關于“自動控制原理”教學改革的研究與探索

 摘要：文章分析了自動化控制原理的特點和教學中存在的問題，提出把握知識線索、培養創新思維、豐富教學手段以及改進實驗教學等一系列教學改革的具體措施。通過教學實踐表明，取得了較好的教學效果。 
　“自動控制原理”是高校自動化專業的專業基礎課，是電氣信息類、機械類、環境工程類等專業的學科基礎課。在整個專業知識體系中占據非常重要的地位，具有承上啟下的作用。通過對控制理論知識的學習，使學生掌握分析、測試和設計自動控制系統的基本方法，培養學生對控制系統的工程實踐能力和創新能力，為后續如“計算機控制技術”、“過程控制系統”、“電氣控制”、“先進控制系統”等專業課程提供理論基礎和分析設計方法。該課程內容涉及數學、物理、電子、電機、機械等多學科領域，還與實際工程系統的控制密切相關，具有內容豐富、理論性強、涉及知識面廣、更新發展快等特點，有一定的深度和學習難度。學生在學習過程中容易感到枯燥乏味，產生厭學情緒。教師在教授過程中也容易過分強調理論知識的數學推導，忽視工程應用。為了促進教學質量的提高，對該課程進行教學改革是十分必要的。 
一、優化課程內容，把握知識線索 ：
　1、重點突出 ：
　    隨著專業口徑的不斷擴寬，各門課程的教學內容也不斷膨脹和加深，自動控制原理課程也面臨著內容多和課時少的矛盾，所以要精選課程內容，突出重點。下面將每章中的一些重點分別加以闡述： “控制系統基本概念”重點是自動控制系統的基本工作原理，自動控制系統的結構及特點、組成和基本環節，自動控制系統的性能指標，自動控制系統的類型。 “控制系統的數學模型”重點是動態微分方程的建立，傳遞函數求解，系統動態結構圖變換。 “線性連續系統的時域分析”重點是自動控制系統的暫態過程分析，代數穩定判據，穩態誤差求解，根軌跡的繪制，用根軌跡法分析系統的性能。 “線性連續系統的頻域分析”重點是頻率特性的繪制，頻率特性與系統時域指標之間的關系，頻域指標，Nyquist判據。 “線性系統的校正”重點是系統設計的思想，串聯校正的特性及作用，校正方法。 “非線性系統分析”重點是非線性系統動態過程的特點，描述函數法，改善非線性系統性能的措施及非線性特性的利用，相平面法。 “線性離散系統”重點是離散時間函數的數學表達式及采樣定理，線性常系數差分方程與脈沖傳遞函數，采樣控制系統的時域分析，采樣控制系統的頻域分析與數字校正。 
　2、.線索清晰 ：
　　自動控制原理課程理論性強、內容多、涉及大量數學知識。同學們在學習過程中常常不清楚各個知識點之間的相互聯系，以及各個章節之間的因果關系，總感覺“不識廬山真面目”，學習起來很費力。所以在教學過程中，教師應當理清線索。就自動控制原理本身的內在體系而言，是按照“系統建模、系統分析、系統綜合”這個主線展開。系統建模是系統分析和系統綜合的基礎，數學模型有時域模型、復域模型和頻域模型。系統分析是圍繞穩定性、穩態性能和瞬態性能展開，系統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”。如果以系統為線索，可以分為“線性系統、離散系統、非線性系統”。這幾條線索相互交叉，教師在講授知識點時應抓住這幾條線索，讓同學們先從宏觀上知道各個知識板塊章節間的因果關系，再從微觀上來具體消化每個知識點，這樣學習起來就更輕松。 
二、結合工程實際，培養創新思維： 
　　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學生的工程思維習慣，不僅可以使學生更好理解理論知識，也可以培養學生的創新意思。例如在講授反饋原理時，可以結合生活當中的空調溫度控制系統工作原理進行講解。并注意引導學生自己聯系生活中的事例結合控制原理的知識進行分析，激發學生的學習興趣。在引用工程實例的同時還應注意結合專業學科方向，針對大中院校的特點，可以對溫室大棚的控制系統工作原理進行介紹。另外，還應注意引用自動化領域的一些前沿技術。例如哈勃太空望遠鏡指向系統能在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中得到了大規模的校正。根據這個工程背景，讓學生對哈勃太空望遠鏡指向系統建立數學模型，并按照設計要求進行系統分析。對興趣濃厚的學生，還可啟發如果在控制結構中，引入串聯PI控制器，可否進一步優化系統性能。通過這些示例的講解，使學生對自動控制原理實際應用有更深刻的認識。 
三、豐富教學手段，提高教學效果：
     1、引入多媒體輔助教學： 
　　傳統的板書式教學，教師需花費大量的時間在公式推導和曲線繪制上，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，從而提高教學效率，另外有助于學生對抽象知識的理解。但是，任何事物都有兩面性，多媒體教學也存在教學內容大，學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為主，對于一些重點難點適當的輔以板書，放慢速度。同時要注重師生之間的課堂互動，充分發揮兩種教學手段的優點，提高教學效果。 
　 2、加強MATLAB的應用： 
　　MATLAB軟件功能強大，具有先進的視覺化功能，是一種完善的科學計算語言。通過MATLAB仿真教學，使學生對新知識印象深刻。特別是研究系統中某個參數或環節變化時對系統的影響，可以很直觀的通過MATLAB展現出來。例如若已知某系統的開環傳遞函數為：，求當K分別取1300和5200時，試繪制系統的奈奎斯特圖，并判斷系統的穩定性。 通過用MATLAB編程，可繪制出系統的奈奎斯特圖如下： 當K=1300，系統穩定，對應的階躍響應是衰減振蕩；K=5200，系統為臨界穩定，其階躍響應則表現為等幅振蕩。 筆者編寫了《MATLAB程序設計及其應用》教材，充分發揮MATLAB在自動控制原理教學中的應用，取得了滿意的教學效果。 
　 3、結合網絡教學 ：
　　網絡教學是課堂教學的延伸。通過網絡教學，學生可以加深對課堂教學內容的理解，擴大知識面，并提高學生分析問題、解決問題的能力。充分發揮網絡資源的優勢，在增加知識面、提高效率、因材施教等方面對課堂教學起到了很好地補充作用，有利于充分發揮學生的主觀能動性。 
四、改進實驗教學，強化動手能力 ：
　　實驗教學不僅是對理論知識的驗證，更重要的是培養學生動手能力、基本科研能力和創新能力的重要環節。 
　1、仿真實驗和物理實驗相結合 
　　傳統的自動控制原理實驗課程為物理實驗，利用實驗箱，將相應的有源網絡模塊連接成典型環節或系統，再施加典型信號，通過示波器觀察實驗結果。學生在實驗中對于所調節的參數和系統性能的關系難以真正理解，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、驗證實驗和設計實驗相結合 ：
　　傳統的實驗一般都是驗證實驗，教師給出實驗目標和要求，學生根據實驗步驟來進行實驗，這類實驗對于知識點的學習和理解是有必要的，但是按部就班的實驗過程不能培養學生的創新思維。因此，在課程設計的形式上可開展一些設計性的實驗。教師給出設計題目，學生進行方案的設計、選擇、實施，從而培養學生的創新熱情。 
　3、課堂實驗和開放實驗相結合; 
　　課堂實驗的時間是有限的，應充分利用課外時間展開開放性實驗。開放性實驗應結合工程應用背景和教師的科研項目，以鍛煉學生的科研能力。