自动控制原理课程体系结构和教学方法探讨

李振龙　乔俊飞　孙　亮　于建均　杨金福　陈梅莲

[摘要]探讨了《自动控制原理》课程的体系结构、内容组织和教学方法。《自动控制原理》课程教学体系结构由理论教学平台和实践教学平台构成。将《自动控制原理》课程优化设计为五部分：教师课堂讲授、学生课程实验、学生课程设计、学生自主实验、网络互动教学。采用探究式、案例式、讨论式和对比式教学方法，采用传统教学方式与多媒体教学、MATLAB、网络教学方式相结合来提高教学质量。

[关键词]自动控制原理，体系结构，内容组织，教学方法。

[中图分类号]TP13 [文献标识码]A [文章编号]1005-4634(2009)02-0066-03

0引言

《自动控制原理》是高校自动化专业的专业基础课，是电气信息类、机械类、能源动力类等许多专业的学科基础课。该课程是本科生后续课程和研究生课程的基础课程，在控制科学与工程学科中占有重要地位。

《自动控制原理》课程理论性强、涉及多方面的数理知识，而且比较抽象，是一门具有一定深度和难度的课程，要求学生具有扎实的专业基础和较强的抽象思维能力，学习的难度较大。在教学效果上，学生只是机械地记住了若干公式定理，面对具体问题的时候，不知如何运用相应的知识去解决实际问题[1]。因此，对《自动控制原理》课程的教学要理论和实践并重，采用包括多媒体教学、传统教学、MATLAB辅助教学在内的多种教学方法和手段，不断进行教学研究和教育改革以提高教学质量。本文结合北京工业大学《自动控制原理》课程近几年的教学工作，对《自动控制原理》课程的体系结构、内容组织和教学方法进行了研究与探讨。

1体系结构

《自动控制原理》的内容理论性强，建模描述用到了微分方程模型、传递函数模型、脉冲响应模型等，涉及到高等数学、复变函数等数学知识；同时，通过《自动控制原理》的学习要培养学生的实践能力。因此，北京工业大学《自动控制原理》课程教学组的老师经过认真研究，结合北京工业大学自动控制原理实验室的情况，本着“厚基础、重实践、重能力”的指导思想，提出了如图1所示的《自动控制原理》课程教学体系结构[2]。

《自动控制原理》课程教学体系结构由两个平台构成，一个是理论教学平台，另一个是实践教学平台。《自动控制原理》课程的教学体系是由本科生教学的多个教学环节组成。第一级为理论教学平台与实践教学平台，第二级为各个平台之下的基本教学模块。理论教学平台有两个基本模块：课堂教学模块与网络教学模块，下面分别有第三级基本教学环节构成的子模块。实践教学平台有三个基本模块：课程实验模块，课程设计模块与自主实验模块，下面各有第三级基本教学环节构成的子模块。

2课程组织与设计

根据《自动控制原理》的教学内容，按照本课程的教学目标，对《自动控制原理》的内容进行了系统的规划、设计与安排。将《自动控制原理》课程进行合理优化，设计为五部分：教师课堂讲授、学生课程实验、学生课程设计、学生自主实验、网络互动教学。

1）教师课堂讲授。课堂讲授是学生学习的重要环节。笔者首先根据北京工业大学各专业的特点，制定了64学时、48学时、32学时的课堂教学内容，满足不同专业学生的学习需要；然后对于具体的教学内容进行教学设计，注重学生的探究能力和创新能力的培养。笔者借鉴了南京理工大学吴晓蓓教授提出的几个要点[3]：加强了建模部分的讲授，按照“稳定、稳态、动态——三态”的思想去讲授，围绕系统的“三态”进行分析和设计。教师课堂讲授主要是讲授自动控制的基本理论、引导学生进行系统分析与设计，让学生了解和学习“控制论”这种思想方法。

2）学生课程实验。课程实验是对学生课堂理论学习的检验和加深。学生利用MATLAB语言的控制系统仿真功能，学习与训练控制系统分析与设计能力。北京工业大学自动化专业《自动控制原理》实验课程单独设课，学生在完成理论学习的基础上，通过实验课程的实验，学习与掌握MATLAB语言的基本程序设计方法，学习应用MATLAB语言的控制仿真程序设计方法，进行控制系统的仿真并完成一般控制系统的校正设计。

3）学生课程设计。在课堂讲授和课程实验的基础上，通过课程设计加深学生对理论知识的理解与掌握，充分利用先进的实验设备，为学生设计各种实践教学内容。如，笔者设计了直流伺服电动机控制系统、磁浮球控制实验系统设计与调试等，借助于这些系统学生可完成经典PID控制器和自选控制算法的设计与仿真。 在课程设计中，学生可根据所学知识采用不同的控制方法，充分发挥每个学生的创造性，既能加深对基础理论的理解和掌握，又能提高学生的实际动手能力。

4）学生自主实验。自主实验是以学生为主体，根据学生对所学知识的理解与掌握，让学生自主设计实验。学生根据所学的知识利用实验室的设备，自由设计实验验证所学的理论知识或充分发挥学生个体的能动性、探究性、创新性来自主设计一些自动控制系统。自主实验设计包括两类：一是基于MATLAB-SIMULINK的控制仿真实验平台的自主实验设计；二是基于物理对象实验系统的自主实验设计。近年来，课程组还自行研制了液压伺服系统电模拟系统、坦克炮仰角控制实验装置等，丰富了学生自主实验的内容，提高了学生创新实践能力。

5）网络互动教学。网络互动教学是对课堂讲授的补充，是教师和学生不受地域时间限制的一个交流平台。经过近几年的建设，笔者已建成一个基于JSP技术和SQL SERVER 2000 数据库的网络教学系统。系统主要分为三大模块：公共浏览模块，教师管理模块和学生自主学习模块。可以实现教学资源共享、作业网上提交、网上答疑，实验预约，课程设计的布置与报告审阅、毕业设计申报与管理等，增强了师生的互动性。此外，课程网络教学系统还嵌入了具有随机出题的习题库子系统。学生可以通过习题库进行自我测验，并通过BBS论坛与老师及其他同学进行讨论交流。

教师课堂讲授重在基础理论的讲授；学生课程实验、学生课程设计、学生自主实验是对学生实践能力的分层次培养；网络互动教学是互动交流平台。通过这样五部分的合理规划与设计，一方面使学生掌握扎实的专业基础理论，另一方面有层次地培养学生的动手实践能力，使学生能够运用相应的知识去解决实际问题。

3教学方法的灵活应用

笔者以建构主义理论为基础，结合北京工业大学的基本定位以及学生的具体情况，根据《自动控制原理》课程的实际内容，采用多种教学方法，不断提高教学质量。

1）探究式教学。主讲教师通过创设情境，让学生围绕一定的问题在教师的帮助和支持下制定计划或设计实验，自主寻求答案或分析问题，并进行交流与讨论。教师围绕问题创设情境，提供相关信息，学生围绕问题展开分析研究，解决问题。注重学生自主探究，学生通过在自己或小组成员的探究活动中获得知识。教师首先从实际出发，提出问题，引起学生的积极思维，如，在建设北京工业大学奥运会体育馆时，从教室就可以看到塔吊在不停地工作，于是就提出问题——塔吊的臂如何才能准确、快速地把钢材送到指定的地点？这样的提问是建立在学生已有知识的基础上，并且与学生平时身边的事情相结合，能够引起学生的思考。提出问题后主讲教师引导学生分析问题，让学生应用已有的知识来自主寻求答案或分析问题。

2）案例式教学。主讲教师就某一知识点进行讲解，然后通过具体的案例来加深学生的理解与印象。如，在讲开环控制和闭环控制时，首先讲解它们二者的区别、优缺点等；然后以“单交叉口交通流的控制”为案例进行教学，当开环控制时，控制信号的绿灯时间预先设定好，按照一定的周期和配时方案进行控制；当闭环控制时，引入反馈，通过埋在地下的感应线圈测量车流量，使控制信号的绿灯时间按照车流量进行配置。这样通过案例就可以使学生容易理解开环控制和闭环控制的区别，以及二者的优缺点：闭环控制效果好，但需要传感器，成本增加。

3）讨论式教学。主讲教师将就某一问题或知识点，让学生进行讨论。教师对那些积极发言的学生要及时鼓励，要给那些不善表达或性格内向的学生发言的机会，促进学生动脑思考。在讲授新的内容时，主讲教师和学生讨论新知识点与前面学过的内容有什么样的联系与区别，这样一方面加深旧知识点的理解，另一方面会对新知识点有一点初步了解。如，讲高阶系统分析时，和学生一起讨论二阶、一阶系统的分析，使学生能够加深印象，做到温故而知新。

4）对比式教学。在讲解根轨迹分析时，与时域分析法进行对比；讲稳定性分析时，将劳斯判据和奈奎斯特判据对比；讲频率特性时，将极坐标图和对数坐标图进行对比。这样通过对比教学，找出它们之间的共性和个性，联系与区别。

4教学方式的有机结合

将先进的教学辅助设备、现代信息技术等应用于教学，改变了黑板板书单一的教学方式，使课堂教学图文并茂、声像具现，生动活泼，增加了信息量，提高了课堂教学效率。

1）传统教学方式和多媒体教学方式相结合。多媒体教学是课堂传统教学的有效辅助手段，主讲教师充分发挥多媒体在动画、语音、图形、图像等方面的特色，调动学生学习的积极性、主动性，为课堂教学提供了活力，提高课堂效率。主讲教师根据课程内容发挥多媒体教和传统教学各自的优点，达到互补。如，将交叉口的信号控制以多媒体的形式展现给学生（如图2），车流的运动，信号灯色的动态变化使学生耳目一新；而理论推导和过程依靠传统的教学模式，以板书的形式展现给学生，便于学生理解与掌握。

2）传统教学方式和MATLAB相结。MATLAB 提供了功能强大的工具，具有先进的视觉化功能，是一种完善的科学计算语言。笔者编写了相关教材——《MATLAB语言与控制系统仿真》，充分发挥MATLAB在自动控制原理教学中的应用，达到了满意的教学效果。如讲稳态误差时，对于0型系统和Ⅰ型系统跟踪阶跃信号，用MATLAB来进行辅助讲解，画出系统结构图（图3），并运行分析其结果（图4）。

借助于MATLAB的输出显示就可以直观看出，0型系统有差跟踪阶跃信号，Ⅰ型系统无差跟踪阶跃信号，这样就给学生留下了直观印象，便于理解与掌握。

3）传统教学与网络教学相结合。网络教学是课堂教学的延伸。通过网络教学，学生可以加深对课堂教学内容的理解，扩大知识面，并提高自己动手动脑，分析问题、解决问题的能力。充分发挥网络资源的优势，在增加知识面、提高效率、因材施教等方面对课堂教学起很好的补充作用，有利于充分发挥学生的主观能动性。

5结束语

本文结合北京工业大学《自动控制原理》课程的建设，阐述了在自动控制原理教学中的一些实践和体会，期望与各位同行交流探讨以便进一步改进和完善。总之，《自动控制原理》是一门理论性强、应用性强的课程。教师只有在教学过程中不断学习教育理论、积极研究和探索教学方法、采用多种教学方式和手段，不断提高自身素质才能提高教学质量。

参考文献

1唐超颖,姜斌.“自动控制原理”课程的探究性教学实践[J].电气电子教学学报,2007,29(6):91-93.

2赵晓华,孙亮,乔俊飞,李振龙.高校精品课程建设的探索与实践[J].理工高教研究,2007,26(5):91-93.

3吴晓蓓.“自动控制原理”课程讲授的几个要点[J].中国大学教学,2005,(9):28-30.