課程也更具有特殊性與復(fù)雜性。

作為“控制技術(shù)與系統(tǒng)”的第一堂課，緒論課對學(xué)生有先入為主的作用，對整個(gè)課程具有重要的引導(dǎo)作用[2]。作為“控制技術(shù)與系統(tǒng)”教師，在第一個(gè)課堂上如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，如何調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生快速地明白這門課學(xué)什么，顯得非常重要。本文主要就“控制技術(shù)與系統(tǒng)”緒論課的教學(xué)設(shè)計(jì)、內(nèi)容組織和教學(xué)方法進(jìn)行研究和探索。同時(shí)在緒論課教學(xué)過程中不斷地進(jìn)行反思和探索，對緒論課精心設(shè)計(jì)并付諸實(shí)踐，經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

一、明確本課程緒論課的教學(xué)目的

“控制技術(shù)與系統(tǒng)”是測控專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課程，具有很強(qiáng)的理論與實(shí)踐性。在本課程教學(xué)中，作者選用東南大學(xué)黃惟一教授、合肥工業(yè)大學(xué)胡生清教授主編的《控制技術(shù)與系統(tǒng)》（第2版）作為本門課程的主要參考教材[3]，教材內(nèi)容主要包括了執(zhí)行元件、控制技術(shù)、順序控制、過程控制、控制系統(tǒng)仿真技術(shù)與控制技術(shù)的設(shè)計(jì)等部分內(nèi)容。它的授課內(nèi)容涵蓋了控制電機(jī)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、過程控制和控制系統(tǒng)仿真等多門課程的內(nèi)容，該課程的設(shè)立為學(xué)生提供了一個(gè)從理論到實(shí)踐、多門課程知識(shí)綜合運(yùn)用的平臺(tái)[4]。緒論課的內(nèi)容很豐富，但教學(xué)時(shí)數(shù)有限，因此教師講課一定要精選緒論課的內(nèi)容。

緒論課除了對該課程進(jìn)行綜合性的概括和介紹，使學(xué)生有一個(gè)總體的、大概的認(rèn)識(shí)，緒論課還要解決三個(gè)問題：為什么學(xué)？學(xué)什么？怎么學(xué)？教學(xué)重點(diǎn)是讓學(xué)生掌握本門課程的知識(shí)點(diǎn)、課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容及學(xué)習(xí)本課程的方法。教學(xué)難點(diǎn)在于激發(fā)學(xué)生對該學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)并掌握有效的學(xué)習(xí)方法。

二、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與組織

在本緒論課的教學(xué)中，主要圍繞“為什么學(xué)”，“學(xué)什么”，“怎么學(xué)”這樣的教學(xué)過程設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，并組織教學(xué)。本課程教學(xué)中我們通過周邊大量的控制技術(shù)應(yīng)用實(shí)例，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到本門課在專業(yè)學(xué)習(xí)中的重要性，以“恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)”為例，學(xué)生在復(fù)習(xí)之前學(xué)習(xí)的“自動(dòng)控制原理”知識(shí)的同時(shí)也不斷了解將要學(xué)習(xí)的本門課程相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，并引導(dǎo)學(xué)生掌握本門課程的學(xué)習(xí)方法。具體的教學(xué)設(shè)計(jì)與組織如下：

1.提出問題，引入本課程。為什么要學(xué)習(xí)本門課程是緒論課首要回答的問題。通過日常生活中大量控制技術(shù)在許多領(lǐng)域里的廣泛應(yīng)用，吸引學(xué)生對控制技術(shù)的興趣。如冰箱精確的溫度控制，地空導(dǎo)彈的準(zhǔn)確飛行，足球機(jī)器人高超的球技，月球車的位姿控制等，這些都離不開精準(zhǔn)的控制技術(shù)。控制有很多成功的案例，也有失敗的慘劇。以2011年中國長征三號(hào)甲火箭的成功升天，與2013年俄羅斯“質(zhì)子M/DM-3”組級火箭墜毀的實(shí)例來說明掌握并能正確應(yīng)用控制技術(shù)，具有很大的重要性，激發(fā)學(xué)習(xí)學(xué)好控制技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，從而引出本門課程“控制技術(shù)與系統(tǒng)”。

2.介紹本課程緒論課的主要教學(xué)安排。如控制系統(tǒng)的基本概念，控制技術(shù)的發(fā)展歷程，控制系統(tǒng)的基本形式和構(gòu)成，主要學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法及要點(diǎn)，學(xué)習(xí)本課程的主要參考書目等，從而使學(xué)生初步了解本節(jié)課要介紹的內(nèi)容。

3.控制技術(shù)的發(fā)展歷程介紹和控制系統(tǒng)的相關(guān)基本概念。通過對控制技術(shù)發(fā)展歷史的介紹，使學(xué)生對本課程的結(jié)構(gòu)有一定的認(rèn)識(shí)，同時(shí)在教學(xué)中闡明學(xué)習(xí)該課程的目的和意義?？刂评碚摵图夹g(shù)的發(fā)展歷史共分3個(gè)階段：經(jīng)典控制理論階段、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展、大系統(tǒng)及智能控制理論階段。簡要介紹這3個(gè)階段的發(fā)展過程，及其主要的控制原理和方法，使學(xué)生重溫之前學(xué)過的“自動(dòng)控制原理”課程，同時(shí)也讓學(xué)生明白控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。控制理論隨著時(shí)代的發(fā)展而不斷發(fā)展，所以“控制技術(shù)與系統(tǒng)”緒論課的講授內(nèi)容必須能夠體現(xiàn)該學(xué)科的發(fā)展。

4.闡述控制系統(tǒng)的方式。在學(xué)生明確了為什么學(xué)的基礎(chǔ)上，使學(xué)生對控制系統(tǒng)有了一定的了解。通過電熱爐恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)介紹一般自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成，介紹自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要組成部分：控制對象與控制裝置?？刂葡到y(tǒng)主要分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。教學(xué)中給出復(fù)雜控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，并進(jìn)行分析。

圖1　復(fù)合控制系統(tǒng)一般框

通過電熱爐恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)分別介紹這3種控制方式的組成和結(jié)構(gòu)形式，介紹各自的特點(diǎn)。開環(huán)控制系統(tǒng)控制效果差，閉環(huán)控制系統(tǒng)提高了控制精度，當(dāng)要求實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且精度較高的控制任務(wù)時(shí)，可將開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合起來，組成一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)且性能較好的復(fù)合控制系統(tǒng)。

5.本課程內(nèi)容的介紹，主要向?qū)W生闡述通過本門課程學(xué)什么的問題。把課程知識(shí)進(jìn)行整理，形成比較系統(tǒng)完整的知識(shí)體系，讓學(xué)生對課程知識(shí)范圍一目了然。通過對圖1復(fù)合控制系統(tǒng)一般框圖來分析，其中參考輸入變換裝置、比較裝置、受控對象和補(bǔ)償裝置我們可以利用先前學(xué)習(xí)的“自動(dòng)控制原理”、“電工學(xué)”和“檢測技術(shù)”課程的知識(shí)來總結(jié)和實(shí)現(xiàn)。測量裝置部分主要可以參考我們專業(yè)的專業(yè)課“傳感器技術(shù)”與“檢測技術(shù)”來實(shí)現(xiàn)。圖1中的控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及整體性能分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)將由本課程“控制技術(shù)與系統(tǒng)”介紹。為此，我們加強(qiáng)了課程主線的建立，主線很清楚地表示出各章節(jié)的作用，以及各章節(jié)之間的聯(lián)系。展開成圖2所示的本課程的課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)。

圖2　課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)

本課程的第1章為緒論部分。執(zhí)行機(jī)構(gòu)將由本書的第2章執(zhí)行元件進(jìn)行詳細(xì)講解。本書的第3、4、5章將詳細(xì)講解控制器的設(shè)計(jì)，分別為模擬、數(shù)字控制技術(shù)、順序控制和過程控制系統(tǒng)。本書的第6章將介紹使用仿真工具如何對系統(tǒng)進(jìn)行仿真并進(jìn)行性能分析。在充分掌握前面章節(jié)的內(nèi)容后，引出本書的最后一章第7章，介紹控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)指標(biāo)和方法，以實(shí)例的形式展示控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程。

6.怎么學(xué)好這門課。針對本課程特點(diǎn)給出的恰當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)方法。引導(dǎo)學(xué)生講究學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性，注意重溫自動(dòng)控制原理課程及前面剛介紹的其他課程的相關(guān)內(nèi)容，特別是S、Z變換。本課程40學(xué)時(shí)，上課時(shí)突出基本概念，基本控制技術(shù)及方法，部分將與實(shí)例相結(jié)合。要學(xué)好Matlab，特別是要熟練掌握Simulink仿真技術(shù)，進(jìn)行相關(guān)控制系統(tǒng)仿真與分析。課后安排作業(yè)，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識(shí)和基本能力。同時(shí)要注意本門課程的工科的實(shí)用性，要求學(xué)生結(jié)合一些課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)及工廠實(shí)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，聯(lián)系學(xué)習(xí)與實(shí)踐的內(nèi)容，進(jìn)行相關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，積極參與實(shí)踐應(yīng)用。只有這樣，才能鞏固所學(xué)的知識(shí)，將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力。

最后對課程的教學(xué)安排、考試成績評價(jià)和相關(guān)教育教學(xué)參考資料進(jìn)行說明，讓學(xué)生通過自己的搜集、加工、整理和消化與課堂教學(xué)相關(guān)的知識(shí)，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行教育教學(xué)研究的能力。

三、綜合運(yùn)用各種教學(xué)方法

（一）采用多媒體教學(xué)手段

通過對緒論課的教學(xué)設(shè)計(jì)與內(nèi)容組織，作者制作了CAI多媒體課件。多媒體教學(xué)可以演示大量傳統(tǒng)控制和現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用的實(shí)例，使學(xué)生形象直觀的理解控制系統(tǒng)的組成和基本的結(jié)構(gòu)。在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和活躍課堂氣氛的同時(shí)，又可在較短的時(shí)間內(nèi)給學(xué)生較大的信息量，開闊學(xué)生的眼界。

（二）增加參觀實(shí)驗(yàn)和實(shí)物演示

本課程屬于專業(yè)技術(shù)課，學(xué)生在學(xué)習(xí)本門課程時(shí)對部分控制元器件及部分執(zhí)行元件還缺乏感性認(rèn)識(shí)。為此，在講授幾個(gè)重要基本概念時(shí)，結(jié)合實(shí)物模型進(jìn)行講解，感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)同時(shí)進(jìn)行，這樣既節(jié)約了時(shí)間，又使知識(shí)變得形象化和具體化，很容易給學(xué)生留下深刻的印象。主要是各種低壓電器，如繼電器、接觸器、開關(guān)、電磁閥等，部分電機(jī)（同步、異步電機(jī)、測速電機(jī)等），結(jié)合PLC，使學(xué)生有個(gè)感性的認(rèn)識(shí)。

四、結(jié)束語

“控制技術(shù)與系統(tǒng)”的緒論課是整門課教學(xué)的第一課，緒論教學(xué)使學(xué)生能快速對這門課的學(xué)習(xí)內(nèi)容，整本教材的結(jié)構(gòu)有一個(gè)大概了解，緒論課將影響到學(xué)生對這門功課的學(xué)習(xí)。

作者按照上述緒論課教學(xué)設(shè)計(jì)對2009級、2010級、2011級本科測控專業(yè)學(xué)生進(jìn)行了緒論課教學(xué)實(shí)踐，實(shí)踐結(jié)果表明，利用參考教材的教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況進(jìn)行精心組織教學(xué)內(nèi)容，合理安排教學(xué)順序，教學(xué)效果非常明顯。與往屆學(xué)生相比，作者深切體會(huì)到課堂氣氛較以往活躍，學(xué)生對本課程有了全面的了解，對課程的教學(xué)內(nèi)容有了整體的認(rèn)識(shí)并且產(chǎn)生了濃厚的興趣，良好的開端對后續(xù)教學(xué)活動(dòng)也產(chǎn)生了積極的影響。

總之，在“控制技術(shù)與系統(tǒng)”緒論課的教學(xué)過程中，只有不斷努力地研究，不斷地更新教學(xué)設(shè)計(jì)與內(nèi)容組織，以學(xué)生為中心，以傳道授業(yè)解惑為已任，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才能在實(shí)踐教學(xué)中不斷提高教學(xué)水平和教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]劉文文，吳曄，洪占勇，等.測控專業(yè)控制類課程群建設(shè)與實(shí)踐[J].南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（1）：13-14.

[2]蔡立紅.關(guān)于緒論課教學(xué)的思考[J].南寧：廣西教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，22（6）：87-88.

[3]黃惟一，胡生清.控制技術(shù)與系統(tǒng)（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006，2.

[4]吳涓，祝學(xué)云，溫秀蘭.“控制技術(shù)與系統(tǒng)”課程教學(xué)實(shí)踐與探討[J].南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（6）：51-53.

Abstract:"The course, Control technology and System" is one of the main courses for measurement and control technology and instrument specialty. The teaching of introduction class is the first step of the whole course and plays an important role. This paper presents discussions on the teaching design, content organization and teaching method for introduction class of control technology and system. The outline and control methods in the teaching of introduction class is emphasized to arouse the students' enthusiasm of studying this course and attempt to make students know the primary contents , the purpose of each chapter and the relationship between the chapters, and understand the emphasis and general research method of the course. The favorable effect has been obtained in the practice teaching.

Keywords:control technology and system; introduction class; teaching design

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-000X（2016）05-0075-03

*基金項(xiàng)目:安徽省教育廳教研項(xiàng)目(編號(hào):2014jyxm039，2015jyxm028），合肥工業(yè)大學(xué)課程規(guī)劃設(shè)計(jì)研究項(xiàng)目(編號(hào):XJKC201411）資助

作者簡介：舒雙寶（1981-），男，博士，副教授，從事計(jì)算機(jī)測量與控制、圖像處理與模式識(shí)別相關(guān)教學(xué)與科研工作。