“自動控制原理”課程的教學(xué)改革

“自動控制原理〞課程的教學(xué)改革〔〕:

摘要："自動控制原理";是一門非常重要的專業(yè)根底課，其學(xué)習(xí)過程較困難，效果不理想。本文結(jié)合目前學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式等方面進(jìn)展了改革，把課堂教學(xué)與課下延伸有機(jī)結(jié)合，調(diào)動學(xué)生的積極性，進(jìn)步學(xué)生的學(xué)習(xí)才能、動手才能及設(shè)計創(chuàng)造才能，到達(dá)了較好的效果。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；教學(xué)改革；Matlab工具

本文引用格式：楊裕翠."自動控制原理";課程的教學(xué)改革[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(05):70-72.

在智能機(jī)器人和人工智能得到越來越多關(guān)注與開展的今天，作為控制理論根底的"自動控制原理";課程身價也水漲船高，學(xué)好該課程顯得尤為重要。"自動控制原理";作為大學(xué)本科自動化及其相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)根底課，在控制相關(guān)專業(yè)的課程體系中占有很重要的地位，是學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字控制、計算機(jī)控制系統(tǒng)、過程控制、人工智能等后續(xù)的應(yīng)用型專業(yè)課程必需的知識根底儲藏。該課程的特點(diǎn)為：

〔1〕是一門理論性很強(qiáng)的課程，根底數(shù)學(xué)中的微積分、復(fù)變函數(shù)與積分變換等知識貫穿其中。另外，進(jìn)展控制系統(tǒng)建模時根據(jù)被控對象的不同，需要電學(xué)、力學(xué)等物理知識和電路理論、電機(jī)理論等專業(yè)知識。在整個課程體系中，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)與計算，這些都要求學(xué)生具有較高的數(shù)學(xué)根底?！?〕是一門理論性很強(qiáng)的課程，廣泛地應(yīng)用在工業(yè)消費(fèi)過程、軍事國防、航空航天等各個領(lǐng)域，具有實(shí)際的工程背景。另外，在國家宏觀經(jīng)濟(jì)調(diào)控、遠(yuǎn)程醫(yī)療等社會科學(xué)中也表達(dá)了本課程的根本思想。因此"自動控制原理";是一門綜合性的課程，既要求學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)根底能進(jìn)展數(shù)學(xué)分析和計算，又要求學(xué)生具有一定的自主設(shè)計控制系統(tǒng)的才能。同時，課程大量使用圖形與計算相結(jié)合的方法，也要求學(xué)生具有一定的繪圖才能。正是由于該課程的這些特點(diǎn)，使得該課程的教學(xué)過程比擬困難。人才的培養(yǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了社會對人才的需求，因此在教學(xué)過程中進(jìn)展改革，使學(xué)生能成為人才顯得至關(guān)重要

一教學(xué)過程中存在的問題

"自動控制原理";的前期課程包括高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、電路、模擬/數(shù)字電路、大學(xué)物理、信號與系統(tǒng)等，這些課程本身就具有一定的難度，而且對數(shù)學(xué)根底和邏輯思維的要求較高。目前學(xué)生的數(shù)學(xué)根底普遍比擬薄弱，因此會產(chǎn)生畏難情緒，還沒有學(xué)就已經(jīng)失去信心。而該課程的課時比擬緊張，教師不可能在課上補(bǔ)充大量的數(shù)學(xué)知識，因此局部同學(xué)就失去了主動能動性。該課程雖然應(yīng)用廣、實(shí)用性強(qiáng)，但是在以往的教學(xué)中教學(xué)內(nèi)容和方式陳舊、落后；教學(xué)方法側(cè)重填鴨式、缺乏啟發(fā)引導(dǎo)，學(xué)生對實(shí)際問題缺乏感性認(rèn)識，很難將所學(xué)知識用于工程理論，造成理論與實(shí)際的脫節(jié)。以往"自動控制原理";考核到達(dá)優(yōu)良等級的同學(xué)到了電子競賽中，即使最常規(guī)PID控制也不知道怎么實(shí)現(xiàn)。假設(shè)學(xué)不能以致用，學(xué)來何用？因此"自動控制原理";課程的教學(xué)改革勢在必行，改變教師在教學(xué)中感到孤掌難鳴，學(xué)生覺得課堂枯燥乏味、無所收獲的現(xiàn)狀[1-3]。

二課堂教學(xué)過程的改革

針對上面的問題，本文從以下幾個方面入手，促進(jìn)學(xué)生之間、師生之間的多向交流，能從內(nèi)部持續(xù)、有效的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并進(jìn)步學(xué)習(xí)效率，為今后走上工作崗位從事自動控制相關(guān)開發(fā)工作打好堅實(shí)的根底。

〔一〕進(jìn)步學(xué)生的興趣

興趣是最好的教師，假設(shè)想讓學(xué)生學(xué)好學(xué)精該課程，必須引起學(xué)生的興趣，能主動學(xué)習(xí)課堂知識，同時能自覺閱讀文獻(xiàn)資料，開闊眼界。只有覺得該課程有用、有趣、高端，才能事半功倍。該課程是一門有用的課程，日常生活、工業(yè)消費(fèi)、國防、科技等方面都離不開自動控制。小到生活中的各種家用電器，大到航空航天處處都有它的身影。如洗衣機(jī)是個典型的開環(huán)控制，電冰箱是個簡單的閉環(huán)溫控系統(tǒng)，如今的智能家居也少不了自動控制的影。這些足以說明該課程的實(shí)用性。同時它也是有趣的，一架中國產(chǎn)大疆無人機(jī)順利的降落在海軍最先進(jìn)的"伊麗莎白女王";號航母上，沒有引發(fā)任何警報；日本的機(jī)器人已經(jīng)出演電影?再見?；出現(xiàn)了第一個戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍的人工智能機(jī)器人，它的名字叫阿爾法，等等。高端，就更顯而易見了，航空航天上有它，軍事設(shè)備上有它，現(xiàn)代化的消費(fèi)上同樣離不開它。這樣一門前景無限、學(xué)好有用有趣的課程是不是更能引起學(xué)生的興趣，從而自發(fā)的開展學(xué)習(xí)活動呢？

〔二〕教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

自動控制原理〔經(jīng)典控制理論局部〕的內(nèi)容比擬多，主要包括控制系統(tǒng)一般概念；控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；線性系統(tǒng)的時域分析；控制系統(tǒng)的根軌跡法；線性系統(tǒng)的頻域分析法；自動控制系統(tǒng)的校正方法等。內(nèi)容較多，課時較少，如何在有限的時間內(nèi)獲取更多更有效的知識是課題教學(xué)改革的首要問題【4】。首先，我們要對知識進(jìn)展疏導(dǎo)，得到如圖1所示的知識體系。對自控系統(tǒng)有準(zhǔn)確的把控就必須理解根本概念，而系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是進(jìn)展系統(tǒng)分析和根底的前提，只有得到正確的模型，后面的分析和設(shè)計才能展開。系統(tǒng)分析是由系統(tǒng)模型得到系統(tǒng)性能指標(biāo)，而系統(tǒng)設(shè)計那么是由系統(tǒng)性能指標(biāo)得到系統(tǒng)模型。系統(tǒng)分析的方法一共有三種：時域法、根軌跡法、頻域法，這是整個課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容之一【5】。系統(tǒng)設(shè)計那么表達(dá)在校正方法這個章節(jié)上，這是本課程的難點(diǎn)之一。

對知識體系有了充分認(rèn)識，下面就需精選講解內(nèi)容，突出重點(diǎn)，弱化數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程。如在講解時域分析時，重點(diǎn)講解二階系統(tǒng)的階躍相應(yīng)，其他信號的相應(yīng)可簡單介紹，一階系統(tǒng)較簡單，可弱化推導(dǎo)，重點(diǎn)把握結(jié)果。高階系統(tǒng)的分析較難，可給出主導(dǎo)極點(diǎn)的概念進(jìn)展化簡，或是利用Matlab工具解決。假設(shè)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程時要注意哪些可省哪些不能省。比方奈氏判據(jù)，我們可弱化推導(dǎo)，重點(diǎn)掌握判據(jù)本身和它的使用。而在時域分析中要頻繁使用的拉式變換必須純熟掌握，可根據(jù)學(xué)生掌握情況進(jìn)展合理安排。

〔三〕教學(xué)方式的改革

課題教學(xué)是學(xué)生獲取知識的有效途徑，課題的質(zhì)量直接影響著教學(xué)的成果。原先的教學(xué)方式教師講、學(xué)生聽，效果差強(qiáng)人意。因此，可在改善傳統(tǒng)課堂形式的根底上進(jìn)展多樣化的嘗試。

首先改善傳統(tǒng)課堂形式，傳統(tǒng)課堂形式教師講為主，在講的過程中可適當(dāng)加些實(shí)例。如講根本概念時可用馬桶作為實(shí)例，這是一個最簡單的水位控制系統(tǒng)，該例子簡單、常見。當(dāng)然也可用人拿東西來舉例，這是一個反響系統(tǒng)，實(shí)際上大腦是最復(fù)雜的控制系統(tǒng)，阿爾法就是仿照了人的學(xué)習(xí)才能。同時注重一些現(xiàn)代手段的使用，如Matlab工具、flash小動畫，實(shí)時引入一些動畫效果，讓學(xué)生有直觀認(rèn)識，從而進(jìn)展合理的學(xué)習(xí)。

其次可進(jìn)展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，把一些易于理解的知識拿出來作為嘗試。由學(xué)生報名，進(jìn)展分組，從而完成該知識點(diǎn)的講解以及學(xué)習(xí)。由學(xué)生自己查閱資料，獲得該知識點(diǎn)的詳細(xì)信息。完成PPT的制作，使其與自己講解內(nèi)容完美匹配。課堂時間進(jìn)展講解，建議其深化淺出，能突出重點(diǎn)。引導(dǎo)其在講解中參加一些實(shí)例或是目前熱點(diǎn)，把知識泛化。這樣既可調(diào)動參與學(xué)生的積極性，也可吸引其他同學(xué)的注意力，到達(dá)較好效果。

將工程教學(xué)法融入課程的理論教學(xué)中。題目及要求由教師提出，學(xué)生進(jìn)展設(shè)計，到達(dá)題目的要求，這樣就可把學(xué)習(xí)的主體轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生。詳細(xì)操作為對學(xué)生進(jìn)展分組，每組成員的學(xué)習(xí)才能根本持平。然后選擇教師所提供的題目，進(jìn)展工程的設(shè)計與施行，教師在該過程中只會給出一些指導(dǎo)意見。最后在課堂上進(jìn)展匯報，教師給出一些意見與指導(dǎo)，以便學(xué)生加強(qiáng)知識的理解，查漏補(bǔ)缺【6】。

三課堂外的改變

在課堂教學(xué)完成的根底上，仍需在作業(yè)、實(shí)驗、考核等方面做一系列的改變。課后作業(yè)是加深、穩(wěn)固所學(xué)知識的重要手段，也可使教師及時理解學(xué)生掌握情況。為了提升學(xué)生完成作業(yè)的質(zhì)量，布置作業(yè)時盡量布置一些具有實(shí)例的作業(yè)，使學(xué)生明白該知識點(diǎn)的作用，引起學(xué)生的興趣，便于解決實(shí)際問題。作業(yè)完成過程中鼓勵學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。作業(yè)完成后由學(xué)生進(jìn)展解答，講解解題思路和過程。允許其他同學(xué)進(jìn)展提問、質(zhì)疑，教師起引導(dǎo)作業(yè)。在此過程中加深對所學(xué)知識的理解，活潑氣氛，形成良好的學(xué)習(xí)氣氛，到達(dá)對所學(xué)內(nèi)容的掌握，甚至是舉一反三。

實(shí)驗是驗證、掌握、應(yīng)用所學(xué)知識的一種重要手段。實(shí)驗做的好，知識掌握的就好，所以一定要注重該環(huán)節(jié)的安排。設(shè)置實(shí)驗的時候準(zhǔn)備難度不等的工程，有簡單的驗證性、仿真性實(shí)驗；有中等難度的綜合性實(shí)驗；更要有具有一定難度的設(shè)計性實(shí)驗。較簡單的實(shí)驗或采用試驗箱或采用matlab進(jìn)展仿真。綜合性實(shí)驗?zāi)敲匆冗M(jìn)展仿真驗證，然后利用試驗箱進(jìn)展搭建，兩者的結(jié)果進(jìn)展分析與比擬。設(shè)計性實(shí)驗?zāi)敲词峭瓿梢环N簡單裝置的設(shè)計，如冰箱的溫度控制系統(tǒng)、自動窗簾控制系統(tǒng)等等。簡單的實(shí)驗必須每個同學(xué)都純熟掌握，綜合性實(shí)驗可合作完成，設(shè)計性實(shí)驗?zāi)敲词前胃咝?，由有興趣有才能的同學(xué)共同完成。這樣既有利于知識的掌握，又可對局部同學(xué)的才能進(jìn)展提升。

為了防止學(xué)生臨陣磨槍，過不過靠天意的現(xiàn)象，在考核環(huán)節(jié)增加平時測試環(huán)節(jié)。每章完畢后都進(jìn)展測試，使學(xué)生對整個知識體系的認(rèn)識分化。這樣需掌握的知識較少，而時間又較充裕，學(xué)生較易掌握重點(diǎn)難點(diǎn)，便于后面知識的學(xué)習(xí)。

除此之外，我們還可合理的利用目前已有的多樣化教學(xué)手段。如各個學(xué)校自身所具有的網(wǎng)絡(luò)課程、學(xué)習(xí)app，把課堂進(jìn)展延伸?？砂呀贪?、ppt、實(shí)驗指導(dǎo)書、作業(yè)等等信息放在網(wǎng)絡(luò)上，以便于學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)?？稍O(shè)置交流功能，有問題可互相討論，教師也能參與。這樣有利于師生、學(xué)生之間的交流，問題可及時方便的解決。同時，不少學(xué)校都設(shè)置了精品課程，課程設(shè)置上也是應(yīng)有盡有，教學(xué)視頻、ppt等可方便找到。最后，如今的慕課大行其道，建議學(xué)生下載其app，從其他大師那里完成該課程的穩(wěn)固和加強(qiáng)。

四完畢語

多年的教學(xué)經(jīng)歷說明，?自動控制原理?學(xué)習(xí)起來具有一定難度，即使局部同學(xué)的成績良好，但是一結(jié)合實(shí)際就無所適從了。本文結(jié)合目前現(xiàn)狀和教學(xué)改革理論，對課堂教學(xué)過程中的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段，課堂教學(xué)外的作業(yè)、實(shí)驗、考核等方面進(jìn)展了探究，該課程的教學(xué)質(zhì)量得到了進(jìn)步，教學(xué)效果得到了改善。同時注重教學(xué)過程中的啟發(fā)與引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而使學(xué)生結(jié)實(shí)掌握自動控制的核心內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

【1】胡壽松主編.自動控制原理〔第6版〕[M].北京:科學(xué)出版社,2022.

【2】程鵬主編.自動控制原理[M].北京:高等教育出版社,2022.

【3】擺玉龍主編.自動控制原