基于飛行員能力培養(yǎng)的《自動(dòng)控制原理》課程建設(shè)與改革研究

楊曉紅 徐亮 趙丹丹 劉成旭

摘要：基于飛行員能力培養(yǎng)要求，探討如何提高《自動(dòng)控制原理》平臺(tái)課程的教學(xué)水平，從課程建設(shè)的高度，在教材、教學(xué)內(nèi)容、課題設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行探索和研究。教學(xué)改革實(shí)踐表明：達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目的，培養(yǎng)了學(xué)員的實(shí)戰(zhàn)能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力[1]。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理；飛行員能力培養(yǎng)；課程建設(shè)；改革研究

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）39-0099-02

一、引言

隨著現(xiàn)代空戰(zhàn)環(huán)境的日趨惡化，對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)的技戰(zhàn)術(shù)性能提出了更高的要求。飛行控制系統(tǒng)是決定飛機(jī)性能的核心技術(shù)，而飛行控制技術(shù)的基礎(chǔ)就是《自動(dòng)控制原理》課程所講授的主要內(nèi)容。

2015年以來，《自動(dòng)控制原理》課程成為我校飛行學(xué)員共同開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)平臺(tái)課，體現(xiàn)了該課程在飛行員能力培養(yǎng)中的地位和重要性。與原有課程相比，教學(xué)對(duì)象發(fā)生了變化，由地面工程學(xué)員變成空中飛行學(xué)員；教學(xué)學(xué)時(shí)也發(fā)生了變化，由50學(xué)時(shí)縮減為30學(xué)時(shí)，而對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求卻更高了。如何在新形勢(shì)下，基于飛行員的專業(yè)核心能力培養(yǎng)，提高《自動(dòng)控制原理》課程的教學(xué)水平，實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)目標(biāo)軍隊(duì)優(yōu)質(zhì)課程，極大地有賴于《自動(dòng)控制原理》新課程體系的建設(shè)、完善和改革，這就給《自動(dòng)控制原理》學(xué)科組提出了艱巨的任務(wù)。

二、優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，整合教學(xué)內(nèi)容

作為我校專業(yè)平臺(tái)基礎(chǔ)課程的《自動(dòng)控制原理》，不論從教學(xué)方法還是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和手段上都沿用幾十年前的方式。目前《自動(dòng)控制原理》課程的建設(shè)成果，主要是基于地面工程學(xué)員的人才培養(yǎng)模式和相應(yīng)課程標(biāo)準(zhǔn)。在教學(xué)內(nèi)容上，大都以機(jī)械、電路控制系統(tǒng)及其元部件為分析對(duì)象，飛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)所占比重不高，應(yīng)逐步轉(zhuǎn)變實(shí)例分析對(duì)象，適應(yīng)授課對(duì)象轉(zhuǎn)變需要[2]。

1.精選教材教學(xué)內(nèi)容，理論聯(lián)系實(shí)際。結(jié)合飛行實(shí)例講解自動(dòng)控制的原理、概念、應(yīng)用、分析和綜合設(shè)計(jì)，適當(dāng)弱化一些數(shù)學(xué)推導(dǎo)[3]。比如說，繪制根軌跡的8條法則，沒有必要逐條推導(dǎo)，注重于如何應(yīng)用MATLAB繪制精確根軌跡，利用根軌跡分析系統(tǒng)的性能。對(duì)于飛行員來說，學(xué)會(huì)利用MATLAB編程語言解決飛行訓(xùn)練中的實(shí)際問題顯得尤為重要，課程內(nèi)容當(dāng)中這部分內(nèi)容強(qiáng)調(diào)不夠，只是結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講述，新的課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該主要關(guān)注于如何應(yīng)用MATLAB進(jìn)行時(shí)域、復(fù)域和頻域的曲線繪制和性能分析比較。有些章節(jié)內(nèi)容沒有必要引入，比如非線性系統(tǒng)的線性化等。系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)這一節(jié)，沒有必要單獨(dú)列出，可以結(jié)合習(xí)題講解。原教材章節(jié)編排有一些重復(fù)的內(nèi)容需要?jiǎng)h減，比如第一章“系統(tǒng)的性能分析”和第三章第一節(jié)“系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)”內(nèi)容有交叉重復(fù)的地方，可以合并到第一章講解。原課程內(nèi)容缺少一些必要的數(shù)學(xué)知識(shí)鋪墊，學(xué)員的數(shù)學(xué)水平和前導(dǎo)知識(shí)水平參差不齊，影響了學(xué)習(xí)效果，比如拉式變換、復(fù)變函數(shù)、航空電機(jī)學(xué)的相關(guān)知識(shí)需要適當(dāng)補(bǔ)充。拉普拉斯變換的內(nèi)容雖然有，但重難點(diǎn)不突出，沒有列寫如何應(yīng)用拉式變換求解微分方程的方法和例題。書中內(nèi)容對(duì)于這些數(shù)學(xué)方法的物理意義強(qiáng)調(diào)不夠，而這些通常是學(xué)員為什么學(xué)了這門課程之后還不知道怎么用的主要原因。原課程教學(xué)內(nèi)容只注重對(duì)控制系統(tǒng)的分析，缺少控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這部分內(nèi)容，應(yīng)該在第六章相應(yīng)增加PID控制的內(nèi)容。上課時(shí)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)飛行員為什么要開這門課程，飛行員通過這門課程的學(xué)習(xí)應(yīng)該掌握什么內(nèi)容？具備什么能力？解決飛行訓(xùn)練中的什么問題？怎樣才能學(xué)好這門課程？等等。

2.以一個(gè)飛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例貫穿《自動(dòng)控制原理》授課的全過程?！蹲詣?dòng)控制原理》課程比較抽象，看不見摸不著實(shí)際的系統(tǒng)。上課過程中學(xué)員經(jīng)常跟教員提到的一個(gè)問題就是這門課程難學(xué)、枯燥、單調(diào)，學(xué)這門課程有什么用？怎么用它解決實(shí)際問題？目前，學(xué)科組已經(jīng)形成初步的想法，就是選擇一個(gè)合適的飛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)貫穿始終，由設(shè)計(jì)指標(biāo)層層遞進(jìn)，從而自然而然地引出自動(dòng)控制的基本概念和理論，方便學(xué)員領(lǐng)會(huì)和理解課程理念，培養(yǎng)學(xué)員的工程應(yīng)用意識(shí)，強(qiáng)化實(shí)踐動(dòng)手能力[4]。

飛行工程實(shí)例式教學(xué)法采用由淺入深的方式，提出問題、分析問題到最后解決問題的方法。舉一個(gè)適當(dāng)?shù)娘w機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例，先根據(jù)控制系統(tǒng)性能要求，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析控制方案，設(shè)計(jì)控制器，選取PID參數(shù)，性能指標(biāo)計(jì)算，如果不符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行校正[4]。

實(shí)例式教學(xué)法的應(yīng)用，重視自控問題的背景研究，培養(yǎng)學(xué)員的實(shí)踐思維習(xí)慣。教學(xué)過程層層推進(jìn)，教學(xué)目標(biāo)明晰。通過一個(gè)例子使學(xué)員明白什么是控制，怎么用控制方法解決實(shí)際問題，使學(xué)員可以活學(xué)活用知識(shí)，最終可以創(chuàng)造性的解決問題[4]。

應(yīng)用實(shí)例式教學(xué)法，教學(xué)內(nèi)容需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。依據(jù)原則是：主線工程，兩翼數(shù)理和軟件，目標(biāo)活用，宗旨創(chuàng)新。對(duì)實(shí)踐中較少用到的內(nèi)容進(jìn)行刪減，對(duì)隨著時(shí)代出現(xiàn)的新知識(shí)及時(shí)增加，對(duì)現(xiàn)代分析輔助手段MATLAB強(qiáng)調(diào)其應(yīng)用，對(duì)涉及到的數(shù)學(xué)推導(dǎo)不追求全面的細(xì)節(jié)，注重推導(dǎo)的思路，體驗(yàn)數(shù)學(xué)的美。

3.加大對(duì)PID控制器的介紹與應(yīng)用。PID控制比較成熟，目前飛機(jī)上的飛控系統(tǒng)多采用PID控制實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的操控。PID控制實(shí)現(xiàn)容易、原理簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)，因此在自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。目前，我校課程內(nèi)容中沒有系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)部分的內(nèi)容，是自動(dòng)控制原理知識(shí)的嚴(yán)重缺失，因此應(yīng)加大PID控制的內(nèi)容，加強(qiáng)PID工程實(shí)踐內(nèi)容的講解。利用飛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的綜合性實(shí)驗(yàn)過程讓學(xué)員親手搭建PID控制器，調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，最后用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)工程意識(shí)，為課題設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)及后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)[3]。

4.結(jié)合控制理論的發(fā)展，更新教學(xué)內(nèi)容。控制理論在非線性控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、智能控制等方向上應(yīng)用十分廣泛。授課過程中可以把一些最新的前沿知識(shí)補(bǔ)充給學(xué)員，組織專題討論，探討本學(xué)科專業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，擴(kuò)大學(xué)員的知識(shí)面，培養(yǎng)科研素質(zhì)[3]。

三、優(yōu)化課題設(shè)計(jì)，突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)

鞏固專業(yè)課教學(xué)的重要抓手是以實(shí)驗(yàn)為手段，以課題設(shè)計(jì)為核心[3]，以飛行員專業(yè)能力培養(yǎng)目標(biāo)為主線構(gòu)建與理論教學(xué)相輔相成的課題設(shè)計(jì)，突出創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.課題設(shè)計(jì)內(nèi)容突出航空背景，提高學(xué)員解決實(shí)際問題的能力[3]?！蹲詣?dòng)控制原理》課題設(shè)計(jì)必須以飛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)為背景，通過一個(gè)有針對(duì)性的實(shí)際系統(tǒng)的課題設(shè)計(jì)，學(xué)員容易產(chǎn)生共鳴，感興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。從解決切身關(guān)心的實(shí)際問題出發(fā)，根據(jù)性能指標(biāo)的要求，建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，分析控制系統(tǒng)性能，如果性能指標(biāo)偏離要求，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。這樣通過一個(gè)實(shí)際問題的提出，培養(yǎng)學(xué)員的分析、綜合和創(chuàng)新能力。

2.通過課題設(shè)計(jì)，提高學(xué)員的合作能力。課題本身是綜合性的問題，每個(gè)人的知識(shí)都是有限的，只靠個(gè)人的力量要想解決實(shí)際問題是不現(xiàn)實(shí)的。大家必須齊心合力、互相協(xié)作、互相配合，發(fā)揮個(gè)人實(shí)力，才能解決綜合性的問題。可以采用分組的方式，根據(jù)自身能力選擇設(shè)計(jì)課題。組員之間協(xié)作分工，先分析性能指標(biāo)要求，分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。分解控制任務(wù)，商討解決方案，分配任務(wù)，畫電路圖，焊板，購(gòu)買元器件，軟件編程，軟硬件仿真，到最后問題實(shí)現(xiàn)解決，都需要學(xué)員共同協(xié)作完成。學(xué)員通過上述過程，達(dá)到理論和實(shí)際的結(jié)合，更有利于這門課程理論的理解和擴(kuò)展延伸。

課終考試時(shí)，摒棄了原來只靠一張?jiān)嚲碓u(píng)定學(xué)員學(xué)習(xí)水平的弊端，通過課題設(shè)計(jì)，綜合考察學(xué)員能力，課程掌握情況，運(yùn)用自動(dòng)控制理論解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)協(xié)作意識(shí)[5]。

3.課題設(shè)計(jì)融入科研，鼓勵(lì)學(xué)員創(chuàng)新。以科研促教學(xué)，每一個(gè)優(yōu)秀的教員手頭都有一些科研項(xiàng)目。把課題設(shè)計(jì)融入科研當(dāng)中，這樣通過使學(xué)員參與到一個(gè)實(shí)際課題的解決過程當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的完美結(jié)合，激發(fā)出學(xué)員的科學(xué)創(chuàng)造力和興趣，獲得科學(xué)實(shí)踐的機(jī)會(huì)。教員科研實(shí)際和學(xué)員課題設(shè)計(jì)相互結(jié)合，容易擴(kuò)展學(xué)員思路，避免死讀書、讀死書的現(xiàn)象，學(xué)完就會(huì)用。在教員的精心指導(dǎo)下，了解科學(xué)研究的全部過程，收集資料，確定方案，系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)和最終調(diào)試過程，等等，以科研促教學(xué)。

4.結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)，鍛煉實(shí)際能力。從大二開始，結(jié)合課題設(shè)計(jì)為畢業(yè)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。結(jié)合當(dāng)前我校的本科學(xué)員導(dǎo)師制，可以對(duì)本系學(xué)員確定畢業(yè)設(shè)計(jì)的方向，使課題設(shè)計(jì)中進(jìn)行的諸如收集資料、方案論證、飛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、調(diào)試等過程在畢業(yè)設(shè)計(jì)中延伸[3]。

依據(jù)人才培養(yǎng)方案，制定課程標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，課堂教學(xué)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)（課程實(shí)驗(yàn)、課題設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等），培養(yǎng)綜合素質(zhì)高、創(chuàng)新能力強(qiáng)的飛行學(xué)員[3]。

四、結(jié)語

隨著武器裝備的更新，教學(xué)對(duì)象的轉(zhuǎn)變，課程學(xué)時(shí)的縮減，作為我校專業(yè)平臺(tái)基礎(chǔ)的《自動(dòng)控制原理》課程的教學(xué)不能停留在傳統(tǒng)的教學(xué)模式上，應(yīng)該基于飛行員的能力培養(yǎng)，跟蹤科技發(fā)展的步伐，與時(shí)俱進(jìn)，不斷地更新陳舊的教育思想和理念，并賦予新的內(nèi)容和創(chuàng)新發(fā)展，滿足國(guó)家對(duì)航空軍事人才培養(yǎng)的要求[6]。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯三.應(yīng)用型本科“自動(dòng)控制原理”課程的教學(xué)研究[J].科技信息，2011，（31）：157.

[2]魯峰.具有航空特色的自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中的啟示[J].科技信息，2013，（4）：141.

[3]何琳琳，劉順新.“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)改革的理論與實(shí)踐[J].鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2010，（2）：149-151.

[4]趙肖宇，劉坤，梁清梅.一個(gè)工程實(shí)例貫穿“自動(dòng)控制原理”教學(xué)過程[J].牡丹江大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，（2）：180-181.

[5]佟棱.利用生活中的課程資源開展高中物理探究式教學(xué)的實(shí)踐研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)碩士論文，2013，（6）.

[6]劉慧英，盧京潮，李儼.精品課程教學(xué)改革與人才培養(yǎng)模式研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2011，（3）：73-76.