新工科背景下“自動控制原理”實例教學(xué)方法探索

潘琪 馮寶 徐龍 李靜 李歐迅

[摘 要] 新工科背景下傳統(tǒng)工科課程的教學(xué)方法必須改進(jìn)?！白詣涌刂圃怼笔亲詣踊瘜I(yè)的核心基礎(chǔ)課，該課程理論性強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度較大。介紹了以單擺模型為例講解多個核心知識的實例教學(xué)過程，旨在闡述如何在教學(xué)設(shè)計過程中挑選優(yōu)秀實例，將理論與實際應(yīng)用緊密結(jié)合講授。實例教學(xué)不僅能夠讓學(xué)生更好地掌握課程知識，還能提高學(xué)生利用理論知識解決實際問題的能力，激發(fā)學(xué)生對課程的興趣，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 新工科;自動控制原理;實例教學(xué);自動化;單擺

[基金項目] 2019年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項目“新工科視域下地方院校自動化類專業(yè)工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式研究與實踐”（2019JGA337）;2019年度廣西高等教育教學(xué)改革工程項目基金“‘新工科理念下工程管理本科專業(yè)創(chuàng)新人才OBE+CDIO培養(yǎng)模式的研究與實踐”（2019JGA333）;2018年度桂林航天工業(yè)學(xué)院教育教學(xué)改革項目（2018JB02）

[作者簡介] 潘 琪（1991—），男，湖北黃岡人，碩士，桂林航天工業(yè)學(xué)院電子信息與自動化學(xué)院專任教師，主要從事機(jī)器人運動規(guī)劃方面的研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）25-0104-04? ?[收稿日期] 2020-10-30

一、引言

2017年，教育部高等教育司發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，希望各地高校開展新工科的研究和實踐活動，從而深化工程教育改革，推進(jìn)新工科的建設(shè)與發(fā)展。新工科建設(shè)對工程科技人才提出了更高要求，相比于傳統(tǒng)的工科人才，新工科人才的定義為工程實踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型人才[1]。為了更好地培養(yǎng)新工科應(yīng)用型工程科技人才，不能完全沿用以前的工科教育模式，教學(xué)方法必須改進(jìn)。

“自動控制原理”課程是自動化專業(yè)的核心基礎(chǔ)課。自動控制技術(shù)在任何工程和科學(xué)領(lǐng)域都是必不可少的。在宇宙飛船、機(jī)器人系統(tǒng)、現(xiàn)代制造系統(tǒng)，以及包括溫度、壓力、濕度、流量在內(nèi)的任何工業(yè)操作中，自動控制都是其重要的組成部分[2] （P1-2）。因此，“自動控制原理”也是測控、電氣、機(jī)械、能源等工科專業(yè)的必修課程。該課程的特點是概念多、抽象，理論分析和數(shù)學(xué)計算比重大[3]，學(xué)習(xí)難度較大;所以，要特別注意教學(xué)方法的改進(jìn)，否則會讓學(xué)生認(rèn)為是在學(xué)習(xí)一門數(shù)學(xué)課，無法從繁雜的推導(dǎo)中跳出，將理論與實踐聯(lián)系起來，喪失對課程的興趣。因此，在授課過程中尤其要注意將理論與實際相結(jié)合，多結(jié)合生活生產(chǎn)中的實例講解。同時要善于利用多媒體、仿真軟件等工具，在課堂上將實例通過視頻、動畫、仿真的形式展現(xiàn)給學(xué)生。這樣不僅能夠讓學(xué)生更好地掌握課程知識，還能提高學(xué)生利用理論知識解決實際問題的能力，激發(fā)學(xué)生對課程的興趣。

二、課程的現(xiàn)狀分析

我校自動化專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)區(qū)域主要分布在廣西壯族自治區(qū)和珠三角地區(qū)，就業(yè)崗位相對集中在工業(yè)控制、裝備與系統(tǒng)集成、電子信息等行業(yè)，這些行業(yè)需要的是能夠把成熟的技術(shù)和理論應(yīng)用到實際的生產(chǎn)、生活中的技術(shù)技能型人才。本課程是我校自動化相關(guān)專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中具有關(guān)鍵作用。

我專業(yè)依據(jù)應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生的實際情況，多次研討專業(yè)人才培養(yǎng)方案和教學(xué)計劃，將自動控制原理的教學(xué)學(xué)時設(shè)置為80個學(xué)時;其中理論60學(xué)時，實驗20學(xué)時，課時較多且實驗課時所占比重大。選用的教材為程鵬主編，高等教育出版社出版的《自動控制原理》第二版。在授課內(nèi)容上，主要講述經(jīng)典控制理論，闡述自動控制系統(tǒng)的基本概念和自動控制系統(tǒng)分析、設(shè)計、校正的基本方法，是進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握“現(xiàn)代控制理論”“計算機(jī)控制系統(tǒng)”“工業(yè)過程控制”等后續(xù)控制類課程的基礎(chǔ)，在課程體系中占據(jù)核心地位。

“自動控制原理”課程內(nèi)容中包含機(jī)械、電子、流體、熱力等各類系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)，控制的本質(zhì)是微分方程的求解和分析，使用的基本數(shù)學(xué)工具為拉普拉斯變換，所以涉及較多的高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)與積分變換、大學(xué)物理、電路分析等理論知識，理論推導(dǎo)繁雜，系統(tǒng)框圖設(shè)計復(fù)雜。

“自動控制原理”教材中控制系統(tǒng)建模部分的內(nèi)容非常重要，因為經(jīng)典控制理論是基于模型的控制，必須先建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，才能分析和控制系統(tǒng)。自動控制技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)，所以各類教材選取了來自不同領(lǐng)域的實際系統(tǒng)進(jìn)行建模，例如RLC無源網(wǎng)絡(luò)、m-K-f機(jī)械平移系統(tǒng)、他勵直流電機(jī)等。這些實例大多比較陳舊，有的模型還比較復(fù)雜，學(xué)生掌握起來較為困難。經(jīng)典控制理論研究的是傳遞函數(shù)模型，傳統(tǒng)的理論教學(xué)及實驗教學(xué)通常用傳遞函數(shù)來表示某個系統(tǒng)，基于傳遞函數(shù)表達(dá)式去設(shè)計、分析和校正系統(tǒng)，很少從某個實際系統(tǒng)出發(fā)去設(shè)計控制器、校正器，觀察在實際系統(tǒng)上的控制效果，嚴(yán)重脫離工程實踐。學(xué)生經(jīng)常陷入復(fù)雜的理論推導(dǎo)中，興致不高，難以體會到理論知識在實際中的應(yīng)用，甚至認(rèn)為這門課沒有用處，課堂教學(xué)氣氛不夠活躍，難以保證授課質(zhì)量。因此，結(jié)合優(yōu)秀的實例講授課程對提高上課質(zhì)量非常重要。

三、“自動控制原理”實例教學(xué)實踐

實例教學(xué)是以應(yīng)用案例為教學(xué)素材，通過典型實例的講解，使理論具體化，同時引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)理論解析案例，使理論和實踐有機(jī)結(jié)合，能快速提升學(xué)生解決實際問題能力的方法[4]。實例教學(xué)的重點是挑選優(yōu)秀的實例。筆者認(rèn)為，優(yōu)秀的實例應(yīng)該具備如下幾個特征：（1）能充分說明知識點，這是使用實例教學(xué)法的目的，也是最基本要求;（2）難度不大，學(xué)生容易掌握，不會產(chǎn)生畏懼心理，愿意聽，能聽懂;（3）學(xué)生很感興趣;（4）一個實例可用于多個知識點的講解。

筆者在“控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型”一章的第一次課中結(jié)合單擺系統(tǒng)模型講授了如下內(nèi)容。

（一）控制系統(tǒng)微分方程的建立