關於“自動控製原理”教學改革的研究（jiū）與探索

 摘要：文章分析了自動化控製原理的特點和教（jiāo）學中存（cún）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（jìn）實驗教學等一係列教（jiāo）學改（gǎi）革的具體措施。通過教學（xué）實踐表明，取得（dé）了較好的教學效果。 
　“自動（dòng）控製原理”是高校自動化專業的專業基礎課，是電氣（qì）信息（xī）類、機械類、環境工程類等專（zhuān）業的學科基礎課。在整個專業（yè）知識體（tǐ）係中占據非常（cháng）重要的地位，具有承上啟下的作用。通過對控製理論知識的學習，使學生（shēng）掌握（wò）分析（xī）、測試和設計自動控製係統（tǒng）的基本方法，培養學（xué）生對控製係統的工程實踐能力（lì）和創新能力，為後續如“計算（suàn）機控製技術”、“過程控製係統”、“電氣（qì）控製”、“先進控製係統（tǒng）”等專業課程提（tí）供理論基礎和分析設計方（fāng）法。該課程內容涉及數學、物理、電子、電機、機械等多學科（kē）領域，還與實際工（gōng）程係統的控（kòng）製密（mì）切相關，具有內容豐富、理論性強、涉及知識麵廣、更新發展快等（děng）特點，有一定的深度和學習難度。學生在（zài）學習過程中（zhōng）容易感到枯燥乏味，產（chǎn）生厭學情緒。教師在教（jiāo）授過程中（zhōng）也容易過分（fèn）強（qiáng）調理論（lùn）知識的數學（xué）推導，忽視工程應用。為了促進教學質量的提（tí）高，對該課（kè）程進行教學改革是十分必要的。 
一、優化課程（chéng）內容（róng），把握知識線索 ：
　1、重點突出 ：
　    隨著專業口徑的不斷擴（kuò）寬，各門課程的（de）教學內容也不斷膨脹（zhàng）和加（jiā）深，自動控製原理課程也麵臨著內容多（duō）和課時少的矛盾，所（suǒ）以（yǐ）要精選課程內容，突出重點。下麵將每章中的一些重點分別加以（yǐ）闡述（shù）： “控製係統基本概念”重點是自動控製係統（tǒng）的（de）基本工作原（yuán）理，自動控製係統的結構及特點、組成和基本環節，自動（dòng）控製係統的性能指標，自動（dòng）控製係統的（de）類型。 “控製係統的數（shù）學模型”重點是動態微分方程的建立，傳遞函數求解，係統（tǒng）動態結構圖變換。 “線性連續係統的時域分析”重點是自動控製係統的暫態過程分析，代數穩定判據，穩態誤差求（qiú）解，根軌跡的繪製，用根軌跡法分析（xī）係統的性能。 “線性連續係統的頻域分析”重點是頻率特性的繪製，頻率特性與係統時域指標（biāo）之間的關係，頻域指標，Nyquist判據。 “線性係統的校正”重點是係統設計的思想，串聯校正的特性及作用，校正方法。 “非線性係統分析”重點是非線性係（xì）統動態過程的特點，描述函（hán）數法，改善非（fēi）線性係統性能（néng）的措（cuò）施（shī）及非線（xiàn）性（xìng）特性的利用，相平麵法（fǎ）。 “線性離散係統”重點是離（lí）散時間函數的（de）數（shù）學（xué）表達（dá）式及采樣定理，線性常係數差分方程與脈衝傳遞函數，采樣控製係統的時域分析，采樣控製（zhì）係（xì）統的頻域（yù）分析與數字校（xiào）正。 
　2、.線索清晰 ：
　　自動（dòng）控製原理課程理論性（xìng）強、內容（róng）多、涉及大量數（shù）學知（zhī）識。同學們在學習過程（chéng）中常常不清楚（chǔ）各個知識點之間（jiān）的相互（hù）聯係，以及各個章節之間的因果關係，總感覺“不識廬（lú）山真麵目”，學習起來很費力。所以在教（jiāo）學過程中，教師應當（dāng）理清線索。就自動控製原理本身的內在體係（xì）而言，是按照“係統（tǒng）建模、係統分析、係統綜合（hé）”這（zhè）個主線展開。係統建模是係統分析（xī）和係統（tǒng）綜合的基礎，數學模型有時域模型、複域模（mó）型和頻域模型。係統分析（xī）是圍（wéi）繞穩定（dìng）性、穩（wěn）態性能和瞬態性能展開，係統綜合與校正用到根軌跡法（fǎ）和頻域法。另外以方法為（wéi）線索，可以分為“時域法、根軌（guǐ）跡法和頻域法”。如果以（yǐ）係統（tǒng）為線索，可以分為“線性係統、離（lí）散係統（tǒng）、非線性係統”。這幾（jǐ）條線索相互交叉，教師在講授知識點時應抓住這（zhè）幾條線索，讓同學（xué）們先從宏（hóng）觀上知道各個知識板塊章節間的因果關係，再從微觀上來具體消化每個知識點，這樣學習起來就更輕鬆。 
二、結合工程實際，培養創新思（sī）維： 
　　自動控製原理課程不僅理（lǐ）論性強，而且工程實（shí）踐性也強（qiáng）。在原理的講授中要注重（chóng）培養學生的工程思維習慣，不僅可以使學（xué）生更好理解理論知（zhī）識，也可以培（péi）養學生的創（chuàng）新意思。例如在講授反饋（kuì）原理時，可以（yǐ）結合生活當中的空調溫度控製係統工（gōng）作原理（lǐ）進行講解。並注意引導學生自己聯係生活中的（de）事例結合控製原理的知識進行分析（xī），激發學生的學習興（xìng）趣。在引用工程實例的同時（shí）還（hái）應注意結合專業學科方向，針對大中院（yuàn）校的特點，可以（yǐ）對溫室大（dà）棚（péng）的控製係統（tǒng）工作（zuò）原理進行介紹。另外，還應注意引（yǐn）用（yòng）自動化領域的（de）一些前沿技術。例如哈勃太空望（wàng）遠鏡指向係統能在644km處將視（shì）野聚集在一枚硬幣上，望遠鏡的偏差在一次太空（kōng）任務中得到了大規模的校正。根據這個工程背景（jǐng），讓學生對哈勃太空望遠鏡指向係統建立數學模型，並按照設計（jì）要求進（jìn）行係統分析。對興趣濃厚的學（xué）生，還可啟發如果在控製結構中，引入串（chuàn）聯PI控製器（qì），可否（fǒu）進一步優化係統性能。通（tōng）過這些示（shì）例的講解（jiě），使學生對自動控製原理實際應用有更深刻的認識。 
三、豐富教學手段，提高教（jiāo）學效果：
     1、引入（rù）多媒（méi）體輔助教學（xué）： 
　　傳統的板（bǎn）書式教學，教師需花費大量的時間在公式推導和曲線繪製上，課堂氣氛枯燥而（ér）沉悶。隨著計算機的普及，采（cǎi）用多（duō）媒體輔助授課方式可以在繪圖的準確性和快速（sù）性方麵有較大提高，從而提高教（jiāo）學效率，另外有助（zhù）於學生對抽象知識的理解。但（dàn）是，任何事物都有兩麵性，多媒體教學（xué）也存在教學內（nèi）容大，學生（shēng）思維速度跟不上等弊端。因此（cǐ），教師在講授中可以以多媒體教學為主，對於一些重點難點適當的輔以板書，放慢速度（dù）。同時要注（zhù）重師生之間（jiān）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（de）應用： 
　　MATLAB軟件功能強大（dà），具有先進的視覺化功能，是一種完善（shàn）的科學計算語言。通過MATLAB仿真（zhēn）教學，使（shǐ）學生對新知識（shí）印象深刻。特別是研究係統中某個參數或環節變化時對係統的（de）影響，可（kě）以很直（zhí）觀的通過MATLAB展現出來。例如若已知某係統的開環傳遞函數為：，求當K分別取1300和5200時，試繪製係統的奈奎斯特圖，並判斷係統的穩定性。 通過用MATLAB編程，可繪製出係統的奈奎斯特圖（tú）如下： 當K=1300，係統穩定，對應的階躍響應是衰減振蕩（dàng）；K=5200，係統為臨界穩定，其階躍響應則表現為（wéi）等幅振蕩。 筆者編寫了《MATLAB程（chéng）序設計及其應用》教材，充分發揮MATLAB在（zài）自動控（kòng）製原理教學中的應用，取（qǔ）得了滿意（yì）的教（jiāo）學效果。 
　 3、結（jié）合網（wǎng）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（dà）知識麵，並提高學生分析問題、解決問題的能力。充分發揮網絡資源的優勢，在增加知（zhī）識麵、提高效率、因材施教等方麵對課堂教學起到了很好地補充作用，有利於充分發揮學生的主觀能動性。 
四、改進實驗教學，強化動手能（néng）力 ：
　　實驗教學不僅是（shì）對（duì）理論知（zhī）識的驗證，更重要的是培養學生動手能力、基本科研能力和（hé）創新能力的重要（yào）環節。 
　1、仿真實驗和物理實驗相結（jié）合（hé） 
　　傳統的自動控製原理實驗課程為物理實驗，利用實驗箱（xiāng），將相應（yīng）的有源網絡模塊連接成典型環節或係統，再施（shī）加典型信號，通過示波器（qì）觀察實驗結（jié）果。學生在實驗中對於所調節的參數和係統性能的關係難以（yǐ）真正理解，並且在使用中（zhōng）也容易損壞元件（jiàn），而且元（yuán）件的非線性，也會影響實驗結果。利用MATLAB軟件（jiàn）的SIMULINK仿真平台作仿真實驗，能很好解決物理實驗的不足，並加深對課程知識的（de）理解，還可以將實驗延伸（shēn）到課外進行。 
　2、驗證（zhèng）實驗和設計實驗（yàn）相結合 ：
　　傳（chuán）統的（de）實驗（yàn）一（yī）般都是驗（yàn）證實驗，教師給出實驗目標和要求，學（xué）生根據實驗步驟來進行實驗，這類實驗對於知識點的學習和理解是有必要的，但是按部（bù）就班的實（shí）驗過程不能培養學生的創新思維。因此，在課（kè）程設計的形式上可開展一些設計性的實驗。教（jiāo）師（shī）給出設計題目，學生進行方案的設計、選擇、實施，從而培養（yǎng）學生的創新（xīn）熱情。 
　3、課堂實驗和（hé）開放實驗相結合; 
　　課堂實驗的時間是有限的，應充分利（lì）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。 

---

其他產品鏈接：
加強中職學生對弱電與強（qiáng）電認識
好氧堆肥實驗裝置使用說明
電機及電氣技術實訓裝置
傳感器實驗台（tái）溫度控（kòng）製儀表操作說明
太陽（yáng）能（néng）光伏發電（diàn）綜合實（shí）訓係統使用說明
電動機技術工作原（yuán）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（xùn）設備實驗室介紹
機械設計實驗室
齒輪範成儀使用說明書
基礎電工電子實驗室設備
定製熱管換熱（rè）器（qì）實驗台
家（jiā）用電器之電子消毒櫃實驗指（zhǐ）導書
物聯網（wǎng）射（shè）頻識別綜合應（yīng）用實驗箱
初級維（wéi）修電工實（shí）驗台
臭氧氧（yǎng）化脫色實（shí）驗說（shuō）明（míng）書
萃取精餾（liú）教（jiāo）學實（shí）驗指（zhǐ）導書
二（èr）氧化碳PVT關係測定實驗指導書
空氣絕熱指數測（cè）定裝置實驗指導書
填料吸收實驗裝（zhuāng）置使用指導書
超濾、納濾（lǜ）、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（diàn）偶製作校驗儀說明（míng）書
好氧堆肥實（shí）驗裝置實（shí）驗說明書（shū）
沿程阻力係數測定裝置說明書（shū）
文丘裏除塵器性能實驗指導（dǎo）書
製冷壓縮機性能測試實訓裝置指導書
化工傳熱（rè）實驗（yàn）裝置使用說明書（shū）
數據采集板式靜電除塵器指導書
《台虎鉗》實測繪（huì）圖組合（hé）訓練裝置
自由對流橫（héng）管管外放熱係數測試裝置使（shǐ）用說明書（shū）
流體力學綜合實驗裝置使用說明（míng）書
《典型零（líng）件》實測繪圖訓練裝置
製冷製熱工作原理及實驗（yàn）目的
挖掘機液壓（yā）模擬訓練平台操（cāo）作說明
中溫法向輻射率測量（liàng）儀實驗裝置的介紹及使用說明
傳感器（qì）實驗台的特點及維（wéi）護
熱電偶校驗儀使用說明
熱（rè）電阻校驗裝置使用說明
做燃料電（diàn）池教具實驗要注（zhù）意什麽（me）
電機及電氣技術實驗的基本要求及安全操作規程
交流及直流（liú）電源實（shí）驗操（cāo）作說明
傳感器實驗台溫（wēn）度控製儀表操（cāo）作說明
衝擊水浴除塵器實（shí）驗裝置使用說明（míng）
變壓器耦合推挽功率放大器實驗說明
平麵磨床（chuáng）麵板器件（jiàn）布局圖及電路實訓單元故障現象
定時（shí）兼報警記錄儀的使用方法
淺談（tán）職高《電子線路》教學中學生（shēng）能力的培養