關(guān)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(yǎng)創(chuàng)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(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習，使學生掌握分析、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、物理、電子、電機、機械等多學科領(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，有一定的深度和學習難度。學生在學習過程中容易感到枯燥乏味，產(chǎn)生厭學情緒。教師在教授過程中也容易過分強調(diào)理論知識的數(shù)學推導，忽視工程應(yīng)用。為了促進教學質(zhì)量的提高，對該課程進行教學改革是十分必要的。 
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，自動控制系統(tǒng)的類型。 “控制系統(tǒng)的數(shù)學模型”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)時域指標之間的關(guān)系，頻域指標，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(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”，學習起來很費力。所以在教學過程中，教師應(yīng)當理清線索。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，這樣學習起來就更輕松。 
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(yǎng)學生的創(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。并注意引導學生自己聯(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)學生的學習興趣。在引用工程實例的同時還應(yīng)注意結(jié)合專業(yè)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(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，讓學生對哈勃太空望遠鏡指向系統(tǒng)建立數(shù)學模型，并按照設(shè)計要求進行系統(tǒng)分析。對興趣濃厚的學生，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、豐富教學手段，提高教學效果：
     1、引入多媒體輔助教學： 
　　傳統(tǒng)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(nèi)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?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)揮兩種教學手段的優(yōu)點，提高教學效果。 
　 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(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中的應(yīng)用，取得了滿意的教學效果。 
　 3、結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學 ：
　　網(wǎng)絡(luò)教學是課堂教學的延伸。通過網(wǎng)絡(luò)教學，學生可以加深對課堂教學內(nèi)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(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起到了很好地補充作用，有利于充分發(fā)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(yǎng)學生動手能力、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)繕撕鸵�求，學生根據(jù)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(yǎng)學生的創(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，學生進行方案的設(shè)計、選擇、實施，從而培養(yǎng)學生的創(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，以鍛煉學生的科研能力。 

---

其他產(chǎn)品鏈接：
加強中職學生對弱電與強電認識
好氧堆肥實驗裝置使用說明
電機及電氣技術(shù)實訓裝置
傳感器實驗臺溫度控制儀表操作說明
太陽能光伏發(fā)電綜合實訓系統(tǒng)使用說明
電動機技術(shù)工作原理及運行維護
電機與拖動實驗實訓報告
光機電一體化實訓設(shè)備實驗室介紹
機械設(shè)計實驗室
齒輪范成儀使用說明書
基礎(chǔ)電工電子實驗室設(shè)備
定制熱管換熱器實驗臺
家用電器之電子消毒柜實驗指導書
物聯(lián)網(wǎng)射頻識別綜合應(yīng)用實驗箱
初級維修電工實驗臺
臭氧氧化脫色實驗說明書
萃取精餾教學實驗指導書
二氧化碳PVT關(guān)系測定實驗指導書
空氣絕熱指數(shù)測定裝置實驗指導書
填料吸收實驗裝置使用指導書
超濾、納濾、反滲透多功能膜分離實驗裝置說明
孔口管嘴實驗儀說明書
熱電偶制作校驗儀說明書
好氧堆肥實驗裝置實驗說明書
沿程阻力系數(shù)測定裝置說明書
文丘里除塵器性能實驗指導書
制冷壓縮機性能測試實訓裝置指導書
化工傳熱實驗裝置使用說明書
數(shù)據(jù)采集板式靜電除塵器指導書
《臺虎鉗》實測繪圖組合訓練裝置
自由對流橫管管外放熱系數(shù)測試裝置使用說明書
流體力學綜合實驗裝置使用說明書
《典型零件》實測繪圖訓練裝置
制冷制熱工作原理及實驗?zāi)康?/u>
挖掘機液壓模擬訓練平臺操作說明
中溫法向輻射率測量儀實驗裝置的介紹及使用說明
傳感器實驗臺的特點及維護
熱電偶校驗儀使用說明
熱電阻校驗裝置使用說明
做燃料電池教具實驗要注意什么
電機及電氣技術(shù)實驗的基本要求及安全操作規(guī)程
交流及直流電源實驗操作說明
傳感器實驗臺溫度控制儀表操作說明
沖擊水浴除塵器實驗裝置使用說明
變壓器耦合推挽功率放大器實驗說明
平面磨床面板器件布局圖及電路實訓單元故障現(xiàn)象
定時兼報警記錄儀的使用方法
淺談職高《電子線路》教學中學生能力的培養(yǎng)