關(guān)于“自動控制原理”教學(xué)改革的研究與探索

 摘要：文章分析了自動化控制原理的特點和教學(xué)中存在的問題，提出把握知識線索、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、豐富教學(xué)手段以及改進(jìn)實驗教學(xué)等一系列教學(xué)改革的具體措施。通過教學(xué)實踐表明，取得了較好的教學(xué)效果。 
　“自動控制原理”是高校自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是電氣信息類、機(jī)械類、環(huán)境工程類等專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課。在整個專業(yè)知識體系中占據(jù)非常重要的地位，具有承上啟下的作用。通過對控制理論知識的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握分析、測試和設(shè)計自動控制系統(tǒng)的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生對控制系統(tǒng)的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)如“計算機(jī)控制技術(shù)”、“過程控制系統(tǒng)”、“電氣控制”、“先進(jìn)控制系統(tǒng)”等專業(yè)課程提供理論基礎(chǔ)和分析設(shè)計方法。該課程內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)、物理、電子、電機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科領(lǐng)域，還與實際工程系統(tǒng)的控制密切相關(guān)，具有內(nèi)容豐富、理論性強(qiáng)、涉及知識面廣、更新發(fā)展快等特點，有一定的深度和學(xué)習(xí)難度。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易感到枯燥乏味，產(chǎn)生厭學(xué)情緒。教師在教授過程中也容易過分強(qiáng)調(diào)理論知識的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，忽視工程應(yīng)用。為了促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高，對該課程進(jìn)行教學(xué)改革是十分必要的。 
一、優(yōu)化課程內(nèi)容，把握知識線索 ：
　1、重點突出 ：
　    隨著專業(yè)口徑的不斷擴(kuò)寬，各門課程的教學(xué)內(nèi)容也不斷膨脹和加深，自動控制原理課程也面臨著內(nèi)容多和課時少的矛盾，所以要精選課程內(nèi)容，突出重點。下面將每章中的一些重點分別加以闡述： “控制系統(tǒng)基本概念”重點是自動控制系統(tǒng)的基本工作原理，自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點、組成和基本環(huán)節(jié)，自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，自動控制系統(tǒng)的類型。 “控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型”重點是動態(tài)微分方程的建立，傳遞函數(shù)求解，系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖變換。 “線性連續(xù)系統(tǒng)的時域分析”重點是自動控制系統(tǒng)的暫態(tài)過程分析，代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)，穩(wěn)態(tài)誤差求解，根軌跡的繪制，用根軌跡法分析系統(tǒng)的性能。 “線性連續(xù)系統(tǒng)的頻域分析”重點是頻率特性的繪制，頻率特性與系統(tǒng)時域指標(biāo)之間的關(guān)系，頻域指標(biāo)，Nyquist判據(jù)。 “線性系統(tǒng)的校正”重點是系統(tǒng)設(shè)計的思想，串聯(lián)校正的特性及作用，校正方法。 “非線性系統(tǒng)分析”重點是非線性系統(tǒng)動態(tài)過程的特點，描述函數(shù)法，改善非線性系統(tǒng)性能的措施及非線性特性的利用，相平面法。 “線性離散系統(tǒng)”重點是離散時間函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式及采樣定理，線性常系數(shù)差分方程與脈沖傳遞函數(shù)，采樣控制系統(tǒng)的時域分析，采樣控制系統(tǒng)的頻域分析與數(shù)字校正。 
　2、.線索清晰 ：
　　自動控制原理課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容多、涉及大量數(shù)學(xué)知識。同學(xué)們在學(xué)習(xí)過程中常常不清楚各個知識點之間的相互聯(lián)系，以及各個章節(jié)之間的因果關(guān)系，總感覺“不識廬山真面目”，學(xué)習(xí)起來很費力。所以在教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)理清線索。就自動控制原理本身的內(nèi)在體系而言，是按照“系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合”這個主線展開。系統(tǒng)建模是系統(tǒng)分析和系統(tǒng)綜合的基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)模型有時域模型、復(fù)域模型和頻域模型。系統(tǒng)分析是圍繞穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)性能展開，系統(tǒng)綜合與校正用到根軌跡法和頻域法。另外以方法為線索，可以分為“時域法、根軌跡法和頻域法”。如果以系統(tǒng)為線索，可以分為“線性系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)”。這幾條線索相互交叉，教師在講授知識點時應(yīng)抓住這幾條線索，讓同學(xué)們先從宏觀上知道各個知識板塊章節(jié)間的因果關(guān)系，再從微觀上來具體消化每個知識點，這樣學(xué)習(xí)起來就更輕松。 
二、結(jié)合工程實際，培養(yǎng)創(chuàng)新思維： 
　　自動控制原理課程不僅理論性強(qiáng)，而且工程實踐性也強(qiáng)。在原理的講授中要注重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維習(xí)慣，不僅可以使學(xué)生更好理解理論知識，也可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意思。例如在講授反饋原理時，可以結(jié)合生活當(dāng)中的空調(diào)溫度控制系統(tǒng)工作原理進(jìn)行講解。并注意引導(dǎo)學(xué)生自己聯(lián)系生活中的事例結(jié)合控制原理的知識進(jìn)行分析，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在引用工程實例的同時還應(yīng)注意結(jié)合專業(yè)學(xué)科方向，針對大中院校的特點，可以對溫室大棚的控制系統(tǒng)工作原理進(jìn)行介紹。另外，還應(yīng)注意引用自動化領(lǐng)域的一些前沿技術(shù)。例如哈勃太空望遠(yuǎn)鏡指向系統(tǒng)能在644km處將視野聚集在一枚硬幣上，望遠(yuǎn)鏡的偏差在一次太空任務(wù)中得到了大規(guī)模的校正。根據(jù)這個工程背景，讓學(xué)生對哈勃太空望遠(yuǎn)鏡指向系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，并按照設(shè)計要求進(jìn)行系統(tǒng)分析。對興趣濃厚的學(xué)生，還可啟發(fā)如果在控制結(jié)構(gòu)中，引入串聯(lián)PI控制器，可否進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。通過這些示例的講解，使學(xué)生對自動控制原理實際應(yīng)用有更深刻的認(rèn)識。 
三、豐富教學(xué)手段，提高教學(xué)效果：
     1、引入多媒體輔助教學(xué)： 
　　傳統(tǒng)的板書式教學(xué)，教師需花費大量的時間在公式推導(dǎo)和曲線繪制上，課堂氣氛枯燥而沉悶。隨著計算機(jī)的普及，采用多媒體輔助授課方式可以在繪圖的準(zhǔn)確性和快速性方面有較大提高，從而提高教學(xué)效率，另外有助于學(xué)生對抽象知識的理解。但是，任何事物都有兩面性，多媒體教學(xué)也存在教學(xué)內(nèi)容大，學(xué)生思維速度跟不上等弊端。因此，教師在講授中可以以多媒體教學(xué)為主，對于一些重點難點適當(dāng)?shù)妮o以板書，放慢速度。同時要注重師生之間的課堂互動，充分發(fā)揮兩種教學(xué)手段的優(yōu)點，提高教學(xué)效果。 
　 2、加強(qiáng)MATLAB的應(yīng)用： 
　　MATLAB軟件功能強(qiáng)大，具有先進(jìn)的視覺化功能，是一種完善的科學(xué)計算語言。通過MATLAB仿真教學(xué)，使學(xué)生對新知識印象深刻。特別是研究系統(tǒng)中某個參數(shù)或環(huán)節(jié)變化時對系統(tǒng)的影響，可以很直觀的通過MATLAB展現(xiàn)出來。例如若已知某系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：，求當(dāng)K分別取1300和5200時，試?yán)L制系統(tǒng)的奈奎斯特圖，并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 通過用MATLAB編程，可繪制出系統(tǒng)的奈奎斯特圖如下： 當(dāng)K=1300，系統(tǒng)穩(wěn)定，對應(yīng)的階躍響應(yīng)是衰減振蕩；K=5200，系統(tǒng)為臨界穩(wěn)定，其階躍響應(yīng)則表現(xiàn)為等幅振蕩。 筆者編寫了《MATLAB程序設(shè)計及其應(yīng)用》教材，充分發(fā)揮MATLAB在自動控制原理教學(xué)中的應(yīng)用，取得了滿意的教學(xué)效果。 
　 3、結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué) ：
　　網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是課堂教學(xué)的延伸。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，學(xué)生可以加深對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，擴(kuò)大知識面，并提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)勢，在增加知識面、提高效率、因材施教等方面對課堂教學(xué)起到了很好地補(bǔ)充作用，有利于充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。 
四、改進(jìn)實驗教學(xué)，強(qiáng)化動手能力 ：
　　實驗教學(xué)不僅是對理論知識的驗證，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、基本科研能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。 
　1、仿真實驗和物理實驗相結(jié)合 
　　傳統(tǒng)的自動控制原理實驗課程為物理實驗，利用實驗箱，將相應(yīng)的有源網(wǎng)絡(luò)模塊連接成典型環(huán)節(jié)或系統(tǒng)，再施加典型信號，通過示波器觀察實驗結(jié)果。學(xué)生在實驗中對于所調(diào)節(jié)的參數(shù)和系統(tǒng)性能的關(guān)系難以真正理解，并且在使用中也容易損壞元件，而且元件的非線性，也會影響實驗結(jié)果。利用MATLAB軟件的SIMULINK仿真平臺作仿真實驗，能很好解決物理實驗的不足，并加深對課程知識的理解，還可以將實驗延伸到課外進(jìn)行。 
　2、驗證實驗和設(shè)計實驗相結(jié)合 ：
　　傳統(tǒng)的實驗一般都是驗證實驗，教師給出實驗?zāi)繕?biāo)和要求，學(xué)生根據(jù)實驗步驟來進(jìn)行實驗，這類實驗對于知識點的學(xué)習(xí)和理解是有必要的，但是按部就班的實驗過程不能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。因此，在課程設(shè)計的形式上可開展一些設(shè)計性的實驗。教師給出設(shè)計題目，學(xué)生進(jìn)行方案的設(shè)計、選擇、實施，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新熱情。 
　3、課堂實驗和開放實驗相結(jié)合; 
　　課堂實驗的時間是有限的，應(yīng)充分利用課外時間展開開放性實驗。開放性實驗應(yīng)結(jié)合工程應(yīng)用背景和教師的科研項目，以鍛煉學(xué)生的科研能力。 

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