“自动控制原理”课程教学改革

肖萍萍，李晓光

(长春大学光华学院信息工程学院，吉林长春 130117)

“自动控制原理”课程主要研究自动控制系统的系统建模、系统分析及系统设计的基础理论和方法，对培养学生学习后续课程及从事工程实际工作有着重要的影响。该课程具有理论性强，概念抽象等特点，如何激发学生的学习兴趣，将学生的数学基础、专业理论及工程实践有机地结合起来，提高教学质量是进行课程改革的目的。

认知心理学是以信息加工为核心的心理学，它吸收了信息论、控制论、系统论和计算机科学等当代最新理论和科技成果的精华，用实验方法和信息加工观点研究心理过程［1］。

经过几年的探索，我们从学生认知心理的特点和规律出发，建立一套以互动—实践—创新为主线的教学模式，在完成课堂教学的同时，提高学生自主学习能力、实践创新能力和团队协作能力，以适应社会对工程应用型本科创新人才培养的需求。

1 形象化教学手段

1.1 动态教学能激发学生兴趣

在本课程的绪论部分，重点介绍自动控制在空间技术、科技、工业、交通和环境等领域的应用。由于学生对系统的概念没有感性认识，更没有机会在实际现场亲身体验自动控制系统过程的机会。我们在讲授过程中，以Flash动画、实物图以及幻灯片的方式，将一些典型系统，如温度控制、液位控制和车辆控制等工程实践过程以动态的方式展现出来，引导学生对实际控制系统的各个组成部分进行分析。图1所示为采用动画方式演示液位控制系统的传统手动控制(a)和自动控制(b)的过程［2］。

图1 液位控制系统

1.2 强化复述可加深学生记忆

根轨迹的绘制方法是本章的重点，它主要包括了根轨迹的起点、终点、分支数、实轴上的根轨迹、分离点、汇合点以及渐近线等步骤。我们将绘制步骤的每个知识点，采用板书的方式进行讲解。同时，按照绘制步骤在课件中设定动画的顺序和效果。在每一步骤完成后，演示出其结构，在最后一页幻灯片中将完整的图形绘制出来。这样将较抽象的内容形象化，体现教学思路，可以强化学生对重点内容的掌握。

1.3 利用虚拟仿真提高学生思维

在讲解时域分析法、频率法和系统校正等内容时，其手工绘图精度较低，分析质量差。我们引入Matlab/Simulink作为控制系统 CAD［3］。在课件中适当地插入由Matlab编程实现的各变换域分析结果，利用虚拟仿真对系统的稳定性以及性能指标进行计算，从而使抽象的概念形象化，避免计算和绘图的错误。作为某控制系统的仿真实例，要求系统在单位斜坡输入信号作用下，速度稳态误差ess≤0.1，开环截止频率 ωc≥4.4弧度/秒，相位裕量 γ≥45°，幅值裕量h≥10dB，采用无源串联超前网络对系统进行校正仿真，其结果如图2所示。

图2 控制系统校正前后的Bode图

2 多种教学方法

我们研究学生的认知心理和思维特征，结合本课程的专业特点，精心设计课堂各个环节及其实施过程的策略，采用了如下多种教学方法［4］。

(1)预习式和关联式相结合，促进学生认知结构条件化。在课堂内容进行到某一阶段，学生对要讲授的课程内容有一定基础后，通过布置思考题的方式，引导学生对下节课要讲授的内容进行预习，并鼓励学生课后查阅相关资料和素材，接触本课程、本学科的新知识和新技术。在授课过程中，结合教学内容有针对地补充相应的基础知识和工程背景，有意识地将学科的最新进展，以及本课程与其他课程的联系传达给学生，在开阔学生的视野的同时，帮助学生认知结构完备化。

(2)导入式和问题式相结合，促进学生认知结构条件化。根据课堂的教学内容、特点，注意围绕教学重点精心设计一些具有启发性和指导性的问题穿插到教学内容中，强化其焦点注意，有利于学生选择引入的信息。例如在讲解线性系统离散分析时，由于学生已经掌握时域分析和频域分析的方法，教师可以将时域和频域的分析方法进行比较总结作为引子，激发学生已有的知识点，引导和启发学生将所学的知识与其使用条件结合起来学习，让学生自己考虑在什么条件下使用离散分析。教师提出离散系统分析的重点，以问题的方式启发学生自学，发挥学生的主观能动性。

(3)研究性学习和自我展示相结合，促进学生知识结构化。我们发现通过书面作业和口头回答问题的形式，很难了解学生认知过程中存在的问题。因此，在控制系统设计环节，我们将每班学生分成几个小组，由教师预先将不同设计目标分配给每组协作完成。组内学生根据分工认真查阅相关资料和素材，让他们自己进行思考和研究并为其自我展示创造机会。例如，在课堂讨论时，由每组派一名学生上讲台介绍设计内容和方法，其他学生和教师进行点评［5］。通过学生设计思路的讲解，对师生的思路差异进行分析，引导学生从认知结构中寻找缺陷，改善本组设计中的不足，拓宽设计思路。

以上三种教学方法彼此之间相互关联且相互渗透。针对不同教学内容，可以使用不同的教学方法，促进学生知识结构化。

3 结语

为了适应素质教育对工程应用型创新人才培养模式的需求，获得良好的教学效果，我们结合学生认知心理的特点和规律，对“自动控制原理”课程的教学方法和教学环节等方面做了一些改革的尝试。我们将教学内容以图形和声音等现代教育技术手段表现出来，有机地将本课程连接成一个整体，可以充分发挥学生的主观能动性，提高教学质量。

［1］ 王志坚，认知心理学的学习理论对课堂教学的启示［J］.北京:中国教育学刊，1997，第02期

［2］ 刘大年，史旺旺，孙贵根，吴桂峰，“数字信号处理”课程的形象化教学方法探索［J］.南京:电气电子教学学报，2006，28(4)，104-111

［3］ 岳舟，罗良才，曹锋等，“自动控制原理”教学改革的研究与探索［J］.合肥:电脑知识与技术，2010，Vol:6(20)，5537-5538

［4］ 张学敏，“数字信号处理”课程教学改革实践［J］.北京:中国电力教育，2009(2)，140-141

［5］ 金鑫，谢昭莉，盛朝强等，“自动控制原理”实验教学改革创新与实践［J］.南京:电气电子教学学报，2009.31