“控制工程基礎(chǔ)”教學(xué)改革與實(shí)踐

王蕊

摘要：“控制工程基礎(chǔ)”是機(jī)電類專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程。在分析課程特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身教學(xué)體會(huì)，提出教學(xué)改革的目標(biāo)和具體的教學(xué)改革措施。教學(xué)實(shí)踐證明，改革取得了一定的成效，可以更好地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和工程實(shí)踐能力，為提高教學(xué)質(zhì)量提供了新思路。

關(guān)鍵詞：“控制工程基礎(chǔ)”；教學(xué)改革；MATLAB；工程實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）28-0120-02

一、引言

“控制工程基礎(chǔ)”課程是機(jī)電類專業(yè)學(xué)生的一門重要學(xué)科基礎(chǔ)課。課程在大三第一學(xué)期開設(shè)，是學(xué)生最先學(xué)習(xí)的控制類基礎(chǔ)課程，在整個(gè)課程體系中起著承上啟下的重要作用。該課程學(xué)時(shí)少，一般只安排40或48學(xué)時(shí)，內(nèi)容抽象，理論性較強(qiáng)，內(nèi)容比較抽象，涉及數(shù)學(xué)、物理、電工、機(jī)械等大一、大二所學(xué)的多門學(xué)科知識(shí)。學(xué)生要通過對(duì)“控制工程基礎(chǔ)”這門課程的學(xué)習(xí)綜合運(yùn)用所學(xué)的上述知識(shí)，建立系統(tǒng)的概念，學(xué)會(huì)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的方法，為將來解決控制工程的實(shí)際問題打下基礎(chǔ)[1]。由于此課程的性質(zhì)，導(dǎo)致教師難教，學(xué)生難學(xué)，學(xué)生對(duì)控制理論知識(shí)難以理解和吸收，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性不高且不重視，更不用提用所學(xué)知識(shí)去分析和解決工程實(shí)際問題了，從而嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量，難以滿足應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。因此，對(duì)《控制工程基礎(chǔ)》課程進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)改革，對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率，幫助學(xué)生建立完整的知識(shí)體系鏈具有重要的意義。

二、教學(xué)目標(biāo)

作為應(yīng)用型本科院校，根據(jù)專業(yè)定位和學(xué)生的實(shí)際情況，《控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)要夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)，突出應(yīng)用性和工程性，實(shí)現(xiàn)“內(nèi)容實(shí)用、效果好”的教學(xué)改革目標(biāo)。因?yàn)樵撜n程涉及多學(xué)科的知識(shí)，教學(xué)內(nèi)容要進(jìn)行優(yōu)化和整合，對(duì)教學(xué)過程中遇到的其他學(xué)科的知識(shí)隨時(shí)補(bǔ)充，做到與課程內(nèi)容恰當(dāng)融合，但只要求學(xué)生聽懂和會(huì)應(yīng)用，不做重點(diǎn)講解。

三、教學(xué)改革措施

1.舉實(shí)例，教學(xué)要理論聯(lián)系實(shí)際?！犊刂乒こ袒A(chǔ)》研究的是從工程實(shí)際中抽象出來的控制系統(tǒng)的共性問題，所包含的信息量大，更新和發(fā)展得比較快，具有一定的深度和難度。學(xué)生因缺乏對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，感到學(xué)習(xí)的內(nèi)容比較抽象，不容易理解，影響學(xué)習(xí)效果，所以在教學(xué)過程中要重視理論和實(shí)際相結(jié)合。例如，講第一章緒論部分時(shí)，可以從工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防建設(shè)和航空航天多個(gè)領(lǐng)域列舉實(shí)例說明自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用廣泛；講反饋控制時(shí)，可以結(jié)合生產(chǎn)過程的實(shí)例，如加熱爐恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)、液壓板控制系統(tǒng)、水箱液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，講透工作原理，讓學(xué)生直觀地了解控制在實(shí)際中的明確應(yīng)用，這樣教學(xué)內(nèi)容更加豐富、生動(dòng)，學(xué)生學(xué)習(xí)目的明確，很感興趣，學(xué)習(xí)積極性很高，從而促進(jìn)教學(xué)效果。

2.抓主線，運(yùn)用知識(shí)導(dǎo)圖理清思路?！犊刂乒こ袒A(chǔ)》主要是圍繞系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系來講的[2]，知識(shí)結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)校正三大部分。其中，系統(tǒng)分析是核心，主要有時(shí)域法、頻域法和圖示法，這些方法從不同的角度分析同一個(gè)系統(tǒng)。學(xué)習(xí)中整體把握知識(shí)體系，抓住課程主線，該課程的體系邏輯關(guān)系就會(huì)顯得很清晰。為此，將該課程的相關(guān)知識(shí)制成了圖1所示的知識(shí)導(dǎo)圖，在學(xué)習(xí)每章內(nèi)容前展示給學(xué)生，使他們對(duì)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)有清晰的認(rèn)識(shí)，按照“總體—局部—總體”的結(jié)構(gòu)，做到前后知識(shí)的融會(huì)貫通，避免知識(shí)點(diǎn)的零散。

3.簡化推導(dǎo)，MATLAB引入課堂教學(xué)。MATLAB是美國MathWorks公司于1982年開發(fā)的大型高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化數(shù)學(xué)軟件，它集科學(xué)計(jì)算、編程、可視化的用戶界面于一身，帶有強(qiáng)大的特殊功能的工具箱，被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信號(hào)處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)中[3]。

《控制工程基礎(chǔ)》課程數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)多，繪圖量大，難以在有限的課時(shí)內(nèi)進(jìn)行內(nèi)容的擴(kuò)展，因此將MATLAB軟件引入課堂教學(xué)，尤其是MATLAB中含有豐富的專門用于控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的函數(shù)，可以簡化公式的推導(dǎo)，減少空洞的理論講解，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性和生動(dòng)性，學(xué)生更容易理解和掌握，實(shí)用性更強(qiáng)。例如，在系統(tǒng)時(shí)域分析部分介紹二階系統(tǒng)在欠阻尼狀態(tài)的性能指標(biāo)時(shí)，可以利用MATLAB提供的LTI Viewer圖形界面工具快速繪出控制系統(tǒng)G（s）=（其中，阻尼比為0.6，無阻尼固有圓頻率為4rad/s）的時(shí)域分析曲線。

>>num=[16]；den=[1 4.8 16]；

>>sys=tf（num，den）； %輸入系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

>>ltiview %啟用LTI Viewer

啟用LTI Viewer后，單擊“File”菜單，選擇“Import”選項(xiàng)，彈出輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)話框，將系統(tǒng)模型sys導(dǎo)入到LTI Viewer，繪出系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，LTI Viewer現(xiàn)場(chǎng)菜單具有豐富的系統(tǒng)分析功能，選擇【Characteristics】可對(duì)不同類型的響應(yīng)曲線標(biāo)出特征值，如標(biāo)出峰值時(shí)間、超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間等，可以直接利用MATLAB對(duì)系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，很方便、快捷，可使學(xué)生加深對(duì)理論的理解，增強(qiáng)理論的可信性，對(duì)系統(tǒng)分析和繪圖不再畏懼，可以起到事半功倍的教學(xué)效果。

4.實(shí)踐環(huán)節(jié)注重應(yīng)用能力的培養(yǎng)?！犊刂乒こ袒A(chǔ)》課程具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)踐性，實(shí)踐環(huán)節(jié)是對(duì)課堂理論教學(xué)的補(bǔ)充和深化，使學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)靈活應(yīng)用到工程實(shí)際中，培養(yǎng)解決實(shí)際問題和創(chuàng)新的能力[4]，符合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

傳統(tǒng)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，讓學(xué)生按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書搭建電路模擬典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）進(jìn)行響應(yīng)測(cè)試，研究參數(shù)變化對(duì)環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）性能的影響，并與MATLAB仿真結(jié)果比較，弱化了學(xué)生的參與性和動(dòng)手能力。教學(xué)改革后，除了常規(guī)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)外，新增3學(xué)時(shí)的設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室提供一些機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)元部件，讓學(xué)生利用MATLAB開放式環(huán)境，自主設(shè)計(jì)控制模型和算法，再借助實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)搭建和測(cè)試，強(qiáng)化MATLAB仿真與具體物理系統(tǒng)的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”、“學(xué)生研究計(jì)劃”（簡稱SRP）等科研項(xiàng)目和科技創(chuàng)新比賽，將所學(xué)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程應(yīng)用。這些項(xiàng)目融合了控制工程中的數(shù)學(xué)建模、時(shí)域分析和PID校正等知識(shí)，學(xué)生在“做中學(xué)”，培養(yǎng)其創(chuàng)新和實(shí)踐應(yīng)用能力。另外，項(xiàng)目教學(xué)也對(duì)教師的業(yè)務(wù)水平提出了更高的要求，要具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才能更好地處理和解決遇到的新問題。

5.課程考核手段的多元化。為了使課程成績能科學(xué)、合理地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和效果，轉(zhuǎn)變學(xué)生考前“臨時(shí)抱佛腳”的應(yīng)試心理，將課程考核分為平時(shí)成績、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、期中考試、期末考試等多個(gè)方面。其中，平時(shí)成績占總分的10%，包括出勤率、回答問題、作業(yè)完成情況等，反映了學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度；實(shí)驗(yàn)成績占總分的10%，根據(jù)實(shí)驗(yàn)考勤、實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)處理情況和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性、創(chuàng)新性等方面評(píng)定；期中考試成績占總分的20%，檢驗(yàn)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的成效；期末考試成績占總分的60%，試題以主觀分析應(yīng)用型題目為主，考核學(xué)生對(duì)控制理論的掌握和綜合應(yīng)用能力。

四、總結(jié)

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，《控制工程基礎(chǔ)》課程的教學(xué)改革也要與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的新要求。通過積極引入先進(jìn)的理論知識(shí)和教學(xué)方法，結(jié)合豐富的實(shí)例，充實(shí)并深化教學(xué)內(nèi)容，注重對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，才能切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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