“自动控制基础”课程教学改革探析

徐华平　潘朝峰　刘炳霞

摘 要：文章从 “自动控制基础”课程教学现状与存在的问题出发，根据自动控制基础课程的特点，结合江苏科技大学能源与动力工程专业的偏船舶背景，基于课程内容优化、计算机辅助教学、教学方法改进、实践教学、课程考核等方面提出了“自动控制基础”课程的教学改革策略。

关键词：自动控制基础；教学改革；高等工科学校

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2015）04-0043-02

“自动控制基础”是高等工科学校广泛采用的一门重要的专业基础课程。主要研究经典控制理论的基本内容，具有理论性强、系统性强、应用范围广等特点，而且是一门跨控制论与机械工程技术理论领域的边缘学科。本课程将环节与系统相互贯通，着重加强环节和系统基本理论的介绍；遵循各环节的结构组成与动态特性相结合的教学体系。学生通过本门课程的学习，能够加强用动态的概念分析问题的基本技能，了解自动控制原理的应用，掌握实验的基本技能，为学习后续课程以及从事有关的工程技术工作和科学研究工作打下一定的基础。本课程对培养学生的辩证思维能力，树立理论联系实际的科学观点和提高学生分析问题、解决问题的能力有着重要的作用。在实际教学中存在内容多、学时紧（40学时）的矛盾，加之这门课程比较抽象，公式繁多，有一定的深度和难度，而且对于数学理论基础较弱的非控制专业的工科学生来说，学习热情更加不高，学生经常反映学习本门课程后不知如何系统应用。对于江苏科技大学有船舶背景的能源与动力工程专业学生来说也是如此。针对这种情况，在逐年的教学过程中，不断尝试总结经验，从理论讲授、计算机辅助、实践教学等方面进行了改革，形成了一套全方位的教学新体系。

一、优化课程内容，突出课程特点

“自动控制基础”课程主要包括控制系统数学模型，控制系统的传递函数，控制系统的时域分析，控制系统的频率响应及频率指标，控制系统的稳定性分析（劳斯判据、奈奎斯特判据）及相对稳定性指标，控制系统的设计与校正，线性离散系统初步等。考虑到专业背景和学生的理解能力，在保持课程体系完整的前提下，理论教学中删掉了根轨迹法和Z变换，在讲解传递函数章节时插入两课时的部分复变函数和积分变换内容。本门课程的特点是知识点多而繁杂，因此凝练教学主线是学生掌握理论知识并灵活运用的关键。数学模型是控制系统分析和设计的基础，首先通过实例分析讲解典型线性元件的数学模型建立方法，在此基础上结合实际控制系统讲解控制系统结构图的绘制和闭环系统传递函数的求取方法。对于时域分析法和频域分析法，突出时域分析法的直观性，强调频域分析法的工程应用。讲课时从不同角度剖析教材中的重要定理、方法与公式等，让学生充分认识教材内容的含义，对于难以理解的数学推导加以删减和弱化，更注重数学推导结论的应用，使复杂问题简单化，重点是强调基本概念的理解与吸收，突出控制理论的工程应用背景，强调控制理论的实践性，注重培养学生的工程意识。以学生熟悉的控制系统为例来分析系统结构、建立系统模型、分析控制系统工作原理、分析系统性能等，可以使学生真正掌握控制理论的应用方法，提高学生分析问题和解决问题的能力。

二、改进教学方法

由于“自动控制基础”课程比较抽象，不同于一般的专业课，在授课过程中，学生普遍反映学习比较吃力，不知道这些知识学了用在什么地方，某些学生有“自动控制基础课程难学又没用”的想法，大部分学生的学习目的不明确，上课的注意力很容易不集中，传统教学方法严重影响学生的学习积极性。针对这种情况以及学生对应的偏船舶专业背景，在课堂教学中引入船舶中大量的控制系统应用的实例，如把船舶柴油机气缸冷却水温度控制系统、船舶燃油黏度控制系统、船用辅锅炉的水位自动控制系统、主机遥控系统和船舶火灾监控系统自动控制等等，穿插到本门课程的教学中。这种教学方法通俗易懂，学生能很快接受，从“要我学”转变为“我要学”，课下经常有学生请教实例中深层次的问题，学生普遍反映喜欢这种实例讲解。同时在教学中注意采用多种教学手段与方法，上课并不是简单地“念”多媒体课件，对于重要的数学推理以及公式，还是在黑板上进行推导，现代教学手段与传统教学方法有机结合，可以使得课程教学更加科学[1]；课上多用启发式提问，增加学生对知识点的感性认识，让学生积极思考和分析，然后积极组织学生参与课堂讨论，最后教师加以总结。师生之间形成良好的互动，课堂教学氛围比较活跃，很大程度上调动了学生对学习的兴趣。

三、注重Matlab软件在教学中的应用

Matlab软件在欧美国家早在20世纪90年代就正式引入教学中，如今Matlab已经成为线性代数、控制理论、数理统计和数字信号处理等课程的基本教学工具，成为欧美国家大学生必须掌握的基本技能。自动控制基础课程理论复杂，公式也比较多，Matlab控制系统工具箱可以很好地处理以传递函数为主要特征的经典控制问题[2]。将Matlab引入课堂教学中，不但可以提高教学质量，也能吸引学生的学习兴趣。例如时域分析中，系统对各种典型输入信号的响应传统上都是利用拉普拉斯变换法求解出系统输出的拉普拉斯变换，然后拉普拉斯逆变换得到输出的时间函数。由于江苏科技大学能源与动力工程专业学生以前没有学过复变函数与积分变换这类课程，加之过多的数学变换干扰了学生对时域分析的理解，特别是二阶振荡系统，得到的系统输出方程比较复杂，学生难以理解。而且课堂教学中做出准确的曲线也比较困难。在Matlab环境下，可以很方便地输入相应的参数，从而得到相应的响应曲线。再通过改变自然频率和阻尼比的大小，可以很直观地观察到这两个参数对时间响应曲线的影响。整个过程清晰明了，教学形象生动，复杂抽象理论的概念得以具体图形化，学生对知识点易于掌握，对课程的兴趣也得到提升。另外利用此软件在频率特性的Nyquist图、Bode图的绘制与分析以及系统的校正等传统教学难点的教学中也收到了很好的教学效果。课下也鼓励学生学习Matlab软件，建议课后部分作业用Matlab来完成。

四、加强实验教学

课程的实践教学环节在江苏科技大学是独立授课实验，授课教师与实验教师的沟通尤为重要。一方面，目前实验安排上尽量压缩讲解时间，减少演示性的实验项目，相关的理论知识学完后紧跟实验，增多设计性、综合性的开放实验内容， 强化学生对基础知识的理解，培养学生的自主学习能力，确保学生不但能做出结果，还能知道为什么会有这样的结果；另一方面在Matlab环境下开展计算机辅助虚拟教学实验，“虚实”两种手段有机结合。对于动手能力强的学生，利用实验室现有的设备，引导学生自己设计实验项目，能力非常突出的，吸收到学校相关本科生创新计划的研究小组。充分发挥学生的学习主动性和创造性，为毕业后的工作或深造打下基础。

五、改革考核方式

“自动控制基础”课程为必修考查课，考核方式比较灵活，教师可以自由选择。以前都是采用开卷考试或者是小论文的方式，实施下来发现效果非常差，学生对本课程的重视程度不高，上课不听讲、睡觉，甚至干脆逃课的现象很多。而且自动控制基础的一些基本概念和理论必须掌握，所以考试是必要的[3]。但单纯采用闭卷考试后，学生往往都在考试前突击复习，相当一部分学生的成绩都是勉强及格。后来改用平时成绩加期末考试卷面成绩综合的形式，平时成绩和期末考试卷面成绩各占50%，平时成绩由以下几部分构成：1.课堂考勤；2.课后作业，事先声明严禁抄袭，必须是自己独立完成，对于交上来的作业教师认真批改并及时讲解，作业有抄袭嫌疑的在课堂上向学生求证，几次下来作业抄袭现象得到了很好的遏制；3.课题提问环节，每次随机提问，而不是传统的按照学号顺序来，这样每个学生都觉得自己会被问到，上课就会集中注意力，认真听讲，同时也能检验学生的学习效果，每位学生在整个课程的教学过程中至少要被提问三次；4.额外加分项，课堂练习中有把握的学生可以上黑板来完成和讲解，效果良好的学生可以获得若干额外加分，份额为1—5分，为了公平起见，每个学生这样的机会是两次。期末考试不设填空题和选择题，一般为四到五道计算题，命题突出能力考核。

以上教改措施经过近几届学生的实施，取得了一定的成效，效果显著，提高了教学质量，激发了学生的学习兴趣，加深了学生对课程知识的掌握，这也为后续课程的学习打下了良好的基础。但教学方面还有很多问题需要继续探索与完善，教学方法必须不断改进、不断总结、不断创新，达到进一步提高学生的学习主动性，增强学生的学习创新能力、实践能力的培养目标。

参考文献：

[1]王伟，申爱明.“控制工程基础”课程教学改革研究与探索[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2007，（2）.

[2]王辉，张段芹，马军等.基于MATLAB的机械工程控制基础教学与实践[J].山西科技，2013，（6）.

[3]刘建群.“机械工程控制基础”课程教学改革的思考与实践[J].广东工业大学学报：社会科学版，2006，（S1）.