自動控制原理課程教學方法研究與探討

胡 濤

（上海大學機電工程與自動化學院，上海200072）

1 自動控制原理課程特點

1.1 重要的學科核心基礎理論課程

自動控制原理是一門自動化領域的重要基礎理論課程。其涵蓋的自動控制技術極其廣泛地應用于各行各業(yè)，極大地提高了人們的生活水準。該課程通過運用數(shù)學理論的歸納闡述，獨立成為控制領域的理論課程。該課隸屬于學科核心理論課程，它有利于學生對自動化類專業(yè)知識體系的全面了解與掌握，有利于學生后續(xù)專業(yè)基礎課程的學習。它不僅能夠為學生日后工作中解決自控性問題，指引專業(yè)性的思維方向，而且能夠為學生畢業(yè)后再深造提供基礎性理論保障。

1.2 教學內(nèi)容知識點較多

自動控制原理中較大篇幅的內(nèi)容屬于控制理論中的經(jīng)典理論，其主要內(nèi)容包含了控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、線性系統(tǒng)的分析方法、線性系統(tǒng)的校正以及非線性系統(tǒng)的分析。而線性系統(tǒng)的分析方法中又細分為線性系統(tǒng)的時域分析法、根軌跡法、頻域分析法；線性系統(tǒng)的校正中包含了線性系統(tǒng)的分析與校正與線性離散系統(tǒng)的分析與校正。上述都是自動控制原理課程中重要的教學內(nèi)容，因此，自動控制原理涉及的知識點較多，使課時顯得相對較緊。

1.3 課程的理論性較強

該課程教學的主要內(nèi)容是基于數(shù)學模型及數(shù)學公式的推導，計算量較大且計算技巧要求較高，并且需要運用不同的數(shù)學工具與手段。因此，其教學內(nèi)容及教學過程顯得乏味無趣，難以引發(fā)學生的學習熱情，需要通過教學改革來提升學生的學習效果。

2 教學中出現(xiàn)的主要問題

2.1 學習內(nèi)容繁雜

自動控制原理課程的學習內(nèi)容涉及廣泛，知識點多且抽象，大多脫離了學生生活中的常識與經(jīng)驗認知。由于內(nèi)容較多，造成該課程教學學時相對較緊，學生課后復習面也較廣并難以消化，從而導致該課程的平均考核成績相對不高。

2.2 理論較深并難以理解掌握

教學內(nèi)容數(shù)學推導、數(shù)學工具及定理較多，仿佛與實踐中的具體事物聯(lián)系不大。這些都造成了學生在學習過程中感覺枯燥無味、晦澀難懂，感覺理論較深并難以理解掌握，從而產(chǎn)生畏學的心理。

2.3 課堂學生參與度不高

由于課堂教學以理論傳授與數(shù)學推導為主，導致學生的學習興趣不大，并且在課堂上能夠參與討論的程度不高。如何引導學生思考與課堂學習互動，值得深入探討。

3 自動控制原理對學生能力的綜合培養(yǎng)

自動控制原理課程重點培養(yǎng)學生對控制系統(tǒng)的綜合分析與設計能力、理論研究水平、獨辟蹊徑的創(chuàng)新能力以及理論聯(lián)系實際的綜合實踐能力，為解決自動化領域復雜性工程問題提供理論與實踐參考，能夠幫助學生了解與掌握自動化類的專業(yè)方向，提高其專業(yè)的理論水平和實踐能力。

具體應使學生熟練掌握復變函數(shù)的基本運用、掌握自動控制原理的基本概念與定理，掌握經(jīng)典控制理論的主要內(nèi)容，并能夠運用其基本理論對具體系統(tǒng)對象進行分析與設計，并能夠改進及校正系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，滿足實踐中的特需要求。使學生具有定量計算、數(shù)據(jù)處理、定性分析、歸納總結(jié)、靈活應用等能力，使學生具備在一系列數(shù)據(jù)分析處理中能夠正確評估、分析與總結(jié)，得出相應科學結(jié)論的能力。

4 教學方法的改進與探討

本文結(jié)合自動控制原理的實際教學經(jīng)驗，并結(jié)合該課程的特點，總結(jié)出7個在教學過程中值得關注的要點。

4.1 教材的選擇

擁有一本優(yōu)秀的教材，往往是通向成功學習的捷徑。教材若能夠深入淺出地闡述原理與舉出實例，常常能夠讓學生易于理解及掌握要點與難點，并能夠舉一反三和靈活運用。選用了自動化行業(yè)內(nèi)口碑甚好的胡壽松版《自動控制原理》，該教材能夠涵蓋本學科的基本知識，其知識與概念闡述清晰易懂，能夠培養(yǎng)學生的自學能力與獨立思考的能力。

4.2 教學內(nèi)容與教案的合理制定

依照教材對實際的教案進行了編寫與改進，并根據(jù)我校的實際學時進行了增補與取舍，教學內(nèi)容包含了控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、線性系統(tǒng)的分析方法、線性系統(tǒng)的校正以及非線性系統(tǒng)的分析等《自動控制原理》中經(jīng)典部分的主要內(nèi)容。

在教案的編排中增加了例題講解與案例分析，當堂講解理論知識在實例中的應用，使理論學習不再虛無縹緲和晦澀難懂，從而提高學生的學習熱情。

4.3 劃分教學目標模塊

將教學內(nèi)容進行分類與規(guī)劃，可以清晰教學思路，進一步總結(jié)教學的重點與難點，讓任課教師能夠思路清晰，知道“教什么”與“培養(yǎng)什么”之間的關系，以及讓學生知道要“學什么”與“鍛煉什么能力”之間的內(nèi)涵。

本課程根據(jù)本科教育工程認證的相關理念，劃分出“工程知識”“問題分析”“設計開發(fā)方案”“研究”等能力培養(yǎng)模塊。具體分別體現(xiàn)為“了解與掌握自動控制原理的基本知識點與概念，能夠建立線性連續(xù)定?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學模型，能夠用復數(shù)方法、時域法與頻域法計算線性控制系統(tǒng)的基本特性與參數(shù)”“能夠熟練掌握經(jīng)典控制理論的分析方法，運用時域法、頻域法與根軌跡法對實際的線性連續(xù)控制系統(tǒng)進行建模與深入分析，并對原系統(tǒng)的性能進行改進與校正”“根據(jù)實際控制對象，并結(jié)合具體的特定要求，能夠運用時域法、頻域法與根軌跡法對現(xiàn)場所需的控制系統(tǒng)進行設計與開發(fā)”“能夠應用已有的自動控制經(jīng)典理論對未知模型及參數(shù)的系統(tǒng)進行理論分析與研究”。

4.4 總結(jié)教學內(nèi)容的重點與難點

明確教學內(nèi)容的重點與難點可以輔助任課教師“怎樣教”，以及輔導學生“如何學”，即明確攻堅方向。根據(jù)教學大綱，以下節(jié)選了《自動控制原理》中的重要章節(jié)，對其教學內(nèi)容的重點與難點進行了總結(jié)與概括。

在“線性系統(tǒng)的根軌跡法”中，教學內(nèi)容的重點為系統(tǒng)零點、極點、主導極點的概念；根軌跡法的基本要點；典型系統(tǒng)根軌跡的繪制。難點是系統(tǒng)根軌跡的繪制；根據(jù)系統(tǒng)根軌跡的走勢分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性及相關參數(shù)。

在“線性系統(tǒng)的頻域法”中，教學內(nèi)容的重點為頻域法的基本要點；波特圖與奈奎斯特圖的繪制；奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)與應用；超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等參數(shù)與系統(tǒng)的開環(huán)及閉環(huán)頻率特性相關參數(shù)之間的關系。難點是通過開環(huán)頻率特性分析系統(tǒng)的動態(tài)及靜態(tài)特性；通過頻率特性分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性及相關參數(shù)。

4.5 合理增加數(shù)學定理與工具的講解

在自動控制原理課程的教學過程中，對常用的數(shù)學定理與工具——例如，傅立葉變換、拉普拉斯變換以及Z變換等進行詳細講解，使學生運用相關數(shù)學工具的能力得以提高，消除其畏學、怕學的情緒，從而提高學生學習的自信心。

4.6 增強學生的課堂互動

在自動控制原理教學過程中，合理提出問題與假設，課堂上讓學生獨立思考，提高其學習關注度，增強其學習主動性。結(jié)合具體的實際例題與案例，講解某些條件下的解題過程及應用，再給出其他條件，引導學生獨立思考和融會貫通，并由此培養(yǎng)其學習興趣，從而達到良性循環(huán)的學習效果。

4.7 考核方式的改進

除了卷面考試、作業(yè)之外，還將課堂互動、學習報告也納入課程期終的考核范圍。在本課程考核中，除了期末考試的卷面成績之外，平時成績占據(jù)百分之三十，其中包含了作業(yè)、課堂互動、學習報告、調(diào)查報告或PPT等，極大地豐富了學生的學習方法與學習手段，大大增強了學生學習的主觀能動性。

5 結(jié)語

在教學過程中經(jīng)過上述教學摸索與方法總結(jié)，能夠提高學生的學習熱情與興趣，使其由“要我學”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W”，提高了其學習上的主觀能動性，從而使學生的學習效果得到有效地提高。