关于“自动控制原理”教学改革的研究与探索

 摘要：文章分析了自动化控制原理的特点和教学中存在的问题，提出把握知识线索、培养创新思维、丰富教学手段以及改进实验教学等一系列教学改革的具体措施。通过教学实践表明，取得了较好的教学效果。 
　“自动控制原理”是高校自动化专业的专业基础课，是电气信息类、机械类、环境工程类等专业的学科基础课。在整个专业知识体系中占据非常重要的地位，具有承上启下的作用。通过对控制理论知识的学习，使学生掌握分析、测试和设计自动控制系统的基本方法，培养学生对控制系统的工程实践能力和创新能力，为后续如“计算机控制技术”、“过程控制系统”、“电气控制”、“先进控制系统”等专业课程提供理论基础和分析设计方法。该课程内容涉及数学、物理、电子、电机、机械等多学科领域，还与实际工程系统的控制密切相关，具有内容丰富、理论性强、涉及知识面广、更新发展快等特点，有一定的深度和学习难度。学生在学习过程中容易感到枯燥乏味，产生厌学情绪。教师在教授过程中也容易过分强调理论知识的数学推导，忽视工程应用。为了促进教学质量的提高，对该课程进行教学改革是十分必要的。 
一、优化课程内容，把握知识线索 ：
　1、重点突出 ：
　    随着专业口径的不断扩宽，各门课程的教学内容也不断膨胀和加深，自动控制原理课程也面临着内容多和课时少的矛盾，所以要精选课程内容，突出重点。下面将每章中的一些重点分别加以阐述： “控制系统基本概念”重点是自动控制系统的基本工作原理，自动控制系统的结构及特点、组成和基本环节，自动控制系统的性能指标，自动控制系统的类型。 “控制系统的数学模型”重点是动态微分方程的建立，传递函数求解，系统动态结构图变换。 “线性连续系统的时域分析”重点是自动控制系统的暂态过程分析，代数稳定判据，稳态误差求解，根轨迹的绘制，用根轨迹法分析系统的性能。 “线性连续系统的频域分析”重点是频率特性的绘制，频率特性与系统时域指标之间的关系，频域指标，Nyquist判据。 “线性系统的校正”重点是系统设计的思想，串联校正的特性及作用，校正方法。 “非线性系统分析”重点是非线性系统动态过程的特点，描述函数法，改善非线性系统性能的措施及非线性特性的利用，相平面法。 “线性离散系统”重点是离散时间函数的数学表达式及采样定理，线性常系数差分方程与脉冲传递函数，采样控制系统的时域分析，采样控制系统的频域分析与数字校正。 
　2、.线索清晰 ：
　　自动控制原理课程理论性强、内容多、涉及大量数学知识。同学们在学习过程中常常不清楚各个知识点之间的相互联系，以及各个章节之间的因果关系，总感觉“不识庐山真面目”，学习起来很费力。所以在教学过程中，教师应当理清线索。就自动控制原理本身的内在体系而言，是按照“系统建模、系统分析、系统综合”这个主线展开。系统建模是系统分析和系统综合的基础，数学模型有时域模型、复域模型和频域模型。系统分析是围绕稳定性、稳态性能和瞬态性能展开，系统综合与校正用到根轨迹法和频域法。另外以方法为线索，可以分为“时域法、根轨迹法和频域法”。如果以系统为线索，可以分为“线性系统、离散系统、非线性系统”。这几条线索相互交叉，教师在讲授知识点时应抓住这几条线索，让同学们先从宏观上知道各个知识板块章节间的因果关系，再从微观上来具体消化每个知识点，这样学习起来就更轻松。 
二、结合工程实际，培养创新思维： 
　　自动控制原理课程不仅理论性强，而且工程实践性也强。在原理的讲授中要注重培养学生的工程思维习惯，不仅可以使学生更好理解理论知识，也可以培养学生的创新意思。例如在讲授反馈原理时，可以结合生活当中的空调温度控制系统工作原理进行讲解。并注意引导学生自己联系生活中的事例结合控制原理的知识进行分析，激发学生的学习兴趣。在引用工程实例的同时还应注意结合专业学科方向，针对大中院校的特点，可以对温室大棚的控制系统工作原理进行介绍。另外，还应注意引用自动化领域的一些前沿技术。例如哈勃太空望远镜指向系统能在644km处将视野聚集在一枚硬币上，望远镜的偏差在一次太空任务中得到了大规模的校正。根据这个工程背景，让学生对哈勃太空望远镜指向系统建立数学模型，并按照设计要求进行系统分析。对兴趣浓厚的学生，还可启发如果在控制结构中，引入串联PI控制器，可否进一步优化系统性能。通过这些示例的讲解，使学生对自动控制原理实际应用有更深刻的认识。 
三、丰富教学手段，提高教学效果：
     1、引入多媒体辅助教学： 
　　传统的板书式教学，教师需花费大量的时间在公式推导和曲线绘制上，课堂气氛枯燥而沉闷。随着计算机的普及，采用多媒体辅助授课方式可以在绘图的准确性和快速性方面有较大提高，从而提高教学效率，另外有助于学生对抽象知识的理解。但是，任何事物都有两面性，多媒体教学也存在教学内容大，学生思维速度跟不上等弊端。因此，教师在讲授中可以以多媒体教学为主，对于一些重点难点适当的辅以板书，放慢速度。同时要注重师生之间的课堂互动，充分发挥两种教学手段的优点，提高教学效果。 
　 2、加强MATLAB的应用： 
　　MATLAB软件功能强大，具有先进的视觉化功能，是一种完善的科学计算语言。通过MATLAB仿真教学，使学生对新知识印象深刻。特别是研究系统中某个参数或环节变化时对系统的影响，可以很直观的通过MATLAB展现出来。例如若已知某系统的开环传递函数为：，求当K分别取1300和5200时，试绘制系统的奈奎斯特图，并判断系统的稳定性。 通过用MATLAB编程，可绘制出系统的奈奎斯特图如下： 当K=1300，系统稳定，对应的阶跃响应是衰减振荡；K=5200，系统为临界稳定，其阶跃响应则表现为等幅振荡。 笔者编写了《MATLAB程序设计及其应用》教材，充分发挥MATLAB在自动控制原理教学中的应用，取得了满意的教学效果。 
　 3、结合网络教学 ：
　　网络教学是课堂教学的延伸。通过网络教学，学生可以加深对课堂教学内容的理解，扩大知识面，并提高学生分析问题、解决问题的能力。充分发挥网络资源的优势，在增加知识面、提高效率、因材施教等方面对课堂教学起到了很好地补充作用，有利于充分发挥学生的主观能动性。 
四、改进实验教学，强化动手能力 ：
　　实验教学不仅是对理论知识的验证，更重要的是培养学生动手能力、基本科研能力和创新能力的重要环节。 
　1、仿真实验和物理实验相结合 
　　传统的自动控制原理实验课程为物理实验，利用实验箱，将相应的有源网络模块连接成典型环节或系统，再施加典型信号，通过示波器观察实验结果。学生在实验中对于所调节的参数和系统性能的关系难以真正理解，并且在使用中也容易损坏元件，而且元件的非线性，也会影响实验结果。利用MATLAB软件的SIMULINK仿真平台作仿真实验，能很好解决物理实验的不足，并加深对课程知识的理解，还可以将实验延伸到课外进行。 
　2、验证实验和设计实验相结合 ：
　　传统的实验一般都是验证实验，教师给出实验目标和要求，学生根据实验步骤来进行实验，这类实验对于知识点的学习和理解是有必要的，但是按部就班的实验过程不能培养学生的创新思维。因此，在课程设计的形式上可开展一些设计性的实验。教师给出设计题目，学生进行方案的设计、选择、实施，从而培养学生的创新热情。 
　3、课堂实验和开放实验相结合; 
　　课堂实验的时间是有限的，应充分利用课外时间展开开放性实验。开放性实验应结合工程应用背景和教师的科研项目，以锻炼学生的科研能力。 

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