淺論高職自動控制原理課程的改革實踐

王紅琰　安英會　黎　賓

[摘要]應(yīng)用SIMULINK仿真，采用“任務(wù)驅(qū)動”項目教學法對高職火電廠生產(chǎn)過程自動化專業(yè)的自動控制原理課程的教學內(nèi)容、教學方法、教學過程的組織實施以及考核方式進行改革，可使該課程更具有專業(yè)針對性和學生參與性，有效提高教學效果。

[關(guān)鍵詞]SIMULINK仿真“任務(wù)驅(qū)動”課程改革

自動控制原理課程是自動化相關(guān)專業(yè)的核心課程之一。自動化技術(shù)已應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各個領(lǐng)域，針對不同工業(yè)領(lǐng)域，其自動化理論又各有不同，例如電力工程自動化偏重于頻域分析，而電廠生產(chǎn)過程的自動化則偏重于時域分析，幾乎不涉及頻域的問題。對于高職教育來說，為了使理論更貼近生產(chǎn)實際，使自動控制原理課程在不同專業(yè)更具有針對性，就應(yīng)打破以往的教學習慣，采用更有專業(yè)針對性，更符合高職教育特色的教學方法。

“任務(wù)驅(qū)動”的項目教學法是建構(gòu)主義理論中的一種教學模式，是將所要學習的新知識隱含在一個或幾個任務(wù)之中，學生通過對所提的任務(wù)進行分析、討論，明確它大體涉及哪些知識，在老師的指導、幫助下找出解決問題的方法，最后通過任務(wù)的完成而實現(xiàn)對所學知識的意義建構(gòu)。它是真正實現(xiàn)“職業(yè)教育”這一高職教育目標的教學方法。把“任務(wù)驅(qū)動”的項目教學法應(yīng)用于高職自動控制原理的教學中去。必將使以往枯燥的理論教學變得形象生動，收到良好的教學效果。本文著重介紹高職電廠生產(chǎn)過程自動化專業(yè)的自動控制原理課程改革實踐，探索適合高職教育特色、體現(xiàn)專業(yè)特點的自動控制原理課程教學方法。

一、課程改革的內(nèi)容

熱動專業(yè)的生產(chǎn)過程自動控制理論分析主要采用自動控制理論中的時域分析法，而自動控制理論中較為復雜的頻域分析在該領(lǐng)域很少涉及。鑒于高職生的接受能力以及學生的專業(yè)特點，該課程的改革將首先在教學內(nèi)容上進行改革；然后在教學手段上采用SIMULINK仿真的實訓環(huán)節(jié)增加整個教學過程的實踐性，以提高學生理論學習的積極性；在教學過程的組織實施上，采用分階段的“任務(wù)驅(qū)動”的項目教學使教學內(nèi)容更具層次性，并且更系統(tǒng)化；最后在考核方式上加入對實訓環(huán)節(jié)的考核，實現(xiàn)對學生的綜合素質(zhì)的考核。

(一)教學內(nèi)容的改革

改革后的教學內(nèi)容分為四大部分：控制系統(tǒng)數(shù)學模型、時域分析法、工業(yè)控制器、自動控制系統(tǒng)設(shè)計實例。其中，控制系統(tǒng)數(shù)學模型、時域分析法作為重點，而頻域分析作為了解性內(nèi)容，只要求學生知道有此種方法同樣可以對控制系統(tǒng)進行各種特性的分析；控制系統(tǒng)的校正則重點講解工業(yè)控制器的控制規(guī)律。前三部分是自動控制的基礎(chǔ)理論，最后一部分是自動控制原理的應(yīng)用，應(yīng)用方面則會選擇電廠中的汽包水位控制系統(tǒng)為例，進行系統(tǒng)設(shè)計和分析。

改革后的自動控制原理課程最終將服務(wù)于熱工自動控制系統(tǒng)。在自動控制原理課程中適當滲透一些熱工自動控制系統(tǒng)的內(nèi)容，將使學生在后續(xù)課程的學習中得到啟發(fā)，更符合于一體化課程體系的教學要求。

(二)教學方法的改革

目前，自動控制原理課程的教學方法主要有以下幾種：一是傳統(tǒng)的教學方法，即“粉筆+黑板”。繁瑣的公式推導、系統(tǒng)分析等均是建立在人算基礎(chǔ)上。該種方法對老師的教、學生的學兩方面都有很高的要求，一般少數(shù)本科教學中仍在采用。二是“理論+實訓”。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，自動控制理論也可以借助現(xiàn)代化的手段豐富教學，不少院校開始嘗試應(yīng)用MATLAB編程的手段對自動控制理論進行仿真，極大地提高了學生的學習興趣，但應(yīng)用MATLAB軟件主要是應(yīng)用編程語言來實現(xiàn)仿真，對于沒有任何編程基礎(chǔ)的學生來說，勢必增加了編程方面的難度，除了自動控制基本理論外，繁瑣的編程語言成為學生學習的另一障礙。

自動控制原理課程改革將繼續(xù)汲取第二種教學方法的優(yōu)點，采用“理論+實訓”的教學方法，但是仿真手段全部采用SIMULINK仿真，充分發(fā)掘SIMULINK的仿真功能?；趫D形化的仿真，不需編程，只需拖動圖形化模塊，設(shè)定初始條件就可進行仿真。實訓的目的是為了加深理論學習，采用簡單易學的工具，可使學生把盡可能多的精力應(yīng)用到自動控制理論的認識學習中，而不是投入到軟件的使用上，這樣更符合教學目標。

(三)教學過程的組織實施

采用“任務(wù)驅(qū)動”的項目教學法，其實質(zhì)是把整個教學過程分成若干個任務(wù)，知識點蘊含其中，任務(wù)的順利完成就代表著知識的掌握；針對學生的專業(yè)特點——熱電廠的生產(chǎn)過程自動化，可將教學過程分為幾個階段，每個階段完成相應(yīng)的任務(wù)。

階段一：認識自動控制的基本理論。包括典型輸入信號、典型環(huán)節(jié)、一階二階系統(tǒng)的時域分析，穩(wěn)定性分析和誤差分析等，通過此階段可讓學生從自動控制的角度去理解現(xiàn)場的自動控制系統(tǒng)。這些基本理論應(yīng)先作理論講解，然后SIMULINK仿真，通過仿真驗證各種結(jié)論。

階段二：認識并掌握工業(yè)常用PID控制器的控制規(guī)律和參數(shù)整定方法。這是自動控制原理學習中新增的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于電廠自動控制系統(tǒng)來說，幾乎所有的控制系統(tǒng)都采用了PID控制器?？刂破魇枪I(yè)控制的核心，它的控制原理和參數(shù)整定至關(guān)重要，學習自動控制原理的目的就是掌握控制器，因此，本階段的任務(wù)就是使學生掌握PID控制器的控制規(guī)律和參數(shù)整定。本階段的教學主要通過仿真實訓來完成，應(yīng)用SIMULINK構(gòu)建PID控制器模型，對PID控制器的控制規(guī)律和參數(shù)整定進行仿真。

階段三：設(shè)計汽包鍋爐的水位自動控制系統(tǒng)。該門課程的最終目標是學生能夠自己設(shè)計和調(diào)試一個實際的生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)，汽包鍋爐的給水控制系統(tǒng)是電廠中典型的自動控制系統(tǒng)，讓學生設(shè)計汽包水位的自動控制系統(tǒng)并調(diào)試運行。一方面可使學生對自動控制原理中的基本理論進行綜合運用；另一方面，實現(xiàn)理論與實踐的完美結(jié)合?？杉ぐl(fā)學生的學習興趣。這一階段的任務(wù)是仿真設(shè)計和調(diào)試汽包水位控制系統(tǒng)。電廠中通常采用單級單沖量和串級三沖量兩種控制方式相結(jié)合的策略，學生通過該系統(tǒng)的仿真設(shè)計和運行結(jié)果分析，可深刻理解兩種控制方式的異同及各自的控制特點。采用SIMULINK仿真后，抽象的控制指標可以清晰地反映在仿真曲線上，以往枯燥的理論學習變得生動有趣，由此極大提高了學生的學習積極性，并全面鞏固了學生對自動控制原理的基本理論。

(四)考核方式的改革

改革傳統(tǒng)的考核方法。在考試方式上，以往考核都是憑借期末考試一張試卷來評價學生的學習情況。面對素質(zhì)教育的要求以及社會對培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的需求，學校必須改革應(yīng)試教育的模式，強調(diào)和加強學生綜合能力的培養(yǎng)。將考試成績分為“平時成績+考試成績+實踐成績”。平時成績占20％，主要包括學習態(tài)度、課堂出勤率、答疑情況、學習的主動性、完成作業(yè)情況等；實驗成績占20％；包括做實驗、上機、實驗報告完成情況及運用所學專業(yè)知識解決問題的能力等；考試成績占60％，為了客觀評價教學效果，命題采用A、B卷的形式，多種題型，增加覆蓋面。教學實踐表明，改革后的考核辦法對教師和學生都具有促進作用，有利于教學水平和教學效果的提高。

二、教學效果

自動控制原理課程是高等院校自動化及相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，教學內(nèi)容抽象，學生不易掌握。因此，實驗教學效果的好壞對學生掌握基礎(chǔ)理論知識，提高學生學習興趣，以至提高整個課程的教學質(zhì)量都起著非常重要的作用。

通過采用SIMULINK仿真技術(shù)進行模擬仿真實驗教學，能夠把控制系統(tǒng)的抽象概念、動態(tài)過程形象地表現(xiàn)出來，便于學生理解掌握。在實踐教學中，充分發(fā)揮模擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢，正確處理模擬仿真技術(shù)在實踐教學中的地位，既加強學生基本功的訓練，又提高了學生的學習興趣，加深了基本理論知識的掌握，取得了良好的教學效果。

通過SIMULINK仿真實驗，學生掌握了運用計算機進行系統(tǒng)分析設(shè)計的基本方法。計算機對結(jié)果顯示的直觀性、準確性和形象化，對學生更深刻準確地理解、掌握和運用課程內(nèi)容起到了積極的作用，提高了教學效果，受到學生的歡迎。

綜上所述，自動控制原理課程是自動化相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，不同專業(yè)自動控制理論應(yīng)用不同。對于電廠生產(chǎn)過程自動化專業(yè)來說，需要自動控制原理課程的教學內(nèi)容更具針對性，教學方法更豐富，教學組織上更系統(tǒng)化。在教學改革中，對教學內(nèi)容、教學方法、教學過程三個方面進行改革，適當增加SIMULINK仿真的實訓環(huán)節(jié)，采用“任務(wù)驅(qū)動”項目教學法對教學內(nèi)容進行組織實施，可大大提高學生的學習興趣，改善學習效果。對老師而言。也使其從以往的理論推導中解脫出來，用仿真來驗證結(jié)論，激發(fā)了學生的學習主動性。有效提高了教學效果。使高職自動控制原理課程的教學更貼近生產(chǎn)實際，符合高職教育的培養(yǎng)目標。

(責編黎原)