“自動控制原理”課程教學改革研究

趙峰　陳向勇　邱建龍　郭明

摘 要 “自動控制原理”是理論性和應用性都比較強的課程，本文分析了該課程在教學過程中存在的問題，并結合課程的內(nèi)容和特點，提出了改革教學方式方法、重視實踐環(huán)節(jié)、優(yōu)化教學內(nèi)容、完善評價機制的改革策略，使學生通過該課程的學習，提高學生學習的積極主動性及解決實際問題的能力。

關鍵詞 自動控制原理 課程 改革 實踐

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.01.070

Abstract "Automatic Control Principle" is the theoretical and applied course. This paper analyzes the problems of the course in the teaching process， and puts forward the reform strategies combined with the content and characteristics of the course， including reforming teaching methods， attaching importance to practical links， optimizing the teaching content and perfecting evaluation mechanism. Through this course， students can improve their learning initiative and ability to solve practical problems.

Keywords Automatic Control Principle; course; reform; practice

1 課程的內(nèi)容及特點

“自動控制原理”課程以傳遞函數(shù)為數(shù)學工具，研究單輸入單輸出的自動控制系統(tǒng)的分析與設計問題，主要研究方法有時域分析法、根軌跡法和頻率特性法。研究內(nèi)容包括根據(jù)控制系統(tǒng)的結構和參數(shù)，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，并研究在某種典型輸入信號作用下被控量變化的全過程，從這個變化過程中得出評價系統(tǒng)性能的指標，以及討論系統(tǒng)的性能指標和系統(tǒng)結構、參數(shù)的關系等;同時根據(jù)對自動控制系統(tǒng)的基本要求，即系統(tǒng)的穩(wěn)定、響應過程快、穩(wěn)態(tài)誤差小，以及被控對象及技術指標的要求，通過改變系統(tǒng)的某些參數(shù)或加入某種裝置，使其滿足預定的性能指標要求，也就是對系統(tǒng)進行校正。[1-2]該課程的特點首先是知識面覆蓋廣、內(nèi)容多，往往一個知識點的學習需要很多課程的支撐，例如在講授控制系統(tǒng)的時域數(shù)學模型建立時，需要用到電路、大學物理、電機學、高等數(shù)學等相關課程的知識，而且拉氏變換、Z變換、復變函數(shù)、微積分等相關的數(shù)學基礎知識貫穿該課程的始終;其次是理論性和抽象性都很強，也就是有很強的工程實際背景。該課程是從理論上指導工程實踐的技術課，注重從工程角度考慮解決問題的方法途徑及其合理性。

2課程教學過程中存在的問題

2.1教學方式方法單一

“自動控制原理”課程的理論性比較強。在傳統(tǒng)的教學模式下，教師以板書的形式進行教學，在整個課堂教學過程中，教學活動的主體是教師，學生只是填鴨式的接受知識，缺乏積極主動性，使得整個教學過程枯燥無味。這種教學方式方法不能滿足當前學生對知識的需求，更達不到教學要求，即使有些教師利用多媒體形式進行教學，但是多為單純的文字形式，缺乏形象的動畫、語音、圖形等，同樣不能引起學生的興趣，長此以往對該課程產(chǎn)生厭倦。

2.2重理論輕實踐

作為對工程實踐具有很強指導作用的課程，在教學過程中實驗是必不可少的，是該課程非常重要的組成部分。但是目前高校仍然是以理論教學為主，實驗課的缺失使得學生不能將所學理論知識與實際問題相結合。即使有相關的實驗課程，受實驗條件和設備的限制，往往是簡單的模擬電路，或簡單的MATLAB仿真實驗，不能充分鍛煉學生的動手能力，也導致了學生對實踐環(huán)節(jié)的認識和重視度不夠。

2.3學情分析不足

“自動控制原理”是一門綜合性相對較強的課程，需要扎實的高等數(shù)學、線性代數(shù)、電路、電機等課程的基礎知識，以及較強的計算能力。由于在課程開始前沒有充分的了解學生的情況，如對相關學科知識的掌握不扎實，學科之間的交叉理解能力不強等，在講授過程中不能將新知識與已學知識進行聯(lián)系，跨度較大，使得學生學習理解相關知識比較困難。

2.4過程性考核所占比重較小

目前，大部分高校的考核辦法中，平時成績包括出勤、作業(yè)、筆記、實驗等，占最終成績的20%-30%，而最終的期末成績占最終成績的70%-80%。期末成績基本決定了學生的最終成績，這種以總結性的評價方式，不重視平時考核，[3]忽略了對學生學習過程的努力程度的認可，不利于學生對知識的探求以及學生的身心發(fā)展。

3 課程教學改革與實踐

3.1 改革教學方式方法

自動控制原理是一門理論性很強的課程，在充分了解學生的學習情況下，根據(jù)學生特點，本課程倡導教學方法的多樣化，綜合運用各種方法共同完成學習目標與任務，如案例分析法、[4]任務驅動法、討論法。在講解開環(huán)控制系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)時，可以利用案例分析法，首先講解兩種控制系統(tǒng)的概念，優(yōu)缺點，然后以人取桌面上的一本書和自動售貨機為案例進行分析，分析兩個案例分別屬于哪類系統(tǒng)。在講解二階系統(tǒng)的時域分析時，根據(jù)阻尼比的不同將二階系統(tǒng)分為零阻尼、欠阻尼、臨界阻尼以及過阻尼的情況，可以利用討論法，讓學生討論在這些情況下，二階系統(tǒng)的根的情況以及階躍響應的情況。這些方法的靈活結合，將增加學生的學習積極性與主動性。與此同時，教學方式也要有所改變。打破傳統(tǒng)的以板書為主的教學方式，將現(xiàn)代化的教學方式應用到課堂中。將多媒體等現(xiàn)代化工具融入傳統(tǒng)的教學方式中，不是單純的PPT文字，而是要充分發(fā)揮其優(yōu)勢。例如在講解根軌跡的概念時，利用二階系統(tǒng)的例子，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)K的取值，得到不同的兩個根，此時可以多媒體動畫的形式，給學生演示K從零到無窮變換時，閉環(huán)特征根在S平面上的變換情況，這樣可以加深學生對根軌跡的理解，比較形象直觀。把相關的網(wǎng)絡資源推薦給學生，擴寬學生的視野。[4]教學方式方法的改革，就是使學生成為課堂的主體，引導學生積極主動的學習，培養(yǎng)學生分析問題，解決問題的能力。

3.2 重視實踐環(huán)節(jié)

“自動控制原理”是具有一定難度的課程，并且與實際工程結合緊密的課程，這就要求在教學過程中，避免學生只關注理論知識而忽略實踐環(huán)節(jié)。實踐環(huán)節(jié)是對理論知識的檢驗和加深。在理論課授課過程中，可以與實踐環(huán)節(jié)相結合。例如在講解PID控制時，首先講解其基本理論知識，然后利用所學電路中的相關知識，設計電阻、電容、電感組成的電路，施加階躍信號后觀察相應的階躍響應曲線，改變參數(shù)再次觀察其響應曲線的形狀，使得學生形成直觀的認識。重視實驗課，為學生提供實驗平臺，通過實際操作，加深對理論知識的理解，鼓勵學生利用實驗平臺對實際系統(tǒng)進行分析研究，加深對理論知識之間關系的認識，以此來提高學生的學習興趣以及動手能力，為后續(xù)相關課程打下堅實基礎。同時鼓勵學生多參加與自動控制相關的專業(yè)競賽，如智能車比賽、機器人比賽等，不僅能夠提高對理論知識的靈活運用能力，同時讓學生知道如何把所學理論知識應用到實踐中，真正做到學有所用。

3.3 優(yōu)化教學內(nèi)容

“自動控制原理”課程安排64學時，學時數(shù)相當有限，而內(nèi)容又特別多，希望利用有限的學時數(shù)，不僅要讓學生把相關知識學會，還需要能夠靈活運用，這就需要優(yōu)化教學內(nèi)容。如拉氏變換、Z變換、復數(shù)相關知識等在復變函數(shù)、信號分析中已經(jīng)詳細講解，在該課程的教學中，這些都不需要再重復講解。為突出理論知識在實際中的應用，在舉例時盡量選用學生熟悉的電路、力學中的例子，這樣就不需要講解基本原理，重點放在講解該課程中新的概念上。

3.4 完善評價機制

在前面已經(jīng)提到，目前的過程性考核所占比例較小，不能全面的評價學生的成績。不能單純的由期末成績來決定最終學生的成績，要提高平時成績所占的比重。由于實踐環(huán)節(jié)的重要性，實驗成績的比重可以提高到20%，使學生提高對實踐環(huán)節(jié)的重視程度。作業(yè)、課堂筆記各占總成績的10%，考勤及課堂表現(xiàn)共占總成績的10%，真正讓學生成為課堂的主體，激發(fā)學生學習的自覺性。平時成績的比例的提高，有效的避免了最后考試決定學生最終成績的問題。

4 結束語

“自動控制原理”是一門理論性和應用性都比較強的課程，只有在教學過程中不斷的思考學習，總結經(jīng)驗，堅持創(chuàng)新的理念，堅持把理論與實際應用相結合，才能不斷的提高教學質(zhì)量，不斷的提高學生解決問題的能力，真正的讓學生學懂、學好，真正推動該課程的教學改革不斷的發(fā)展。

參考文獻

[1] 胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2007.

[2] 張薇，張虹.《自動控制原理》課程改革探索[J].科技教育，2020，13：137-138.

[3] 李步青，李建樓.地方高校課程考核改革的實踐[J].大學教育，2020：30-32.

[4] 李振龍，喬俊飛，孫亮，等.自動控制原理課程體系結構和教學方法探討[J].教學研究，2009，32（2）：66-68，72.