“能源與動(dòng)力工程”專(zhuān)業(yè)自動(dòng)控制課程實(shí)踐教學(xué)探討

強(qiáng)彥　徐曉冬　魏列江

[摘 要]“能源與動(dòng)力工程”專(zhuān)業(yè)自動(dòng)控制課程的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法在實(shí)踐中不斷改革。對(duì)于這種交叉學(xué)科的實(shí)踐教學(xué)，應(yīng)做到實(shí)踐課程與理論課程緊密融合;結(jié)合“能源與動(dòng)力工程”專(zhuān)業(yè)特色，實(shí)踐課程中應(yīng)設(shè)計(jì)與專(zhuān)業(yè)相關(guān)的實(shí)踐內(nèi)容;整合專(zhuān)業(yè)內(nèi)課程資源，進(jìn)行課程深度拓展。

[關(guān)鍵詞]能源與動(dòng)力工程 自動(dòng)控制 實(shí)踐教學(xué) 探討

[中圖分類(lèi)號(hào)] G423[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 2095-3437（2015）12-0157-02

2012年教育部新版高校本科專(zhuān)業(yè)目錄中將“熱能與動(dòng)力工程”調(diào)整為“能源與動(dòng)力工程”?！澳茉磁c動(dòng)力工程”致力于傳統(tǒng)能源的利用及新能源的開(kāi)發(fā)，以及如何更高效地利用能源。“能源與動(dòng)力工程”專(zhuān)業(yè)主要培養(yǎng)在能源轉(zhuǎn)換與利用和熱力環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，較強(qiáng)的實(shí)踐、適應(yīng)和創(chuàng)新能力，較高的道德素質(zhì)和文化素質(zhì)的高級(jí)人才，以滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)該能源動(dòng)力學(xué)科領(lǐng)域的科研、設(shè)計(jì)、教學(xué)、工程技術(shù)、經(jīng)營(yíng)管理等各方面的人才需求?！澳茉磁c動(dòng)力工程”專(zhuān)業(yè)的學(xué)生應(yīng)具備寬廣的自然科學(xué)、人文和社會(huì)科學(xué)知識(shí)，熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、機(jī)械、自動(dòng)控制、系統(tǒng)工程等寬厚理論基礎(chǔ)，以及熱能動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)和實(shí)踐能力，并掌握計(jì)算機(jī)應(yīng)用與自動(dòng)控制技術(shù)方面的知識(shí)。

“能源與動(dòng)力工程”專(zhuān)業(yè)中無(wú)論是傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)方向（如水利水電動(dòng)力工程方向）還是新興專(zhuān)業(yè)方向（如新能源開(kāi)發(fā)和研究方向），都對(duì)自動(dòng)控制技術(shù)和實(shí)踐能力要求頗高。因此，如何針對(duì)“能源與動(dòng)力工程”專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)改革自動(dòng)控制類(lèi)實(shí)踐課程的教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，對(duì)學(xué)生掌握自動(dòng)控制技術(shù)基本理論和提高學(xué)生專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力具有重要的指導(dǎo)意義，并能達(dá)到一舉兩得、融會(huì)貫通的教學(xué)效果。

在辦學(xué)過(guò)程中，多家就業(yè)單位提出需要具有測(cè)控基礎(chǔ)的能源與動(dòng)力工程人才，社會(huì)需求提示我們，依托國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)和能源動(dòng)力工程的行業(yè)背景，針對(duì)能源動(dòng)力工程領(lǐng)域的不同測(cè)控對(duì)象，應(yīng)該改革自動(dòng)控制實(shí)踐課程的內(nèi)容，使自動(dòng)控制實(shí)踐課程成為一門(mén)有針對(duì)性的務(wù)實(shí)課程，其中的改革方法和改革經(jīng)驗(yàn)也會(huì)為其他的交叉學(xué)科的實(shí)踐教學(xué)提供重要的借鑒意義。

一、實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合——自動(dòng)控制實(shí)踐課程要與自動(dòng)控制理論課程緊密融合

大多數(shù)高校的能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)均開(kāi)設(shè)自動(dòng)控制原理課程，根據(jù)專(zhuān)業(yè)方向要求不同在學(xué)時(shí)內(nèi)容上也稍有差別。如該課程分別可設(shè)置為64學(xué)時(shí)和48學(xué)時(shí)，其課程內(nèi)容主要以經(jīng)典控制理論為主，重點(diǎn)講述線性系統(tǒng)的時(shí)域分析和頻域分析等內(nèi)容。自動(dòng)控制原理實(shí)踐課程是在理論課程的基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)的，旨在使學(xué)生對(duì)經(jīng)典控制理論有更直觀、更深刻的認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)結(jié)合自己的專(zhuān)業(yè)課程背景將這門(mén)實(shí)用學(xué)科應(yīng)用到自己的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。

結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容，實(shí)踐課程的其中一部分重要內(nèi)容應(yīng)是對(duì)理論教學(xué)內(nèi)容的驗(yàn)證、分析和再理解。根據(jù)自動(dòng)控制的基本理論，實(shí)踐課程的基礎(chǔ)內(nèi)容可以根據(jù)需要由以下一些內(nèi)容組成：

1.在實(shí)驗(yàn)室用電路元件搭建常用的典型控制環(huán)節(jié)——讓學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)理論課中講述的各種形式傳遞函數(shù)所對(duì)應(yīng)的實(shí)物模型;

2.觀察典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性并測(cè)試穩(wěn)定性，同時(shí)分析系統(tǒng)特征參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響——讓學(xué)生利用示波器這種最常用的電子測(cè)量?jī)x器，在時(shí)域中分析系統(tǒng)響應(yīng)隨著時(shí)間的變化規(guī)律，并分析幾個(gè)重要的響應(yīng)參數(shù)的物理意義，以及它們與理論計(jì)算公式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系;

3.觀察系統(tǒng)零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響——與理論課程中的根軌跡內(nèi)容相對(duì)應(yīng)并加深理解;

4.對(duì)典型系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)行仿真——理論課程中，頻域分析方法是學(xué)生掌握起來(lái)感覺(jué)最為吃力的部分，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量系統(tǒng)的幅頻和相頻曲線，能使學(xué)生對(duì)抽象的理論知識(shí)有更直接的了解;

5.對(duì)線性系統(tǒng)進(jìn)行校正——系統(tǒng)校正是理論課程中非常重要的一部分，實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證不同校正方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響，使學(xué)生對(duì)校正方法的掌握更加牢固;

6.引入被控對(duì)象構(gòu)建簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，讓學(xué)生了解控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用、工作機(jī)理和調(diào)節(jié)方法等。

通過(guò)基礎(chǔ)理論的實(shí)踐教學(xué)，實(shí)現(xiàn)真正的理論課程指導(dǎo)實(shí)踐課程，實(shí)踐課程反饋理論課程的效果，使學(xué)生的知識(shí)體系形成一種雙向反饋的、理論與實(shí)踐緊密互動(dòng)的認(rèn)知模式。

二、針對(duì)專(zhuān)業(yè)特色——結(jié)合“能源與動(dòng)力工程”專(zhuān)業(yè)特色，實(shí)踐課程中應(yīng)設(shè)計(jì)與專(zhuān)業(yè)相關(guān)的實(shí)踐內(nèi)容

能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)要求學(xué)生掌握現(xiàn)代能源科學(xué)技術(shù)，信息科學(xué)技術(shù)和管理技術(shù)，能夠從事熱能動(dòng)力設(shè)備及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、自動(dòng)控制、信息處理、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、環(huán)境保護(hù)、制冷空調(diào)、能源高效清潔利用和新能源開(kāi)發(fā)等工作。自動(dòng)控制原理有別于“能源與動(dòng)力工程”專(zhuān)業(yè)的其他基礎(chǔ)課程，如流體力學(xué)、工程熱力學(xué)等，是一門(mén)跨專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程，但它是學(xué)生日后工作和繼續(xù)研究的必要科目之一。

如何根據(jù)專(zhuān)業(yè)方向特色在實(shí)踐課程中適當(dāng)加入與專(zhuān)業(yè)內(nèi)容密切相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，是使學(xué)生認(rèn)識(shí)并學(xué)好這門(mén)跨專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的關(guān)鍵，同時(shí)，這一實(shí)踐環(huán)節(jié)也能使學(xué)生將自動(dòng)控制原理應(yīng)用于自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)中，對(duì)不同專(zhuān)業(yè)課程的融合掌握具有一定的啟發(fā)作用。

根據(jù)“能源與動(dòng)力工程”專(zhuān)業(yè)的不同方向，結(jié)合各專(zhuān)業(yè)方向中特有的被控對(duì)象，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中增加對(duì)這些特殊被控對(duì)象的控制和調(diào)節(jié)作用。如對(duì)流體傳動(dòng)與控制方向的學(xué)生，增加利用液壓閥作為執(zhí)行元件的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，推導(dǎo)液壓閥的數(shù)學(xué)模型，觀察它的響應(yīng)特性等;對(duì)流體機(jī)械及工程方向的學(xué)生，增加水輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)，觀察控制器參數(shù)改變對(duì)系統(tǒng)性能的影響;對(duì)風(fēng)能與動(dòng)力工程方向的學(xué)生，增加風(fēng)力機(jī)變槳控制實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握通過(guò)測(cè)量風(fēng)向變化控制風(fēng)力機(jī)葉片方向改變的基本方法等。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，一方面讓學(xué)生復(fù)習(xí)了自動(dòng)控制原理的理論知識(shí)，另一方面，使學(xué)生將控制理論直接運(yùn)用到自己所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)當(dāng)中，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)有了針對(duì)性的認(rèn)識(shí)。

實(shí)踐課程的一個(gè)小變革，實(shí)際體現(xiàn)的是一種教學(xué)的新思路和新方法，實(shí)踐教學(xué)可以作為理論教學(xué)的點(diǎn)睛之筆，這種知識(shí)體系結(jié)構(gòu)猶如一座金字塔，我們可以把它稱(chēng)為“金三角體系”，整個(gè)構(gòu)造的知識(shí)體系如圖1所示。雖然實(shí)踐課程在整個(gè)知識(shí)體系中所占的比重有限，但合理有效地設(shè)置實(shí)踐課程的形式和內(nèi)容可以使學(xué)生的整個(gè)知識(shí)體系更加牢固。

圖1 ? “金三角體系”知識(shí)結(jié)構(gòu)

三、實(shí)踐課程深度拓展——整合專(zhuān)業(yè)內(nèi)課程資源，結(jié)合校內(nèi)外豐富的實(shí)踐資源，鼓勵(lì)學(xué)生自我思考、自我創(chuàng)新

隨著學(xué)校的日益發(fā)展，學(xué)校實(shí)驗(yàn)資源日益豐富，學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)資源的自由度逐步提高。現(xiàn)在很多高等學(xué)校實(shí)行實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放制度，鼓勵(lì)學(xué)生在自我思考的基礎(chǔ)上開(kāi)展開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)。對(duì)于自動(dòng)控制原理的實(shí)踐課程教學(xué)，也可以逐步對(duì)學(xué)生開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)學(xué)生自我學(xué)習(xí)。

同時(shí)，國(guó)家對(duì)高?？蒲许?xiàng)目的支持逐年加大，很多國(guó)家項(xiàng)目（如“973計(jì)劃”、“國(guó)家自然科學(xué)基金”等）在項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中都在國(guó)家基金的資助下建設(shè)了很多的實(shí)驗(yàn)基地，如果能在項(xiàng)目完成后將這些實(shí)驗(yàn)基地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備用于學(xué)校的教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)際上是提高了這些實(shí)驗(yàn)基地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，同時(shí)也使國(guó)家的扶持投資資金得到了更大的回報(bào)。以我校的具體情況為例，2006年我校承擔(dān)了國(guó)家“973計(jì)劃”——大型風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究，并建立了風(fēng)力機(jī)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)基地。在自動(dòng)控制的實(shí)踐教學(xué)中，針對(duì)“風(fēng)能與動(dòng)力工程”專(zhuān)業(yè)學(xué)生，我們利用該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行拓展性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可在外場(chǎng)環(huán)境中對(duì)風(fēng)力機(jī)的偏航和變槳控制等有很直觀的認(rèn)識(shí)，而且我們的控制程序是開(kāi)放的，可以鼓勵(lì)學(xué)生自我創(chuàng)新，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)更好的控制策略。拓展性實(shí)驗(yàn)不僅使學(xué)生將理論知識(shí)和自己的專(zhuān)業(yè)方向很好地結(jié)合在一起，同時(shí)也是增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的一種很好的途徑。

另外，校外實(shí)習(xí)基地是學(xué)生參與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的重要平臺(tái)。不只是對(duì)于自動(dòng)控制原理這一門(mén)實(shí)踐課程，專(zhuān)業(yè)的大多數(shù)實(shí)踐課程內(nèi)容都可以在實(shí)習(xí)過(guò)程中體現(xiàn)出來(lái)。加強(qiáng)特色實(shí)習(xí)基地建設(shè)，不僅能使學(xué)生加深對(duì)學(xué)校理論課程和實(shí)踐課程的認(rèn)識(shí)，同時(shí)豐富學(xué)生的思維方式，對(duì)學(xué)生的自我創(chuàng)新具有推進(jìn)作用。

綜上所述，如果能將自動(dòng)控制原理實(shí)踐課程很好地結(jié)合自動(dòng)控制原理理論課程，并有專(zhuān)業(yè)方向針對(duì)性地開(kāi)展學(xué)科交叉實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在校內(nèi)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)和校外的實(shí)習(xí)過(guò)程中有所體現(xiàn)，就能夠使學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)形成網(wǎng)狀構(gòu)造，有利于學(xué)生融會(huì)貫通，學(xué)以致用。通過(guò)對(duì)這一門(mén)跨專(zhuān)業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的探討，其得到的具體教學(xué)效果和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)也可應(yīng)用于其他跨專(zhuān)業(yè)實(shí)踐課程的教學(xué)中，從而使實(shí)踐課程在整個(gè)本科教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮最大的教學(xué)作用，并實(shí)現(xiàn)更好的教學(xué)效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[2] 袁安富，張偉.《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)改革與創(chuàng)新的探討[J].中國(guó)電力教育，2008（6）.

[3] 嚴(yán)利，熊朝坤，余波.熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)自動(dòng)控制原理課程教學(xué)探討[J].高等教育研究，2009（4）.

[4] 2012教育部新頒高校本科專(zhuān)業(yè)目錄[DB / OL].新浪教育，2012（10）.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]