自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革研究

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進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了適應(yīng)人才培養(yǎng)的需要，我國(guó)大部分本科院校，包括許多大專(zhuān)院校的電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)都將自動(dòng)控制原理作為一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課進(jìn)行開(kāi)設(shè)。該課程的任務(wù)是通過(guò)對(duì)控制理論知識(shí)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、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。該門(mén)課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、概念抽象、與數(shù)學(xué)聯(lián)系緊密、理論和實(shí)踐聯(lián)系密切等。本門(mén)課程對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)要求較高，內(nèi)容涉及高等數(shù)學(xué)、線(xiàn)性代數(shù)、電路、電機(jī)與拖動(dòng)等課程，還要求學(xué)生有很強(qiáng)的計(jì)算能力，學(xué)生普遍認(rèn)為自動(dòng)控制原理課程學(xué)習(xí)起來(lái)很困難。各高校針對(duì)自身辦學(xué)定位、生源質(zhì)量等情況對(duì)該課程的教學(xué)進(jìn)行了一系列的改革與研究。[1-3]大慶師范學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我校”）為新升本科院校，學(xué)校定位為特色應(yīng)用型本科院校。針對(duì)我?，F(xiàn)階段培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神應(yīng)用型人才的要求，以及我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)在校學(xué)生的實(shí)際情況，本文探討適合我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)方式方法。

一、理論教學(xué)改革

根據(jù)自動(dòng)控制原理課程理論性強(qiáng)、工程應(yīng)用背景廣泛、涉及的知識(shí)面寬等特點(diǎn)，為了能夠把控制系統(tǒng)的抽象概念、動(dòng)態(tài)過(guò)程形象地表現(xiàn)出來(lái)，認(rèn)真對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)安排，采用靈活多樣的教學(xué)方式，以便于學(xué)生理解和掌握。課堂教學(xué)中采用啟發(fā)式教學(xué)方法，鼓勵(lì)學(xué)生積極質(zhì)疑，由被動(dòng)受教轉(zhuǎn)為積極參與，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。自動(dòng)控制原理內(nèi)容較多，教學(xué)中力求把每章節(jié)的內(nèi)容在結(jié)構(gòu)上系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)。講授中多列舉實(shí)際工程中的應(yīng)用實(shí)例，將枯燥的理論知識(shí)與實(shí)際聯(lián)系起來(lái)。穿插一定的習(xí)題課、討論課，鞏固講授過(guò)的基本理論知識(shí)；培養(yǎng)學(xué)生的解題能力和技巧；使學(xué)生學(xué)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的分析；明了結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，動(dòng)、靜態(tài)性能之間的關(guān)系；培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。通過(guò)課外答疑、網(wǎng)站輔導(dǎo)等形式形成教與學(xué)的互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在課堂教學(xué)中，運(yùn)用板書(shū)講解、多媒體演示、GUI輔助教學(xué)等多種教學(xué)手段相結(jié)合。對(duì)公式的推導(dǎo)和定理的證明采用板書(shū)+多媒體講授的方式，涉及計(jì)算和畫(huà)圖的環(huán)節(jié)教師可以用板書(shū)詳盡地給出一個(gè)例子，使學(xué)生掌握解題方法和過(guò)程。充分利用多媒體手段的優(yōu)勢(shì)，將抽象的概念具體形象地表現(xiàn)出來(lái)，將控制理論的最新研究成果和動(dòng)態(tài)介紹給學(xué)生。對(duì)于控制系統(tǒng)的分析與圖形的繪制則采用自主開(kāi)發(fā)的GUI（GraphicalUserInterface，圖形用戶(hù)界面）輔助教學(xué)系統(tǒng)。圖形用戶(hù)界面是指采用圖形方式顯示的計(jì)算機(jī)操作用戶(hù)界面。與早期計(jì)算機(jī)使用的命令行界面相比，圖形界面對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)在視覺(jué)上更易于接受。GUI輔助教學(xué)系統(tǒng)主要內(nèi)容為系統(tǒng)模型建立與轉(zhuǎn)換、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析、控制系統(tǒng)的頻域分析、控制系統(tǒng)的根軌跡分析等。在GUI輔助教學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用MATLAB軟件的圖形界面設(shè)計(jì)軟件包使計(jì)算結(jié)果圖形化，能更直觀(guān)地理解調(diào)整參數(shù)時(shí)系統(tǒng)性能的變化方向，省去繁瑣的計(jì)算過(guò)程，幫助學(xué)生更好地理解系統(tǒng)的控制過(guò)程，掌握參數(shù)的調(diào)整方法。仿真軟件可以在課堂上進(jìn)行演示，直觀(guān)明了地看見(jiàn)系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、校正的過(guò)程，加強(qiáng)理解，可以很好地起到輔助教學(xué)的目的，顯著提高了教學(xué)效果。雖然我校是新升本院校，學(xué)生整體素質(zhì)不能與重點(diǎn)院校相比，但也有優(yōu)秀學(xué)生希望在本科畢業(yè)后能夠繼續(xù)讀研。因此，在教學(xué)中也不能忽略這部分拔尖學(xué)生的考研需求。課堂教學(xué)中還是以大多數(shù)同學(xué)為主，課后作業(yè)則為這部分同學(xué)提供選做題目，在習(xí)題課、輔導(dǎo)答疑等環(huán)節(jié)加強(qiáng)考研知識(shí)的講解。同時(shí)，在大三下學(xué)期和大四上學(xué)期專(zhuān)門(mén)對(duì)考研學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)，取得了較好的效果。

二、實(shí)踐教學(xué)改革

實(shí)踐教學(xué)是高等學(xué)校根據(jù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，有計(jì)劃地組織學(xué)生以獲取感性知識(shí)、進(jìn)行基本技能訓(xùn)練、增強(qiáng)實(shí)踐能力、培養(yǎng)綜合素質(zhì)、提高獨(dú)立工作能力和科研實(shí)驗(yàn)?zāi)芰槟康牡亩喾N教學(xué)形式的統(tǒng)稱(chēng)。實(shí)踐教學(xué)是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。針對(duì)我校當(dāng)前應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，以人才培養(yǎng)的目標(biāo)為核心，在本課程的教學(xué)中著重加強(qiáng)了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過(guò)實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生加深對(duì)課程內(nèi)容的理解，從實(shí)踐上驗(yàn)證所學(xué)的理論知識(shí)；培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的第一步就是更新了實(shí)驗(yàn)設(shè)備。新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用模擬電路構(gòu)成實(shí)驗(yàn)單元，各模塊具有擴(kuò)展性，學(xué)生可以自己重新設(shè)計(jì)。通過(guò)虛擬示波器實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電路。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)中安裝了Matlab軟件，學(xué)生可以按實(shí)驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)更改設(shè)計(jì)方案，并在線(xiàn)仿真研究，改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。在現(xiàn)有的“驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)+設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”的基礎(chǔ)上，加大設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)的比例，依托現(xiàn)有的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)臺(tái)，將仿真實(shí)驗(yàn)穿插于常規(guī)實(shí)驗(yàn)中。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用硬件和軟件相結(jié)合的辦法，即采用自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用MATLAB和Simulink進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真，適當(dāng)安排學(xué)生采用計(jì)算機(jī)仿真（數(shù)字仿真）來(lái)模擬各種類(lèi)型系統(tǒng)的工作，用MATLAB語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，研究不同參數(shù)的PID調(diào)節(jié)和對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，靜態(tài)特性的影響，進(jìn)行全面的訓(xùn)練。學(xué)生在完成由實(shí)驗(yàn)教師安排的一些必要的基本技能訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)后，可以自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件允許的綜合性和創(chuàng)新性的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)。不管是常規(guī)實(shí)驗(yàn)還是開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)，都要對(duì)學(xué)生進(jìn)行嚴(yán)格要求，規(guī)范學(xué)生實(shí)驗(yàn)秩序，提高學(xué)生邏輯思維能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生正確使用實(shí)驗(yàn)所需的各種電子儀器；掌握常用信號(hào)的物理可實(shí)現(xiàn)性；具有正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析誤差的能力；能獨(dú)立寫(xiě)出有理論分析、實(shí)事求是、文理通順、字跡工整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

自動(dòng)控制原理課程理論性較強(qiáng)，課程設(shè)計(jì)作為課程教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是將所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合的重要環(huán)節(jié)，是教學(xué)計(jì)劃中綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠使學(xué)生全面牢固地掌握課堂教學(xué)內(nèi)容，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和實(shí)際動(dòng)手能力、提高學(xué)生綜合素質(zhì)具有重要意義。課程設(shè)計(jì)時(shí)間為一周，由學(xué)生獨(dú)立完成一項(xiàng)題目的設(shè)計(jì)。使學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合，系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)調(diào)試的基本技能與方法，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)和探索的優(yōu)良習(xí)慣，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)其工程意識(shí)和創(chuàng)新精神。

3.提高實(shí)踐教師教學(xué)水平

具有創(chuàng)新能力、較高學(xué)術(shù)水平、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的師資隊(duì)伍是提高學(xué)生實(shí)踐能力的根本保障。目前在高校中還普遍存在重理論輕實(shí)踐的思想，實(shí)踐教學(xué)往往不受重視，這導(dǎo)致優(yōu)秀教師資源相對(duì)集中在理論教學(xué)與研究上，而實(shí)踐教師隊(duì)伍相對(duì)薄弱。針對(duì)這種情況，建立了實(shí)踐教學(xué)激勵(lì)機(jī)制，吸引廣大教師積極參與實(shí)踐教學(xué)和研究，建立了穩(wěn)定的實(shí)踐教師隊(duì)伍。建立了“產(chǎn)學(xué)研”教師培養(yǎng)機(jī)制，加強(qiáng)教師業(yè)務(wù)素質(zhì)鍛煉。針對(duì)隊(duì)伍年輕、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)少的特點(diǎn)，結(jié)合科研方向，建立了科研團(tuán)隊(duì)，提高實(shí)踐教學(xué)水平。

4.完善實(shí)踐教學(xué)管理體系與實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量保障體系

為保證應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，完善了實(shí)踐教學(xué)管理與質(zhì)量保障體系。對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定等實(shí)踐教學(xué)制訂考核措施與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將實(shí)踐教學(xué)考核成績(jī)納入學(xué)生學(xué)期成績(jī)，保證培養(yǎng)質(zhì)量。實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量保障體系對(duì)實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃的制訂、實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施、實(shí)踐教學(xué)的評(píng)價(jià)等各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施監(jiān)控，完善了教師實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量考核制度，實(shí)行實(shí)踐教學(xué)考核一票否決制。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上措施的實(shí)施，自動(dòng)控制原理課程教學(xué)質(zhì)量得到提高，教學(xué)效果得以改善，尤其是學(xué)生的實(shí)踐能力方面，這對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)起到有效的推進(jìn)作用，提高了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。目前的自動(dòng)控制原理課程改革取得了一點(diǎn)成績(jī)，但教學(xué)改革永無(wú)止境，根據(jù)我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，將進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，不斷改進(jìn)教學(xué)方法，進(jìn)一步完善課程網(wǎng)站，使之實(shí)現(xiàn)課件下載、在線(xiàn)測(cè)試、輔導(dǎo)答疑、交流學(xué)習(xí)等功能，使本課程在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上不斷提高，把自動(dòng)控制原理課程建成精品課程。

作者：王艷芹 崔峰 李瑞英 單位：大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院