《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)改革與實(shí)踐

陸之洋

摘 要：《自動(dòng)控制原理》是貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院重要的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。提出從整合教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法、改革考核方式、加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè)等方面進(jìn)行教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理；教學(xué)改革；教學(xué)質(zhì)量

中圖分類(lèi)號(hào)： G4331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）24-146-2

0 引言

《自動(dòng)控制原理》課程是一門(mén)理論性和實(shí)踐性都比較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。該課程的主要任務(wù)是通過(guò)對(duì)課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。本門(mén)課程歷來(lái)都是學(xué)生難學(xué)、教師難教。顯然，采用傳統(tǒng)的課堂講授的教學(xué)方法難以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。如何更好地設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程、組織教學(xué)內(nèi)容和改進(jìn)教學(xué)方法和考核方式[1]，建立一個(gè)包括課堂講授、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)在內(nèi)的全方位的課程教學(xué)體系，從而提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，是擺在廣大任課教師面前的重要問(wèn)題。

1 整合教學(xué)內(nèi)容

近年來(lái)，控制理論在非線(xiàn)性控制、魯棒控制、智能控制、復(fù)雜系統(tǒng)的控制等方向上取得了重要進(jìn)展[1]。然而，教材的更新卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上理論發(fā)展的步伐，如果沿用教材的內(nèi)容一成不變地講授，不僅學(xué)生的學(xué)習(xí)效果大打折扣，同時(shí)極大影響了他們的學(xué)習(xí)熱情?！蹲詣?dòng)控制原理》的教學(xué)應(yīng)在力求講清控制論基本概念的前提下，更多地結(jié)合工程實(shí)際。這就要求任課教師緊跟學(xué)科發(fā)展前沿和工程實(shí)踐，將與學(xué)科相關(guān)的最新理論及應(yīng)用融入平時(shí)的授課過(guò)程中，對(duì)《自動(dòng)控制原理》的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，對(duì)教材中的部分過(guò)時(shí)的內(nèi)容進(jìn)行縮減。

1.1 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模

要揭示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及動(dòng)態(tài)性能之間的關(guān)系，必須建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在傳統(tǒng)的《自動(dòng)控制原理》教學(xué)中，往往過(guò)分強(qiáng)調(diào)對(duì)象的數(shù)學(xué)建模與推導(dǎo)，卻忽視了數(shù)學(xué)推導(dǎo)及結(jié)果與課程本身的聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)原理的掌握僅僅流于“數(shù)學(xué)層面”上的理解。因此，在講解建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型之前，應(yīng)先講清楚工程的背景與需求，同時(shí)注重推導(dǎo)的思路，樹(shù)立學(xué)生的工程思維習(xí)慣[2]。

1.2 時(shí)域分析法

時(shí)域分析法根據(jù)系統(tǒng)的微分方程或傳遞函數(shù)直接或間接地計(jì)算出系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)，求解系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能[3]。典型二階系統(tǒng)的分析是本章最重要的內(nèi)容，二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析，確定典型二階性能指標(biāo)與參數(shù)的方法，以及系統(tǒng)的零極點(diǎn)分布和性能指標(biāo)的關(guān)系都應(yīng)該重點(diǎn)介紹[2][3]。

1.3 頻域分析法

由于Nyquist圖即使使用MATLAB也難以精確繪制，授課時(shí)只是簡(jiǎn)單介紹一般Nyquist圖的繪制方法，重點(diǎn)介紹Nyquist穩(wěn)定判據(jù)及其穩(wěn)定裕度的概念即可。Bode圖容易比較準(zhǔn)確地繪制，很適合進(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，同時(shí)可在Bode圖上介紹系統(tǒng)校正方法。Nichols圖可以不講[2][3]。

1.4 控制系統(tǒng)的校正

當(dāng)前微機(jī)控制系統(tǒng)基本上使用的都是串聯(lián)校正方法。文章重點(diǎn)介紹基于Bode圖的串聯(lián)校正方法。超前校正、滯后校正、滯后-超前校正等串聯(lián)校正實(shí)質(zhì)上就是PID校正，在教學(xué)中應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際闡述PID控制器工作原理便于學(xué)生更好理解校正的實(shí)質(zhì)[2][3]。

1.5 根軌跡分析法

簡(jiǎn)單介紹根軌跡的基本概念和方法，教會(huì)學(xué)生繪制簡(jiǎn)單的根軌跡圖即可。

1.6 需增加的講解內(nèi)容

①離散控制系統(tǒng)。

目前的控制系統(tǒng)幾乎都是計(jì)算機(jī)控制。在本門(mén)課程中要增加介紹離散控制理論，特別是要詳細(xì)地介紹差分方程及微分方程的差分化，為計(jì)算機(jī)控制程序設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。

②將MATLAB引入教學(xué)。

本門(mén)課程計(jì)算和繪圖較多，引入MATLAB進(jìn)行繪圖和實(shí)際案例的數(shù)字仿真，方便學(xué)生理解和掌握抽象的理論知識(shí)，提高教學(xué)效率，也使學(xué)生能夠掌握MATLAB這一實(shí)用軟件[4]。

2 改進(jìn)教學(xué)方法

鑒于《自動(dòng)控制原理》課程的特殊性，采用一些有針對(duì)性的教學(xué)方法很有必要。

2.1 對(duì)比教學(xué)法

《自動(dòng)控制原理》采用多種方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，在分析時(shí)對(duì)各種方法進(jìn)行對(duì)比教學(xué)能夠加深學(xué)生對(duì)這些內(nèi)容的理解，更好地掌握每種方法的特性及它們之間的聯(lián)系和區(qū)別。比如，講解系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析時(shí)，將Routh判據(jù)和Nyquist判據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析；講解系統(tǒng)的頻率特性時(shí)，將系統(tǒng)的極坐標(biāo)圖和對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖進(jìn)行對(duì)比分析[5]。

2.2 案例教學(xué)法

在對(duì)某些知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解的時(shí)候，引入具體的案例，將有助于學(xué)生更好地理解授課內(nèi)容。比如，在講解開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別和優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)，引入“潮汐車(chē)道”作為案例。當(dāng)開(kāi)環(huán)控制時(shí)，控制信號(hào)燈是預(yù)先設(shè)定好的，車(chē)輛按照信號(hào)燈行駛；當(dāng)閉環(huán)控制時(shí)，通過(guò)埋在地下的感應(yīng)線(xiàn)圈測(cè)量來(lái)往車(chē)流量，從而引入反饋，使潮汐車(chē)道的紅綠燈按照車(chē)流量大小進(jìn)行調(diào)整，從而優(yōu)化交通。通過(guò)案例學(xué)生很容易理解二者的優(yōu)缺點(diǎn)：閉環(huán)控制效果更好，同時(shí)成本更高。

2.3 網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)

充分發(fā)揮校園網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、QQ群的作用。教師將教學(xué)資源、學(xué)科發(fā)展前沿信息等資料上傳，方便學(xué)生學(xué)習(xí)；師生之間還可以在平臺(tái)上隨時(shí)溝通，教師及時(shí)解決學(xué)生的問(wèn)題，拓展教學(xué)的時(shí)間和空間，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3 改革考核方式

歷年來(lái)，該院《自動(dòng)控制原理》課程的考試成績(jī)都是以期末考試成績(jī)?yōu)橹?，輔以少量比例的平時(shí)成績(jī)。這種考核方式非常不合理，導(dǎo)致學(xué)生平時(shí)不重視課程的學(xué)習(xí)，只是到考前“臨時(shí)抱佛腳”，沒(méi)有真正掌握本門(mén)課程的內(nèi)容。對(duì)課程考核方式進(jìn)行改革迫在眉睫。我們將最終成績(jī)分為平時(shí)成績(jī)（20%）、實(shí)驗(yàn)成績(jī)（20%）和考試成績(jī)（60%）三部分。平時(shí)成績(jī)占總分的20%，主要針對(duì)學(xué)習(xí)態(tài)度，以出勤情況、作業(yè)完成情況及課堂問(wèn)題的回答情況作為評(píng)分依據(jù)，在執(zhí)行過(guò)程中，不能流于形式，教師一定要精心準(zhǔn)備問(wèn)題并充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，否則容易出現(xiàn)教師自問(wèn)自答的局面，而且讓學(xué)生覺(jué)得刷刷“臉卡”就掙到這20分。實(shí)驗(yàn)成績(jī)根據(jù)考勤、實(shí)驗(yàn)態(tài)度、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和實(shí)驗(yàn)報(bào)告來(lái)綜合評(píng)定?？荚囈蚤]卷的形式逐漸向開(kāi)卷的形式或兩者結(jié)合的方式過(guò)渡[5]。在信息時(shí)代，知道獲取信息的方法和渠道往往比記住這些信息更重要，引入開(kāi)卷的方式，可以拓展收集信息的渠道，增強(qiáng)學(xué)生的綜合分析能力。

4 加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè)

目前，該院各專(zhuān)業(yè)均開(kāi)設(shè)《自動(dòng)控制原理》課程，為了更好地提高本門(mén)課程的教學(xué)質(zhì)量，很有必要加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè)。

4.1 成立《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)研討小組

目前該院各專(zhuān)業(yè)在本門(mén)課程的教學(xué)上基本各自為政，缺乏專(zhuān)業(yè)之間的溝通和交流。成立院級(jí)課程教學(xué)研討小組，經(jīng)常開(kāi)展相關(guān)教學(xué)研究活動(dòng)，針對(duì)課堂教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)、學(xué)科發(fā)展的前沿動(dòng)態(tài)、最新技術(shù)等進(jìn)行探討，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高將大有裨益。

4.2 組織交流聽(tīng)課和觀摩教學(xué)

組織授課教師相互聽(tīng)課，相互提意見(jiàn)，相互學(xué)習(xí)成功經(jīng)驗(yàn)；組織有經(jīng)驗(yàn)的老教師進(jìn)行觀摩教學(xué)，學(xué)習(xí)老教師對(duì)教學(xué)重點(diǎn)的把控，教學(xué)節(jié)奏的控制，學(xué)習(xí)他們成功的教學(xué)方法和技巧。

4.3 重視對(duì)教學(xué)改革的研究

學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)對(duì)該院教改工作非常重視，積極鼓勵(lì)本院教師申報(bào)省級(jí)、校級(jí)教改項(xiàng)目的同時(shí)，專(zhuān)門(mén)設(shè)立院級(jí)教改項(xiàng)目，鼓勵(lì)并資助廣大教師積極開(kāi)展教學(xué)改革研究，發(fā)表教學(xué)改革文章。

5 結(jié)束語(yǔ)

教學(xué)改革是教學(xué)工作永恒的主題，沒(méi)有最好的教學(xué)方式，只有最合適的教學(xué)方式。只有緊跟學(xué)科發(fā)展前沿，用心教學(xué)，在教學(xué)過(guò)程中因地制宜，不斷調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，才能真正提高教學(xué)質(zhì)量。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張正江，鄭崇偉，曾國(guó)強(qiáng).“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育，2013（6）：53-54，58.

[2] 王萬(wàn)良.“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2011（8）：48-51.

[3] 高春艷，龐靖，姬江濤，等.“自動(dòng)控制原理”教學(xué)改革關(guān)鍵問(wèn)題探索[J].中國(guó)電力教育，2013（5）：79-80.

[4] 袁新娣，黃曉軍，謝曉春.《自動(dòng)控制原理》教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].江西教育學(xué)院學(xué)報(bào)（綜合），2006，27（6）：30-32.

[5] 鄭長(zhǎng)勇.自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2009，11（4）：134-136.