“自動控制基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探析

徐華平　潘朝峰　劉炳霞

摘 要：文章從 “自動控制基礎(chǔ)”課程教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問題出發(fā)，根據(jù)自動控制基礎(chǔ)課程的特點，結(jié)合江蘇科技大學(xué)能源與動力工程專業(yè)的偏船舶背景，基于課程內(nèi)容優(yōu)化、計算機輔助教學(xué)、教學(xué)方法改進、實踐教學(xué)、課程考核等方面提出了“自動控制基礎(chǔ)”課程的教學(xué)改革策略。

關(guān)鍵詞：自動控制基礎(chǔ)；教學(xué)改革；高等工科學(xué)校

中圖分類號：G642.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2015）04-0043-02

“自動控制基礎(chǔ)”是高等工科學(xué)校廣泛采用的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。主要研究經(jīng)典控制理論的基本內(nèi)容，具有理論性強、系統(tǒng)性強、應(yīng)用范圍廣等特點，而且是一門跨控制論與機械工程技術(shù)理論領(lǐng)域的邊緣學(xué)科。本課程將環(huán)節(jié)與系統(tǒng)相互貫通，著重加強環(huán)節(jié)和系統(tǒng)基本理論的介紹；遵循各環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)組成與動態(tài)特性相結(jié)合的教學(xué)體系。學(xué)生通過本門課程的學(xué)習(xí)，能夠加強用動態(tài)的概念分析問題的基本技能，了解自動控制原理的應(yīng)用，掌握實驗的基本技能，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從事有關(guān)的工程技術(shù)工作和科學(xué)研究工作打下一定的基礎(chǔ)。本課程對培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力，樹立理論聯(lián)系實際的科學(xué)觀點和提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力有著重要的作用。在實際教學(xué)中存在內(nèi)容多、學(xué)時緊（40學(xué)時）的矛盾，加之這門課程比較抽象，公式繁多，有一定的深度和難度，而且對于數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)較弱的非控制專業(yè)的工科學(xué)生來說，學(xué)習(xí)熱情更加不高，學(xué)生經(jīng)常反映學(xué)習(xí)本門課程后不知如何系統(tǒng)應(yīng)用。對于江蘇科技大學(xué)有船舶背景的能源與動力工程專業(yè)學(xué)生來說也是如此。針對這種情況，在逐年的教學(xué)過程中，不斷嘗試總結(jié)經(jīng)驗，從理論講授、計算機輔助、實踐教學(xué)等方面進行了改革，形成了一套全方位的教學(xué)新體系。

一、優(yōu)化課程內(nèi)容，突出課程特點

“自動控制基礎(chǔ)”課程主要包括控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，控制系統(tǒng)的時域分析，控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)及頻率指標(biāo)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析（勞斯判據(jù)、奈奎斯特判據(jù)）及相對穩(wěn)定性指標(biāo)，控制系統(tǒng)的設(shè)計與校正，線性離散系統(tǒng)初步等?？紤]到專業(yè)背景和學(xué)生的理解能力，在保持課程體系完整的前提下，理論教學(xué)中刪掉了根軌跡法和Z變換，在講解傳遞函數(shù)章節(jié)時插入兩課時的部分復(fù)變函數(shù)和積分變換內(nèi)容。本門課程的特點是知識點多而繁雜，因此凝練教學(xué)主線是學(xué)生掌握理論知識并靈活運用的關(guān)鍵。數(shù)學(xué)模型是控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的基礎(chǔ)，首先通過實例分析講解典型線性元件的數(shù)學(xué)模型建立方法，在此基礎(chǔ)上結(jié)合實際控制系統(tǒng)講解控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的繪制和閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的求取方法。對于時域分析法和頻域分析法，突出時域分析法的直觀性，強調(diào)頻域分析法的工程應(yīng)用。講課時從不同角度剖析教材中的重要定理、方法與公式等，讓學(xué)生充分認(rèn)識教材內(nèi)容的含義，對于難以理解的數(shù)學(xué)推導(dǎo)加以刪減和弱化，更注重數(shù)學(xué)推導(dǎo)結(jié)論的應(yīng)用，使復(fù)雜問題簡單化，重點是強調(diào)基本概念的理解與吸收，突出控制理論的工程應(yīng)用背景，強調(diào)控制理論的實踐性，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。以學(xué)生熟悉的控制系統(tǒng)為例來分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、建立系統(tǒng)模型、分析控制系統(tǒng)工作原理、分析系統(tǒng)性能等，可以使學(xué)生真正掌握控制理論的應(yīng)用方法，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

二、改進教學(xué)方法

由于“自動控制基礎(chǔ)”課程比較抽象，不同于一般的專業(yè)課，在授課過程中，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)比較吃力，不知道這些知識學(xué)了用在什么地方，某些學(xué)生有“自動控制基礎(chǔ)課程難學(xué)又沒用”的想法，大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)目的不明確，上課的注意力很容易不集中，傳統(tǒng)教學(xué)方法嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。針對這種情況以及學(xué)生對應(yīng)的偏船舶專業(yè)背景，在課堂教學(xué)中引入船舶中大量的控制系統(tǒng)應(yīng)用的實例，如把船舶柴油機氣缸冷卻水溫度控制系統(tǒng)、船舶燃油黏度控制系統(tǒng)、船用輔鍋爐的水位自動控制系統(tǒng)、主機遙控系統(tǒng)和船舶火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)自動控制等等，穿插到本門課程的教學(xué)中。這種教學(xué)方法通俗易懂，學(xué)生能很快接受，從“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”，課下經(jīng)常有學(xué)生請教實例中深層次的問題，學(xué)生普遍反映喜歡這種實例講解。同時在教學(xué)中注意采用多種教學(xué)手段與方法，上課并不是簡單地“念”多媒體課件，對于重要的數(shù)學(xué)推理以及公式，還是在黑板上進行推導(dǎo)，現(xiàn)代教學(xué)手段與傳統(tǒng)教學(xué)方法有機結(jié)合，可以使得課程教學(xué)更加科學(xué)[1]；課上多用啟發(fā)式提問，增加學(xué)生對知識點的感性認(rèn)識，讓學(xué)生積極思考和分析，然后積極組織學(xué)生參與課堂討論，最后教師加以總結(jié)。師生之間形成良好的互動，課堂教學(xué)氛圍比較活躍，很大程度上調(diào)動了學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣。

三、注重Matlab軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

Matlab軟件在歐美國家早在20世紀(jì)90年代就正式引入教學(xué)中，如今Matlab已經(jīng)成為線性代數(shù)、控制理論、數(shù)理統(tǒng)計和數(shù)字信號處理等課程的基本教學(xué)工具，成為歐美國家大學(xué)生必須掌握的基本技能。自動控制基礎(chǔ)課程理論復(fù)雜，公式也比較多，Matlab控制系統(tǒng)工具箱可以很好地處理以傳遞函數(shù)為主要特征的經(jīng)典控制問題[2]。將Matlab引入課堂教學(xué)中，不但可以提高教學(xué)質(zhì)量，也能吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如時域分析中，系統(tǒng)對各種典型輸入信號的響應(yīng)傳統(tǒng)上都是利用拉普拉斯變換法求解出系統(tǒng)輸出的拉普拉斯變換，然后拉普拉斯逆變換得到輸出的時間函數(shù)。由于江蘇科技大學(xué)能源與動力工程專業(yè)學(xué)生以前沒有學(xué)過復(fù)變函數(shù)與積分變換這類課程，加之過多的數(shù)學(xué)變換干擾了學(xué)生對時域分析的理解，特別是二階振蕩系統(tǒng)，得到的系統(tǒng)輸出方程比較復(fù)雜，學(xué)生難以理解。而且課堂教學(xué)中做出準(zhǔn)確的曲線也比較困難。在Matlab環(huán)境下，可以很方便地輸入相應(yīng)的參數(shù)，從而得到相應(yīng)的響應(yīng)曲線。再通過改變自然頻率和阻尼比的大小，可以很直觀地觀察到這兩個參數(shù)對時間響應(yīng)曲線的影響。整個過程清晰明了，教學(xué)形象生動，復(fù)雜抽象理論的概念得以具體圖形化，學(xué)生對知識點易于掌握，對課程的興趣也得到提升。另外利用此軟件在頻率特性的Nyquist圖、Bode圖的繪制與分析以及系統(tǒng)的校正等傳統(tǒng)教學(xué)難點的教學(xué)中也收到了很好的教學(xué)效果。課下也鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)Matlab軟件，建議課后部分作業(yè)用Matlab來完成。

四、加強實驗教學(xué)

課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)在江蘇科技大學(xué)是獨立授課實驗，授課教師與實驗教師的溝通尤為重要。一方面，目前實驗安排上盡量壓縮講解時間，減少演示性的實驗項目，相關(guān)的理論知識學(xué)完后緊跟實驗，增多設(shè)計性、綜合性的開放實驗內(nèi)容， 強化學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，確保學(xué)生不但能做出結(jié)果，還能知道為什么會有這樣的結(jié)果；另一方面在Matlab環(huán)境下開展計算機輔助虛擬教學(xué)實驗，“虛實”兩種手段有機結(jié)合。對于動手能力強的學(xué)生，利用實驗室現(xiàn)有的設(shè)備，引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計實驗項目，能力非常突出的，吸收到學(xué)校相關(guān)本科生創(chuàng)新計劃的研究小組。充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性，為畢業(yè)后的工作或深造打下基礎(chǔ)。

五、改革考核方式

“自動控制基礎(chǔ)”課程為必修考查課，考核方式比較靈活，教師可以自由選擇。以前都是采用開卷考試或者是小論文的方式，實施下來發(fā)現(xiàn)效果非常差，學(xué)生對本課程的重視程度不高，上課不聽講、睡覺，甚至干脆逃課的現(xiàn)象很多。而且自動控制基礎(chǔ)的一些基本概念和理論必須掌握，所以考試是必要的[3]。但單純采用閉卷考試后，學(xué)生往往都在考試前突擊復(fù)習(xí)，相當(dāng)一部分學(xué)生的成績都是勉強及格。后來改用平時成績加期末考試卷面成績綜合的形式，平時成績和期末考試卷面成績各占50%，平時成績由以下幾部分構(gòu)成：1.課堂考勤；2.課后作業(yè)，事先聲明嚴(yán)禁抄襲，必須是自己獨立完成，對于交上來的作業(yè)教師認(rèn)真批改并及時講解，作業(yè)有抄襲嫌疑的在課堂上向?qū)W生求證，幾次下來作業(yè)抄襲現(xiàn)象得到了很好的遏制；3.課題提問環(huán)節(jié)，每次隨機提問，而不是傳統(tǒng)的按照學(xué)號順序來，這樣每個學(xué)生都覺得自己會被問到，上課就會集中注意力，認(rèn)真聽講，同時也能檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，每位學(xué)生在整個課程的教學(xué)過程中至少要被提問三次；4.額外加分項，課堂練習(xí)中有把握的學(xué)生可以上黑板來完成和講解，效果良好的學(xué)生可以獲得若干額外加分，份額為1—5分，為了公平起見，每個學(xué)生這樣的機會是兩次。期末考試不設(shè)填空題和選擇題，一般為四到五道計算題，命題突出能力考核。

以上教改措施經(jīng)過近幾屆學(xué)生的實施，取得了一定的成效，效果顯著，提高了教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對課程知識的掌握，這也為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。但教學(xué)方面還有很多問題需要繼續(xù)探索與完善，教學(xué)方法必須不斷改進、不斷總結(jié)、不斷創(chuàng)新，達到進一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)創(chuàng)新能力、實踐能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

參考文獻：

[1]王偉，申愛明.“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革研究與探索[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，（2）.

[2]王輝，張段芹，馬軍等.基于MATLAB的機械工程控制基礎(chǔ)教學(xué)與實踐[J].山西科技，2013，（6）.

[3]劉建群.“機械工程控制基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革的思考與實踐[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2006，（S1）.