《自动控制原理》课程教学改革与实践
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[摘要]针对自动控制原理课程教学过程中存在的问题，提出一系列提高理论教学质量的实施方法，实践表明这些方法有利于提高学生的学习兴趣，培养学生的创新能力与思维能力。使学生进一步加深对自动控制原理概念的理解，为后续课程的学习奠定了基础。
一、引言
《自动控制原理》课程是数学、控制与信息领域的交叉学科，其教学目的是使学生建立自动控制的概念，掌握自动控制系统分析与设计的方法，培养应用自动控制理论解决实际问题的能力。近年来，在该课程的授课过程中多媒体课件的应用逐步地取代了传统的教学方式。因此课堂信息量大，课程进度较传统式教学要快，如何保证教学质量是较为突出的问题。其次，课堂教学枯燥，没有生机。数学推导较多，学生听起来乏味，不能激发学生的学习兴趣。再者，考试并不能完全体现学生的系统分析与设计的综合能力。还有就是理论教学和实验教学脱节。学生不能把理论教学内容与实验内容有机结合起来。因此改进教学内容、教学方法和教学手段，完善考核方式及其加强理论的实际应用对于提高学生理论联系实际的能力，培养应用型人才具有十分重要的意义。
二、教学改革
（一）教学内容与教学手段相结合
在《自动控制原理》的授课过程中多媒体课件的应用逐步地取代了传统的教学方式。在多年的教学探索中，笔者认识到，不要盲目地追求先进手段，让多媒体等现代科学技术主导了原本丰富、多样的人与人之间进行的课程教学，而应该针对课程中实际的教学内容需要，有选择地实现传统教学方式与多媒体教学、MATLAB实验教学等现代教学方式、手段的高效结合，真正达到提高教学质量的目的。
（1）多媒体教学负责课程知识结构展示和系统工作过程的动画演示。传统的全程板书式教学，过多的推导必定带来之前的部分内容被擦去，出现在学生面前的板书永远只是“不完整的部分”。而在宏观教学为主导思想的课程教学中，多媒体就可以非常有效地解决这个问题，使课堂讲授始终不脱离主线。在自动控制原理实际教学之初，通过生活、工程中实际应用实例的介绍引出控制系统的基本结构、概念是整个教学过程的起点也是关键点。在教学方式上，可以利用生动的图片、flas和视频资料的形式增强学生的感性认识，比如通过flas演示水位控制系统反馈调节的动态过程，让学生对控制产生直观形象的认识，不仅增强了教学效果，还激发了学生浓厚的学习兴趣。
（2）板书教学负责课程重点内容的具体分析。多媒体授课在很多方面具有突出的优点，但是盲目地依赖和追求先进技术，企图毕其功于一役。解决课堂授课的所有问题，无疑是不实际的。控制理论的课程内容多，复杂的数学推导和绘图往往使得学习能力相对较差的学生感到吃力，多媒体每一页的内容容量有限，一套理论的学习必定需要多页的讲解。比如，根轨迹绘制，近十条根轨迹规则，十几页讲完，学生感觉内容多，不会用。这个时候就应该将板书教学和多媒体教学结合起来。用多媒体显示大方向上的操作规则，用黑板演示具体题目的绘制过程，将具体题目和硬性规则有效结合起来，慢讲、精讲交叉互补，使得学生在理论方法和具体分析双轨并行中更好地掌握课程难点和重点，获得最好的学习效果。
（3）Matlab教学负责课程中图形的绘制演示。在控制理论课程的主要内容上，根轨迹法和频域法都是基于图形进行系统分析，在理论初步建立之后，课堂的部分教学内容，可以引入Matlab软件，利用软件的强大功能。去完成图形的演示和分析。例如，在时域分析的时候，相同主导极点所带来的单位阶跃响应有什么不同点，有什么相似性，就可以通过SIMULINK建模，在示波器的输出观察结果，再引入分析结论。在控制理论的教学过程中，合理地利用软件能够给学生留下直观印象，使其牢记关键的结论，取得事半功倍的教学效果。
（二）教学方法多样化
多样化的教学方法可以更好地培养学生的创新精神，提高学生分析问题、解决问题的综合素质。实施内容主要有以下四个方面：第一，合理设疑，激发学生兴趣。在课堂教学中，应用启发式的探究性的教学方法，充分凋动学生主动、积极、自觉思维，恰当调节教学节奏，活跃教学气氛，生动教学手段。第二，适时调控，引导学生思考。要使得学习不再只是知识的积累，而是培养学生在创造性地掌握现有知识的同时，对它进行创造性的发掘。第三，加强实践，提高学生能力。将具体的实例融人到教学当中，通过对工程实例的实践与探究，使学生明白‘控制”是怎么回事，清楚地看到‘控制”的运用和效果。
（三）考核方式过程化
为了使得学生能够在学好理论的同时将其运用到实际中，激发兴趣，强调过程考核，并且提高考试成绩和及格率，突出教学重点，对这门课实施考试改革以配合教学改革。为了培养学生的学习能力和实践能力，同时检查教学效果，在一些章节后组织编排综合型的题目，让学生以小论文的形式提交，将其成绩记录到期末总成绩的平时成绩中。这门课的教学内容可以分成两大部分内容的研究：前三章为控制系统的时域分析，偏重经典理论的研究；后两章为控制系统的频域分析，偏重工程实际应用。针对这样的内容特点，安排两次大作业，让学生对一个生产生活中的实例从时域分析和频域分析方法入手分析系统。大作业成绩也记录到期末总成绩的平时成绩中。
三、实验教学改革
（一）虚拟实验和实物实验相结合
传统的自动控制实验教学，一般采用实际的自动控制系统或自控实验箱，对系统进行实际的控制操作或在实验箱面板上连接相应的典型环节，通过对应的计算机软件观察系统的响应曲线及各项指标。虽然这种方式可以一定程度地提高学生的动手能力。但一般只能开设验证性实验，而且观察效果不理想。因此，将MATLAB仿真引入实验教学中，提出将虚拟实验与实物实验相结合，改革传统实验教学，开设MATLAB仿真实验，这样有效的增加了综合性和设计性实验项目的比例。
（二）加强系统实验
加强系统实验，使学生在掌握基本实验的基础上，充分利用已有的实验设备，增强动手能力。进一步强化系统化、工程化的概念。目前系统实验内容还在继续完善中，已有包括多种电机控制、单容水箱模型。学生们可以利用这些模型来检验和巩固自己课堂中所学的系统分析以及系统设计的方法。
四、结束语
在自动控制原理课程建设过程中，以上措施极大地调动了学生学习自动控制原理的主动性，培养了学生的创新能力和工程实践能力。虽然取得了一定的教学效果，但仍需在今后的教学中作进一步的探索与改进。
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（作者单位：上海工程技术大学高等职业技术学院 上海）