自動(dòng)控制原理課程建設(shè)教學(xué)研究

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摘要：在國(guó)家新經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略背景、倡導(dǎo)應(yīng)用型人才、產(chǎn)教融合和地方高校轉(zhuǎn)型發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的重新定位背景下，本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)與方法、評(píng)價(jià)體系等方面對(duì)自動(dòng)控制原理課程建設(shè)與教學(xué)進(jìn)行了初步研究。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型人才；課程建設(shè)與教學(xué)；自動(dòng)控制原理

教育部頒布《教育部高等教育司關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》，從啟動(dòng)“新工科研究與實(shí)踐”項(xiàng)目以來(lái)，新工科應(yīng)用型人才培養(yǎng)已成為地方轉(zhuǎn)型高校新的目標(biāo)[1]。自動(dòng)控制理論的概念、體系和方法已滲透到交通運(yùn)輸、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等眾多學(xué)科領(lǐng)域。自動(dòng)控制原理課程是我校自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、軌道交通與信號(hào)控制、測(cè)控技術(shù)與儀器、電子科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)械工程等專業(yè)的一門(mén)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課。其教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生全面系統(tǒng)的掌握自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域的基本概念、基本規(guī)律以及分析與設(shè)計(jì)方法。培養(yǎng)學(xué)生從事相關(guān)工程和技術(shù)工作的基本素質(zhì)。同時(shí)具有一定的分析和解決有關(guān)自動(dòng)控制實(shí)際問(wèn)題的能力[2]。該課程是基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課過(guò)渡的一門(mén)重要課程。也是培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力的啟蒙課，這門(mén)課學(xué)習(xí)的好壞直接影響著后續(xù)專業(yè)課的開(kāi)展。采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握僅僅限于簡(jiǎn)單的背結(jié)論、背公式、做計(jì)算題，不了解理論的工程應(yīng)用意義，不了解分析問(wèn)題的來(lái)龍去脈[3]。因此，針對(duì)《自動(dòng)控制原理》的課程性質(zhì)，通過(guò)教學(xué)方法改革，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和興趣，提高對(duì)自動(dòng)控制的認(rèn)知，更好掌握課程知識(shí)，促進(jìn)新工科應(yīng)用型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)。

一、課程建設(shè)與教學(xué)研究

(一)優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，改革教學(xué)內(nèi)容，面向工程應(yīng)用能力培養(yǎng)本課程改革的關(guān)鍵是：讓學(xué)生在一定的學(xué)時(shí)內(nèi)掌握控制理論基本原理，提高教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)生能力培養(yǎng)。1.教學(xué)課時(shí)合理分配現(xiàn)有“自動(dòng)控制原理”存在知識(shí)點(diǎn)多、學(xué)時(shí)不足的問(wèn)題，有必要根據(jù)教學(xué)大綱和專業(yè)實(shí)際合理安排章節(jié)學(xué)時(shí)(如表1)選擇重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，突出難點(diǎn)和重點(diǎn)，做到基本原理、概念和方法講透徹，同時(shí)使教學(xué)內(nèi)容有深度。2.教學(xué)內(nèi)容精心設(shè)計(jì)課程教學(xué)的關(guān)鍵是對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。自動(dòng)控制原理教學(xué)中如果教師過(guò)分注重公式推導(dǎo)，會(huì)使學(xué)生感到課程乏味、枯燥、實(shí)用性差，從而喪失學(xué)習(xí)興趣。為突出課程工程實(shí)踐，應(yīng)將教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際緊密融合，將數(shù)學(xué)推導(dǎo)簡(jiǎn)化，通過(guò)工程背景引出所有知識(shí)點(diǎn)[4]。如圖1所示將“直流調(diào)速系統(tǒng)”作為工程范例，貫穿課程教學(xué)始終。在系統(tǒng)方框圖講解時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)工作原理與控制過(guò)程分析，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組成劃分；系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型講解時(shí)，根據(jù)方框圖的組成，對(duì)功能模塊進(jìn)行數(shù)學(xué)方法描述。在后續(xù)系統(tǒng)性能分析時(shí)，根據(jù)之前建立的數(shù)學(xué)模型分析系統(tǒng)參數(shù)變化或輸入信號(hào)的不同，對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行逐一分析。系統(tǒng)校正講解時(shí)，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)的性能較差、指標(biāo)與要求不符時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生如何在系統(tǒng)中加入裝置或環(huán)節(jié)，以改善系統(tǒng)性能。3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效變革通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生動(dòng)手能力得到有效提高。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置上應(yīng)增加綜合型、設(shè)計(jì)型項(xiàng)目，并將項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行必做、選做區(qū)分(如表2)。另外，除了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)，還要增加基于MATLAB的虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生熟悉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與步驟，充分體會(huì)到系統(tǒng)參數(shù)變化或校正的加入，系統(tǒng)性能是如何變化的。

（二）改革教學(xué)環(huán)節(jié)與方法1.理論教學(xué)（1）課堂講授。主要講解自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念，自動(dòng)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)及各指標(biāo)間的關(guān)系和表達(dá)。如何建立和簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，能分析并研究組成系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)，各種數(shù)學(xué)模型之間的相互轉(zhuǎn)換。如何利用時(shí)域法、根軌跡法和頻域法分析系統(tǒng)性能。如何根據(jù)系統(tǒng)的具體指標(biāo)和要求，選擇合適的校正裝置及參數(shù)，研究控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)問(wèn)題。教師進(jìn)行課堂講授，包含前次內(nèi)容回顧、本次內(nèi)容提要、核心知識(shí)詳解、重點(diǎn)難點(diǎn)分析、課堂內(nèi)容小結(jié)、布置課后練習(xí)等環(huán)節(jié)。通過(guò)學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握復(fù)雜工程問(wèn)題的分析和設(shè)計(jì)技能。課堂教學(xué)時(shí)盡量引入互動(dòng)環(huán)節(jié)，結(jié)合課堂提問(wèn)、案例教學(xué)等教學(xué)形式，使同學(xué)們能更好地融入課堂學(xué)習(xí)中，提高學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。（2）采用多媒體課件和電子備課，教學(xué)過(guò)程中采用板書(shū)、PPT、視頻等，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性，擴(kuò)大課堂教學(xué)的信息量。（3）建立班級(jí)QQ群，加強(qiáng)和學(xué)生的聯(lián)系，課內(nèi)提問(wèn)和課外答疑相結(jié)合，每次課后及時(shí)答疑，及時(shí)發(fā)現(xiàn)知識(shí)盲點(diǎn)，解決難點(diǎn)問(wèn)題。（4）利用超星等學(xué)習(xí)平臺(tái)建立網(wǎng)絡(luò)課堂，上傳教學(xué)視頻、課件、習(xí)題庫(kù)等，讓學(xué)生課外時(shí)間根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況進(jìn)行課程學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)課堂學(xué)習(xí)的不足。2.隨堂測(cè)試教學(xué)過(guò)程中安排一定數(shù)量隨堂測(cè)試、口頭問(wèn)答教學(xué)活動(dòng)。隨堂測(cè)試能最快、最直接且最有效檢測(cè)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)掌握情況，是在課堂教學(xué)中分割出一部分時(shí)間，根據(jù)剛講授完的內(nèi)容馬上對(duì)學(xué)生進(jìn)行測(cè)試。要對(duì)某部分內(nèi)容進(jìn)行隨堂測(cè)試，那么在該內(nèi)容理論講解時(shí)向?qū)W生進(jìn)行說(shuō)明，使學(xué)生在內(nèi)容學(xué)習(xí)時(shí)引起高度重視，到了隨堂測(cè)試時(shí)不至于手忙腳亂。隨堂測(cè)試題目選取與工程實(shí)際相結(jié)合的例子，時(shí)間一般設(shè)定為15分鐘，學(xué)生將隨堂測(cè)試答案寫(xiě)在作業(yè)本上，時(shí)間一到，收取作業(yè)本。通過(guò)這種形式的教學(xué)能激活教學(xué)課堂效果、提高學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的分析和設(shè)計(jì)能力。3.自學(xué)有些章節(jié)(如傳遞函數(shù)的實(shí)驗(yàn)求取、常見(jiàn)電力工程系統(tǒng)分析)讓學(xué)生自學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)和自主學(xué)習(xí)能力。教師根據(jù)學(xué)生預(yù)期學(xué)習(xí)成果，對(duì)自學(xué)內(nèi)容擬定相關(guān)思考題作業(yè)(8-12個(gè))發(fā)到班級(jí)；待學(xué)生完成自學(xué)內(nèi)容后組織班級(jí)報(bào)告會(huì)，學(xué)生攜帶完成的作業(yè)參會(huì)，并自由報(bào)告思考題答案；教師根據(jù)學(xué)生報(bào)告會(huì)表現(xiàn)和作業(yè)完成情況給出總結(jié)意見(jiàn)。

（三）制定有效的考核與評(píng)價(jià)體系自動(dòng)控制原理的課程目標(biāo)分別是：能用廣義動(dòng)力學(xué)的方法抽象實(shí)際問(wèn)題，建立和簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，能分析并研究組成系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)，獲得其特征值。能實(shí)現(xiàn)各種數(shù)學(xué)模型之間的相互轉(zhuǎn)換。能用經(jīng)典控制理論的基本分析方法(含時(shí)域法，根軌跡法，頻域法)分析系統(tǒng)性能。能圍繞穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性的指標(biāo)分析系統(tǒng)，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下必要的理論基礎(chǔ)。能根據(jù)系統(tǒng)的具體指標(biāo)和要求，選擇合適的校正裝置及參數(shù)，研究控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)問(wèn)題。初步訓(xùn)練復(fù)雜工程問(wèn)題的分析和設(shè)計(jì)技能。能根據(jù)系統(tǒng)的具體性能指標(biāo)和要求，選擇合適的校正裝置及參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。能對(duì)給定系統(tǒng)繪制方框圖和得到數(shù)學(xué)模型，分析系統(tǒng)工作過(guò)程和工作原理。能識(shí)別常見(jiàn)電力工程系統(tǒng)，分析系統(tǒng)工作原理、各環(huán)節(jié)功能及參數(shù)，建立和簡(jiǎn)化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。課程目標(biāo)達(dá)成度和課程總達(dá)成度的計(jì)算可采用以下方法：課程總達(dá)成度=各課程目標(biāo)達(dá)成度的均值

二、結(jié)束語(yǔ)

為了適應(yīng)新的人才培養(yǎng)需要，本文主要針對(duì)當(dāng)前自動(dòng)控制原理課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想的情況，改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)與方法、評(píng)價(jià)體系等，借助現(xiàn)有的信息化網(wǎng)絡(luò)工具，探索出適合自動(dòng)控制原理課程教學(xué)方法和手段，切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的新工科應(yīng)用型人才。

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作者：尹進(jìn)田 劉麗 唐杰 林立 彭志華 單位：邵陽(yáng)學(xué)院電氣工程學(xué)院