自動控制理論課程教學(xué)的改革與實踐

1、自動控制理論課程教學(xué)的改革與實踐 摘要：隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，自動控制越來越重要，自動控制理論知識成為今后工程實踐中的基礎(chǔ)知識。本文在分析自動控制原理的課程設(shè)置、課程體系和教學(xué)中存在的問題的基礎(chǔ)上，對自動控制原理的授課進(jìn)行了新的探索，更新了教學(xué)內(nèi)容，豐富了教學(xué)手段，變革了考核方式，并新增網(wǎng)絡(luò)教學(xué)這一重要的教學(xué)資源。本文所做工作是在結(jié)合多年實踐教學(xué)的經(jīng)驗基礎(chǔ)上加以改革，對提高教學(xué)質(zhì)量、使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)自動控制原理具有現(xiàn)實意義。 關(guān)鍵詞：自動控制理論；課程體系；教學(xué)改革；網(wǎng)絡(luò)教學(xué) 中圖分類號：g642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號：1674-9324（2016）24-0154-03 一、引言 自動

2、控制理論是研究自動控制一般規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，是自動控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。由于自動控制理論內(nèi)容涉及面廣，包括電路、大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、積分變換、線性代數(shù)、機(jī)械、計算機(jī)輔助設(shè)計等交叉學(xué)科的很多知識，理論性和抽象性強(qiáng)，具有內(nèi)容豐富、信息量大和發(fā)展更新速度快等特點1，2，因此難教難學(xué)，在學(xué)生中流傳著自動化專業(yè)的“天書”這一雅號。所以，為了使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)這門課程，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)，本文將從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面進(jìn)行改革探索。 二、自動控制理論的課程設(shè)置 1.課程地位與目的。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化越發(fā)深入各行各業(yè)以及人們的生活，自動化知識也越來越成為人們需要了解的必不可少的

3、內(nèi)容。因此自動控制理論成為工科院校自動化、電力、電自、機(jī)械、熱能、核電、風(fēng)電、建環(huán)等諸多本科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時也是自動化類專業(yè)的碩士研究生入學(xué)考試的必考課程2。通過本課程的學(xué)習(xí)，使每個學(xué)生能多角度、分層次地充分了解和認(rèn)識自動控制理論以及相關(guān)課程發(fā)展的狀況及專業(yè)知識特點，并把握局部或整體的理論，使學(xué)生所學(xué)知識同實際工業(yè)過程的應(yīng)用相聯(lián)系，為學(xué)生實踐打下扎實的基礎(chǔ)，也為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)“過程控制”、“運動控制”、“計算機(jī)控制系統(tǒng)”等后續(xù)專業(yè)課程打下良好的基礎(chǔ)。 2.課程教學(xué)的原則。在教學(xué)過程中，以學(xué)生為本是教學(xué)的基本原則，要時刻圍繞以學(xué)生為中心展開教學(xué)3。對于教師來說，教師是知識的傳播者，教師在

4、傳授知識的過程中，必須對所傳授的知識掌握透徹，理清課程脈絡(luò)，使所講內(nèi)容前后連貫，構(gòu)成一個統(tǒng)一的整體。對于學(xué)生來說，學(xué)生是知識的接受者，學(xué)生的知識水平和理解能力有限，準(zhǔn)確地把握好學(xué)生的學(xué)習(xí)難點、理解誤區(qū)，相應(yīng)的調(diào)整授課內(nèi)容，講解時做到深入淺出，才能更好地引導(dǎo)學(xué)生掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。其教與學(xué)的關(guān)系可用圖1來表示2，形成復(fù)合控制，以求得更好的教學(xué)效果。 三、自動控制理論的課程體系 自動控制理論的課程體系包括結(jié)構(gòu)體系和內(nèi)容體系兩方面，結(jié)構(gòu)體系強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的主線，是該門課程的整體脈絡(luò)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠縱觀全局；內(nèi)容體系強(qiáng)調(diào)不同專業(yè)對該課程應(yīng)掌握的內(nèi)容以及學(xué)習(xí)要求，使學(xué)生學(xué)習(xí)時能夠突出重點4。 1.結(jié)構(gòu)體系。

5、結(jié)構(gòu)體系的把握要從“三縱三橫”出發(fā)5?！叭v”是指系統(tǒng)在三域（時域、頻域、復(fù)域）中的數(shù)學(xué)模型；“三橫”指系統(tǒng)特性（穩(wěn)定性、靜態(tài)特性和動態(tài)特性）的分析。如圖2所示。（1）“三縱”理清三域中的數(shù)學(xué)模型之間的關(guān)系，如圖3所示。對于一個實際系統(tǒng)來說，可以根據(jù)對象的特點建立時域模型、復(fù)域模型和頻域模型，模型的建立是等效的，三種模型之間可以按照圖3所示相互轉(zhuǎn)換。學(xué)會建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是分析問題和解決問題的前提，因此學(xué)生能夠理清三者之間的關(guān)系對于后續(xù)的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。把握好這條主線，使學(xué)生能夠縱觀全局，樹立一個“縱向”思路。（2）三橫。結(jié)合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，熟練掌握系統(tǒng)分析的三要素：穩(wěn)定性、靜態(tài)特性和動態(tài)特性。

6、系統(tǒng)性能指標(biāo)是衡量系統(tǒng)好壞的重要依據(jù)。只有能夠準(zhǔn)確分析系統(tǒng)的性能，才能知道如何更好的改進(jìn)系統(tǒng)，這樣才能使學(xué)生形成良好的“橫向”思維。 2.內(nèi)容體系。自動控制理論包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩部分。（1）經(jīng)典控制理論：主要內(nèi)容有自動控制系統(tǒng)的基本組成和結(jié)構(gòu)，自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，自動控制系統(tǒng)的模型建立，線性系統(tǒng)的時域分析、根軌跡分析和頻率特性分析，離散系統(tǒng)的模型建立及性能分析，非線性系統(tǒng)的性能分析以及自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，等等6。按照先概念、再模型、然后分析方法和指標(biāo)、最后校正的步驟逐步進(jìn)行。（2）現(xiàn)代控制理論：主要內(nèi)容有系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型即狀態(tài)空間表達(dá)式的建立，控制系統(tǒng)的運動分析、能控性與能

7、觀性分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析以及系統(tǒng)的反饋校正、極點配置、狀態(tài)觀測器的建立等7。按照先概念、再模型、然后分析方法和指標(biāo)、最后校正的步驟進(jìn)行。 四、自動控制理論課程教學(xué)現(xiàn)狀 1.從教師來說，教師之間“各自為政”，不利于提高教師的教學(xué)水平和工作效率。其一，在課堂教學(xué)上每位不同的授課教師都是按照自己的理解設(shè)計了不同的課件，因教學(xué)經(jīng)驗不同，即使選用相同的教材，每個人根據(jù)所教專業(yè)不同靈活選用例子的水平以及利用多媒體和板書的結(jié)合程度都是不同的，互相交流、集體備課討論環(huán)節(jié)較少，導(dǎo)致不同教師即使講授同一門課程教學(xué)效果也可能相差很大。其二，目前自動控制理論課程因涉及的專業(yè)面廣而課目眾多，教師任務(wù)繁重，并且每個教師

8、按自己的教學(xué)任務(wù)設(shè)答疑時間、地點，因此導(dǎo)致教師之間的教學(xué)交流較少。 2.從學(xué)生來說，不能給學(xué)生創(chuàng)造更好的自動控制理論的課外學(xué)習(xí)環(huán)境。由于學(xué)生功課學(xué)習(xí)任務(wù)重，不可能有大量的時間搜索整理大量的自動控制理論的課外拓展學(xué)習(xí)資料，也不可能實現(xiàn)不受時間地點限制的與同學(xué)、教師交流和討論，因此減少了學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑，限制了學(xué)生對本門課學(xué)習(xí)的興趣度和學(xué)習(xí)熱情。其次，學(xué)生學(xué)習(xí)的態(tài)度也有很大變化，當(dāng)前學(xué)生學(xué)習(xí)更加注重以后是否能應(yīng)用到工作實際當(dāng)中，如果與以后工作無關(guān)，學(xué)生對該門課程就會變得消極懈怠1，而且學(xué)生不重視理論的學(xué)習(xí)，覺得枯燥乏味，降低了學(xué)習(xí)興趣，因此提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是自動控制理論課程的重要環(huán)節(jié)8。 五、自動控

9、制原理課程的改革與實踐 針對上述教學(xué)過程中存在的問題，我們從以下方面進(jìn)行改革與實踐。 1.更新教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生對自動控制理論學(xué)習(xí)的好奇心和自主學(xué)習(xí)動力。（1）重視理論教學(xué)同時注重理論聯(lián)系實際，在課堂講授內(nèi)容中注意基本概念與基本方法的介紹，同時積極引入案例式教學(xué)方法，通過列舉日常生產(chǎn)中的通俗易懂的實例，如馬桶水箱水位控制系統(tǒng)、冰箱、空調(diào)溫度控制系統(tǒng)等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。（2）通過理論聯(lián)系電力大學(xué)專業(yè)背景、電力專業(yè)特色，例如自動化、熱能等專業(yè)可以列舉如汽包水位控制系統(tǒng)、主蒸汽溫度控制系統(tǒng)、爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)等例子，對于機(jī)械專業(yè)可以選取阻尼器、彈簧等構(gòu)成的機(jī)械系統(tǒng)，于電氣專業(yè)可以選取電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制

10、系統(tǒng)、rlc電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等，通過大量控制系統(tǒng)的實例進(jìn)行分析，提高學(xué)生分析問題的能力，同時提高學(xué)生對后續(xù)專業(yè)知識學(xué)習(xí)的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，做好后續(xù)課程學(xué)習(xí)的鋪墊和引導(dǎo)。（3）理論指導(dǎo)科研，科研促進(jìn)教學(xué)的發(fā)展。建設(shè)網(wǎng)絡(luò)平臺，可以促進(jìn)教師進(jìn)行教學(xué)交流，及時更新目前的教學(xué)內(nèi)容；在網(wǎng)絡(luò)平臺及自動控制理論課內(nèi)拓展上，教師可以結(jié)合自己的前沿科學(xué)研究及自動控制理論的前沿發(fā)展、應(yīng)用進(jìn)行拓展和引導(dǎo)，比如通過自動控制實現(xiàn)神十飛天、“玉兔號”月球車成功登陸等都離不開自動控制技術(shù)，激發(fā)學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)熱情。 2.改進(jìn)課堂教學(xué)方法。變“灌輸式”課堂教學(xué)模式為“引導(dǎo)式”、“互動式”模式。在課堂教學(xué)中，運用講授法、多媒體演示法

11、、提問互動法、討論探討法等多種教學(xué)方法；注意采用啟發(fā)式教學(xué)方法，尋找學(xué)生學(xué)習(xí)的興奮點，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，鼓勵學(xué)生積極質(zhì)疑，由被動受教轉(zhuǎn)為積極參與，形成較為獨特的教學(xué)風(fēng)格。 3.豐富課堂教學(xué)手段，提高教學(xué)效果。對于目前設(shè)計研制的多媒體教學(xué)課件和電子教案進(jìn)行不斷的充實和完善，各位教師互相交流，達(dá)成共識，形成統(tǒng)一研制的對應(yīng)不同學(xué)時、不同專業(yè)的多個多媒體課件。課件要能夠充分利用現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備和教學(xué)手段，采用板書和多媒體相結(jié)合，使課堂教學(xué)圖文并茂、生動活潑，增加課堂講授的信息量，提高課堂教學(xué)效率，更加有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)。利用matlab軟件輔助課堂教學(xué)，幫助學(xué)生理解抽

12、象的控制理論，利用典型事例和啟發(fā)式的課堂教學(xué)，結(jié)合科研實踐和專業(yè)發(fā)展講授課本內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課外有效利用基于網(wǎng)絡(luò)平臺的教學(xué)，將所有資源放置在網(wǎng)絡(luò)平臺上，真正實現(xiàn)交互式雙向教學(xué)。 4.改革考核方法。在考核方式上，采用平時考核和期末考試考核相結(jié)合的方式。平時成績包括到課、作業(yè)占總成績的30%，期末考試成績占70%，注重了過程考核和考試結(jié)果考核相結(jié)合，但效果仍不夠理想。有的學(xué)生存在“上課為點卯，作業(yè)通過抄，考試靠突擊，考后全忘光”的學(xué)習(xí)方式，不符合知識的學(xué)習(xí)過程，更談不上日后知識的靈活運用與創(chuàng)新了。通過改革考核方式，增加多次階段性單元測驗、抽查作業(yè)、課堂提問、網(wǎng)絡(luò)答疑、期中考試等多種過程學(xué)

13、習(xí)考核渠道，考試命題由以前的一種題型變?yōu)椴捎枚喾N題型，增加覆蓋面，以客觀衡量教學(xué)效果。試卷評閱后，科學(xué)地對考卷情況進(jìn)行分析研究，分析學(xué)生對課程內(nèi)容的理解和掌握程度，為調(diào)整下一學(xué)年度的課堂教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度提供必要的參考信息。在不斷的改革探索中旨在建立科學(xué)、多樣的評價標(biāo)準(zhǔn)，深化考試內(nèi)容和形式改革，注重學(xué)習(xí)過程考查，將過程性評價與結(jié)果性評價相結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生綜合素質(zhì)和能力的評價。 5.改革實踐教學(xué)和課程設(shè)計內(nèi)容。建立了自動控制原理實驗室、控制系統(tǒng)綜合設(shè)計兩個實踐性教學(xué)基地和大學(xué)生創(chuàng)新實踐基地等，通過實踐培養(yǎng)學(xué)生理論與實際相結(jié)合的能力以及創(chuàng)新能力，鼓勵學(xué)生參加數(shù)學(xué)建模、設(shè)計大賽等鍛煉自己理論聯(lián)系實際的能力

14、。由于教學(xué)改革和創(chuàng)新任務(wù)繁重，需要在所有自動控制理論教師積極參與協(xié)作下完成。 6.利用網(wǎng)絡(luò)平臺的優(yōu)勢進(jìn)行自動控制理論網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的建設(shè)，以輔助課堂教學(xué)，更好地完成自動控制理論的教學(xué)工作的改革，提高教學(xué)效果。 六、結(jié)語 經(jīng)實踐表明，教師的授課效果明顯改善，學(xué)評成績大幅度提升，學(xué)生的自動控制理論學(xué)習(xí)成績大幅度提升，學(xué)生自動控制理論課的考研成績有明顯的提升?？傊詣涌刂评碚撌且婚T理論性和實踐性都較強(qiáng)的學(xué)科，教師只有在教學(xué)過程中不斷的反思并探索新的教學(xué)方法，并在實踐中加以應(yīng)用，才能切實提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出高素質(zhì)人才。 參考文獻(xiàn)： 1謝靜超，畢月虹，刁彥華.關(guān)于自動控制原理的思考c.土木建筑教育改革理論與實踐，2010，（12）. 2任琦梅.“自動控制原理“教學(xué)方法分析j.中國電力教育，2013，（2）. 3程麗平.“5w模式”在自動控制原理教學(xué)中的應(yīng)用j.中國電力教育，2012，（15）. 4徐穎秦，潘豐.自動控制原理立