關(guān)于“自動控制原理”教學(xué)改革的研究與探索

 摘要：文章分析了自動化控制原理的特點和教學(xué)中存在的問題，提出把握知識線索、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、豐富教學(xué)手段以及改進實驗教學(xué)等一系列教學(xué)改革的具體措施。通過教學(xué)實踐表明，取得了較好的教學(xué)效果。 
　“自動控制原理”是高校自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是電氣信息類、機械類、環(huán)境工程類等專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課。在整個專業(yè)知識體系中占據(jù)非常重要的地位，具有承上啟下的作用。通過對控制理論知識的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握分析、測試和設(shè)計自動控制系統(tǒng)的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生對控制系統(tǒng)的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)如“計算機控制技術(shù)”、“過程控制系統(tǒng)”、“電氣控制”、“先進控制系統(tǒng)”等專業(yè)課程提供理論基礎(chǔ)和分析設(shè)計方法。該課程內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)、物理、電子、電機、機械等多學(xué)科領(lǐng)域，還與實際工程系統(tǒng)的控制密切相關(guān)，具有內(nèi)容豐富、理論性強、涉及知識面廣、更新發(fā)展快等特點，有一定的深度和學(xué)習(xí)難度。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易感到枯燥乏味，產(chǎn)生厭學(xué)情緒。教師在教授過程中也容易過分強調(diào)理論知識的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，忽視工程應(yīng)用。為了促進教學(xué)質(zhì)量的提高，對該課程進行教學(xué)改革是十分必要的。 
一、優(yōu)化課程內(nèi)容，把握知識線索 ：
　1、重點突出 ：
　    隨著專業(yè)口徑的不斷擴寬，各門課程的教學(xué)內(nèi)容也不斷膨脹和加深，自動控制原理課程也面臨著內(nèi)容多和課時少的矛盾，所以要精選課程內(nèi)容，突出重點。下面將每章中的一些重點分別加以闡述： “控制系統(tǒng)基本概念”重點是自動控制系統(tǒng)的基本工作原理，自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點、組成和基本環(huán)節(jié)，自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，自動控制系統(tǒng)的類型。 “控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型”重點是動態(tài)微分方程的建立，傳遞函數(shù)求解，系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖變換。 “線性連續(xù)系統(tǒng)的時域分析”重點是自動控制系統(tǒng)的暫態(tài)過程分析，代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)，穩(wěn)態(tài)誤差求解，根軌跡的繪制，用根軌跡法分析系統(tǒng)的性能。 “線性連續(xù)系統(tǒng)的頻域分析”重點是頻率特性的繪制，頻率特性與系統(tǒng)時域指標(biāo)之間的關(guān)系，頻域指標(biāo)，Nyquist判據(jù)。 “線性系統(tǒng)的校正”重點是系統(tǒng)設(shè)計的思想，串聯(lián)校正的特性及作用，校正方法。 “非線性系統(tǒng)分析”重點是非線性系統(tǒng)動態(tài)過程的特點，描述函數(shù)法，改善非線性系統(tǒng)性能的措施及非線性特性的利用，相平面法。 “線性離散系統(tǒng)”重點是離散時間函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式及采樣定理，線性常系數(shù)差分方程與脈沖傳遞函數(shù)，采樣控制系統(tǒng)的時域分析，采樣控制系統(tǒng)的頻域分析與數(shù)字校正。 
　2、.線索清晰 ：
　　自動控制原理課程理論性強、內(nèi)容多、涉及大量數(shù)學(xué)知識。同學(xué)們在學(xué)習(xí)過程中常常不清楚各個知識點之間的相互聯(lián)系，以及各個章節(jié)之間的因果關(guān)系，總感覺“不識廬山真面目”，學(xué)習(xí)起來很費力。所以在教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)理清線索。就自動控制原理本身的內(nèi)在體系而言，是按照“系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合”這個主線展開。系統(tǒng)建模是系統(tǒng)分析和系統(tǒng)綜合的基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)模型有時域模型、復(fù)域模型和頻域模型。系統(tǒng)分析是圍繞穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)性能展開，系統(tǒng)綜合與校正用到根軌跡法和頻域法。另外以方法為線索，可以分為“時域法、根軌跡法和頻域法”。如果以系統(tǒng)為線索，可以分為“線性系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)”。這幾條線索相互交叉，教師在講授知識點時應(yīng)抓住這幾條線索，讓同學(xué)們先從宏觀上知道各個知識板塊章節(jié)間的因果關(guān)系，再從微觀上來具體消化每個知識點，這樣學(xué)習(xí)起來就更輕松。 
二、結(jié)合工程實際，培養(yǎng)創(chuàng)新思維： 
　　自動控制原理課程不僅理論性強，而且工程實踐性也強。在原理的講授中要注重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維習(xí)慣，不僅可以使學(xué)生更好理解理論知識，也可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意思。例如在講授反饋原理時，可以結(jié)合生活當(dāng)中的空調(diào)溫度控制系統(tǒng)工作原理進行講解。并注意引導(dǎo)學(xué)生自己聯(lián)系生活中的事例結(jié)合控制原理的知識進行分析，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在引用工程實例的同時還應(yīng)注意結(jié)合專業(yè)學(xué)科方向，針對大中院校的特點，可以對溫室大棚的控制系統(tǒng)工作原理進行介紹。另外，還應(yīng)注意引用自動化領(lǐng)域的一些前沿技術(shù)。例如哈勃太空望遠鏡指向系統(tǒng)能在644km處將視野聚集在一枚硬幣上，望遠鏡的偏差在一次太空任務(wù)中得到了大規(guī)模的校正。根據(jù)這個工程背景，讓學(xué)生對哈勃太空望遠鏡指向系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，并按照設(shè)計要求進行系統(tǒng)分析。對興趣濃厚的學(xué)生，還可啟發(fā)如果在控制結(jié)構(gòu)中，引入串聯(lián)PI控制器，可否進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。通過這些示例的講解，使學(xué)生對自動控制原理實際應(yīng)用有更深刻的認識。 
三、豐富教學(xué)手段，提高教學(xué)效果：
     1、引入多媒體輔助教學(xué)： 
　　傳統(tǒng)的板書式教學(xué)，教師需花費大量的時間在公式推導(dǎo)和曲線繪制上，課堂氣氛枯燥而沉悶。隨著計算機的普及，采用多媒體輔助授課方式可以在繪圖的準確性和快速性方面有較大提高，從而提高教學(xué)效率，另外有助于學(xué)生對抽象知識的理解。但是，任何事物都有兩面性，多媒體教學(xué)也存在教學(xué)內(nèi)容大，學(xué)生思維速度跟不上等弊端。因此，教師在講授中可以以多媒體教學(xué)為主，對于一些重點難點適當(dāng)?shù)妮o以板書，放慢速度。同時要注重師生之間的課堂互動，充分發(fā)揮兩種教學(xué)手段的優(yōu)點，提高教學(xué)效果。 
　 2、加強MATLAB的應(yīng)用： 
　　MATLAB軟件功能強大，具有先進的視覺化功能，是一種完善的科學(xué)計算語言。通過MATLAB仿真教學(xué)，使學(xué)生對新知識印象深刻。特別是研究系統(tǒng)中某個參數(shù)或環(huán)節(jié)變化時對系統(tǒng)的影響，可以很直觀的通過MATLAB展現(xiàn)出來。例如若已知某系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：，求當(dāng)K分別取1300和5200時，試繪制系統(tǒng)的奈奎斯特圖，并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 通過用MATLAB編程，可繪制出系統(tǒng)的奈奎斯特圖如下： 當(dāng)K=1300，系統(tǒng)穩(wěn)定，對應(yīng)的階躍響應(yīng)是衰減振蕩；K=5200，系統(tǒng)為臨界穩(wěn)定，其階躍響應(yīng)則表現(xiàn)為等幅振蕩。 筆者編寫了《MATLAB程序設(shè)計及其應(yīng)用》教材，充分發(fā)揮MATLAB在自動控制原理教學(xué)中的應(yīng)用，取得了滿意的教學(xué)效果。 
　 3、結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué) ：
　　網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是課堂教學(xué)的延伸。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，學(xué)生可以加深對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，擴大知識面，并提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)勢，在增加知識面、提高效率、因材施教等方面對課堂教學(xué)起到了很好地補充作用，有利于充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。 
四、改進實驗教學(xué)，強化動手能力 ：
　　實驗教學(xué)不僅是對理論知識的驗證，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、基本科研能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。 
　1、仿真實驗和物理實驗相結(jié)合 
　　傳統(tǒng)的自動控制原理實驗課程為物理實驗，利用實驗箱，將相應(yīng)的有源網(wǎng)絡(luò)模塊連接成典型環(huán)節(jié)或系統(tǒng)，再施加典型信號，通過示波器觀察實驗結(jié)果。學(xué)生在實驗中對于所調(diào)節(jié)的參數(shù)和系統(tǒng)性能的關(guān)系難以真正理解，并且在使用中也容易損壞元件，而且元件的非線性，也會影響實驗結(jié)果。利用MATLAB軟件的SIMULINK仿真平臺作仿真實驗，能很好解決物理實驗的不足，并加深對課程知識的理解，還可以將實驗延伸到課外進行。 
　2、驗證實驗和設(shè)計實驗相結(jié)合 ：
　　傳統(tǒng)的實驗一般都是驗證實驗，教師給出實驗?zāi)繕?biāo)和要求，學(xué)生根據(jù)實驗步驟來進行實驗，這類實驗對于知識點的學(xué)習(xí)和理解是有必要的，但是按部就班的實驗過程不能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。因此，在課程設(shè)計的形式上可開展一些設(shè)計性的實驗。教師給出設(shè)計題目，學(xué)生進行方案的設(shè)計、選擇、實施，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新熱情。 
　3、課堂實驗和開放實驗相結(jié)合; 
　　課堂實驗的時間是有限的，應(yīng)充分利用課外時間展開開放性實驗。開放性實驗應(yīng)結(jié)合工程應(yīng)用背景和教師的科研項目，以鍛煉學(xué)生的科研能力。 

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