自动控制理论系列课程教学改革探究

薛 薇, 刘振全, 贾红艳, 戴凤智, 冯爱惠

(天津科技大学 电子信息与自动化学院， 天津 300222 )

自动控制理论系列课程教学改革探究

薛 薇, 刘振全, 贾红艳, 戴凤智, 冯爱惠

(天津科技大学 电子信息与自动化学院， 天津 300222 )

本文对我校自动控制理论系列课程的一些教学改革进行了讨论。对以“自动控制理论”课程为主线，以“现代控制理论”、“模糊理论与控制”和“系统仿真”等课程为辅线的系列课程进行教学改革与探究，在系列课程教学团队建设，课程的合理配置、特色教材的编写、实践环节的有效设置和课程考核与考试方式等方面取得了较好的教学效果。

自动控制理论；教学团队；教学改革

0 引言

“自动控制理论”课程是控制科学与工程一级学科的主干课程之一，是自动化类和电气及电子信息类专业的一门专业基础课[1，2]。

作为研究自动控制系统基本概念、基本理论和基本方法的课程，它也是一门方法论的课程，所研究的系统可以是物理的，也可以是社会的、经济的、生物的等非物理系统的。学好它对学生以后的学习和生活等方面都会有帮助。众所周知，教师的教学水平是决定教学质量的关键因素[4]。为了提高“自动控制理论”及其延伸课程的教学质量，前年我校组建了自动控制理论系列课程教学团队，希望群策群力、集思广益、共同努力提高团队教师的教学水平，改善教学效果，提高教学质量。所谓自动控制理论系列课程包括“自动控制理论”、“离散与非线性控制系统”、“现代控制理论”、“模糊理论与控制”、“系统仿真”和“自动控制理论综合实验”等课程。其中，“自动控制理论”课程是我校电子信息自动化学院里自动化、电气工程及其自动化、电子信息、通信工程和测控技术与仪器五个专业统一开设的院级大平台课程，系列课程中的其他几门课程则主要是面向自动化和电气工程及其自动化这两个专业开设的限选课或任选课。组建的这支团队已经在自动控制理论系列课程的课程设置、教学方法、教学手段和考核形式的改进以及实践环节的加强等方面进行了一系列有益的尝试与探索，取得了较好的效果。本文把我们教学团队所做的主要工作总结出来与同行们共享。

1 课程的合理设置

我院五个本科专业覆盖了控制科学与工程、电气工程和仪器科学与技术等几个不同的一级学科领域，考虑到我院本科专业的特点，我们把经典控制理论中的线性定常连续控制系统的基本内容，如数学模型建立、时域分析法、复域分析法、频域分析法以及系统综合等，开设成学院的大平台课——“自动控制理论”，该课程为全院五个专业的专业基础课，设置为必修课程，并且在我院和机械工程学院共同培养的机电一体化卓越人才实验班中开设为双语课程。另外，把“自动控制理论”课程的实验集合成了一个为期两周的实践环节，即“自动控制理论综合实验”。而针对自动化和电气工程及其自动化这两个对自动控制理论系列课程掌握要求比较高的专业，把离散系统和非线性控制系统的内容整合为一门“离散与非线性控制系统”限选课，把现代控制理论的基础知识开设为“现代控制理论”限选课。此外，把“系统仿真”、“模糊理论与控制”这两门课设置为任选课。需要特别说明一点，为了让参加电子竞赛、智能车竞赛及机器人竞赛的学生及早掌握智能控制理论基础，我们把“模糊理论与控制”课程特别提前到了大学二年级开设，这样可以照顾到不同专业和不同层次学生的需要。

2 教学方法、手段和考核方式的改进

我们这个教学团队承担着学院各专业的“自动控制理论”课程以及多门自动控制理论课程的延续课程。我们近几年对所承担的多门课程，根据课程特点在教学方法和教学手段方面进行了一些探索和改革，完成的主要工作如下。

2.1 教学方法和手段的改善

自动控制理论系列课程具有理论性强、涉及高等数学和工程数学的知识点多等特点，如果单纯讲解理论分析与推导，学生会感到太枯燥，容易对这些课程的学习产生畏难情绪。为了提高学生学习自动控制理论系列课程的兴趣，我们从两方面入手：一方面是改善教学方法，在“自动控制理论”等课程的教学中，根据课程的不同内容和学生的实际接受程度，有针对性地选择最适合的教学方法组织教学，可以采用启发式教学、比较式教学和案例式教学等多元化教学方法，让学生主动参与课堂教学，活跃课堂气氛[5]。另一方面，结合多媒体等现代教育技术和手段来丰富教学内容和层次。在教学过程中，强调理论联系实际，课堂上尽量多地列举一些能引起学生兴趣的并与他们的生活有关的实际控制系统的例子，比如全自动洗衣机控制、胰岛素注射器自动控制等；着力改善教学内容，在保证基本原理内容严谨性和系统性的前提下，省略掉繁杂的数学推导，着重于从工程应用的角度来强调一些结论的物理意义及其使用方法，在理论阐述上力求简练易懂，并通过举例和习题练习来巩固学习内容[6]。

2.2 编写具有特色的教材

之前，我们选用过多种不同版本的“自动控制理论”教材，感觉有些教材虽然内容丰富、有一定深度，但不太适合我校学生使用。经过多年对“自动控制理论”课程的教学积累，我们已经着手编写适应我校学生学习的“自动控制理论”教材，把我们教学团队中几位讲授“自动控制理论”课程的教师积累并总结的一些教学经验、方法和体会，融入到所编写的教材中去，并且把经典控制理论和现代控制理论作为两个独立部分部分编入教材，争取编写出一本具有特色并适合我校课堂教学，方便学生自学的“自动控制理论”的教材。

2.3 课程考核与考试方式的改进

我们教学团队还对“自动控制理论”系列课程的考核方式进行了改进。首先，在“自动控制理论”课程成绩评定中采用平时考核和期末考试相结合的方案，平时成绩由考勤成绩和作业成绩组成，占总成绩的20%，期末考试成绩占80%。期末考试原来采取闭卷考试方式，现在改为半闭卷考试。考试方式的改变主要是弱化公式和结论的死记硬背，着重于加强学生灵活掌握知识并用所学知识解决问题的能力。另外，为了让学生能自主地系统总结和复习所学课程知识内容，我们允许每位学生将自己手写的一张A4纸大小的复习材料，写上学号和姓名后带入考场，考试答卷时进行参考。复习材料上的内容不做特殊限定，每位学生根据自己的学习情况进行准备，但不允许学生将任何打印、复印或缩印的纸质材料带入考场，否则按作弊处理。另外，任课教师和期末考试试卷的出题教师采取“背靠背”形式，出题教师可以选校内教师，也可以请校外教师担任，而该课程的所有任课教师只在开考前一刻钟才能看到试卷内容。通过这样的措施，学生们和任课教师都反映效果不错。

其次，在“现代控制理论”、“模糊理论与控制”及“系统仿真”等选修课中，为了减轻学生的考试压力，改变学生临时突击复习、应付考试的不良学习习惯，我们教学团队对这几门选修课改用过程考核方式，取消期末考试，每门课教师可以根据自己的课程特点和情况确定考核内容，比如“现代控制理论”课程的考核内容由四部分组成：考勤、作业、随堂测验和小论文，每部分成绩分数占总成绩分数的百分比均为25%，并且其中前两项严格按照学校的学籍管理规定执行，一旦缺勤次数或缺交作业次数达到了学籍管理规定中的红线，则前两项成绩之和为零分。为了全面、合理地考核学生的学习效果，一般情况下，随堂测验次数不少于4次，小论文篇数不少于2篇，留一部分教学内容让学生自学或在教师讲解的基础上再进行深入学习，然后按科技论文写作格式与规范写成小论文。这样，一方面提高了学生的自学能力，另一方也锻炼了学生科技论文写作能力，为学生将来的毕业设计和撰写科技论文打下一定基础。通过在2011级、2012级和2013级学生中试行，取得了良好的效果，得到了学生的肯定与欢迎。

3 加强实践教学环节

由于“自动控制理论”课程理论性较强，课时比较紧张，在理论课内安排实验难度很大，也难以做到理论教学与实践教学同步[7]。为此，我们采取先集中上课、后集中实验的方式进行教学，即先进行64学时的“自动控制理论”课程课堂理论教学，对它的基本概念、基本理论和基本方法进行系统、完整的介绍。理论课程教学结束后再集中2周时间让学生参加“自动控制理论综合实验”环节。特别强调的是，在这个实践环节中，让学生分别用模拟电路实物实验和Matlab数值仿真手段予以完成。先让学生结合课堂上所学的知识，针对一个二阶系统的传递函数，根据所提出的性能要求，设计出一个超前校正装置或滞后校正装置的结构和参数，即校正装置的传递函数。在此基础上，再运用电路理论和模拟电子技术知识，设计和制作这个二阶系统及其超前或滞后校正装置的模拟电路实体，然后借助Matlab数值仿真运用“自动控制理论”中的时域分析方法和频域设计方法对所设计的模拟电路系统进行分析与综合。通过这样的实践环节，不仅提高了学生运用自动控制原理知识分析问题及解决问题的能力，而且也提高了学生们的动手能力，同时也培养了学生们的团队协作意识和精神。

4 结语

近几年来，我们在自动控制理论系列课程的教学内容、教学方法及教学手段上进行了一些有益的探索与尝试，改革后无论是从系列课程的内容和设置上，还是实践环节及考核方式上都更趋合理。教学实践表明：学生对自动控制理论系列课程知识掌握得更扎实，学习主动性有所提高，确实取得了良好的效果。但我们的工作还存在很多的不足，我们在认真探索和完善自动控制理论系列课程教学的同时，还需要更多地和同城异地的院校同行们进行沟通和交流，取长补短，不断创新。

我们自动控制理论系列课程教学团队的教师们遵循“千教万教、教人求真”的原则，秉承“尚德、尚学、尚行，爱国、爱校、爱人”的我校校训，会进一步努力把我校自动控制理论系列课程建设好，让更多的学生从中受益，也为更多的院校同行提供可借鉴的教学经验。

[1] 李振龙, 乔俊飞, 孙亮, 于建明, 杨金福, 陈梅莲. 自动控制原理课程体系结构和教学方法探讨[J]. 秦皇岛: 教学研究, 2009, 32(2): 66-72

[2] 张瑞成, 王福斌, 陈志坤. “自动控制原理” 课程立体化教学体系研究与实践[J]. 北京: 实验技术与管理, 2013, 30(9): 181-184

[3] 田玉平. 探索“自动控制原理”课程教学体系改革之路[J]. 南京: 电气电子教学学报, 2008, 30(3): 8-11

[4] 别敦荣. 大学教学方法创新与提高高等教育质量[J]. 北京: 清华大学教育研究, 2009, 30(4): 95-101, 118

[5] 崔明涛, 国润秋, 盛英, 叶俊杰, 段学超. “自动控制原理”课程教学改革探究与实践[J]. 南京: 电气电子教学学报, 2015, 37(3): 24-26,113

[6] 谢林柏,徐颖秦. 面向卓越计划的“自动控制原理”课程教学探究[J]. 北京: 中国电力教育, 2013(290): 91-92

[7] 田思庆, 吴桂云. “自动控制原理”课程的教学研究与实践[J]. 南京: 电气电子教学学报, 2008, 30(1): 112-113

[8] 姚利民,段文彧. 高校教学方法探讨[J]. 北京: 中国大学教学, 2013(8): 60-64

Exploration for Teaching Reform of Automatic Control Theory Series Courses

XUE Wei， LIU Zhen-quan ，JIA Hong-yan， DAI Feng-zhi， FENG Ai-hui

(SchoolofElectronicInformationandAutomation,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin300222,China)

In this paper we discuss teaching reform of automatic control theory series courses. A number of reforms and explorations in serial courses have been done. Our main line is Automatic Control Theory course; others such as Modern Control Theory, Fuzzy Theory & Control as well as System Simulation serve as auxiliary lines. Promising results have been achieved in various aspects such as teaching team construction， rational allocation of curriculum, characteristics in textbook editing, proper arrangement of practical session, course assessment and examination model, etc.

automatic control theory; teaching team, teaching reform

2015-11-19;

2016-04-05 基金项目:天津科技大学教育教学改革“十二五”规划项目(C06)

薛 薇(1963-)，女, 硕士,教授,主要从事自动化方面的教学及科研工作，E-mail: xuewei@ tust. edu. cn

C642

A

1008-0686(2016)05-0033-03